Control termodinámico y cinético de las reacciones

El control termodinámico o cinético de una reacción química puede determinar la composición de una mezcla de productos cuando las vías de reacción competitivas conducen a productos diferentes y las condiciones de reacción influyen en la selectividad o estereoselectividad . Esta distinción es relevante cuando el producto A se forma más rápidamente que el producto B, ya que la energía de activación del producto A es menor que la del producto B , pero este último es más estable. En tal caso, A es el producto cinético y se ve favorecido bajo control cinético, mientras que B es el producto termodinámico y se ve favorecido bajo control termodinámico. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

Las condiciones de la reacción, como la temperatura, la presión o el disolvente, influyen en qué vía de reacción se ve favorecida: la controlada cinéticamente o la controlada termodinámicamente. Cabe destacar que esto solo se cumple si la energía de activación de ambas vías difiere, siendo una de ellas menor que la _otra .

La predominancia del control termodinámico o cinético determina la composición final del producto cuando estas vías de reacción competitivas dan lugar a productos diferentes. Las condiciones de reacción, como se mencionó anteriormente, influyen en la selectividad de la reacción, es decir, en qué vía se toma.

La síntesis asimétrica es un campo donde la distinción entre control cinético y termodinámico es especialmente importante. Dado que los pares de enantiómeros tienen, a todos los efectos, la misma energía libre de Gibbs, el control termodinámico necesariamente produce una mezcla racémica . Por lo tanto, cualquier reacción catalítica que proporcione un producto con un exceso enantiomérico distinto de cero está bajo control cinético, al menos parcialmente. (En muchas transformaciones asimétricas estequiométricas , los productos enantioméricos se forman como un complejo con la fuente de quiralidad antes de la etapa de purificación de la reacción, lo que técnicamente la convierte en una reacción diastereoselectiva. Si bien estas reacciones suelen estar controladas cinéticamente, el control termodinámico es, al menos en principio, posible).

• En principio, toda reacción se sitúa en el continuo entre el control cinético puro y el control termodinámico puro. Estos términos se refieren a una temperatura y una escala de tiempo determinadas. Un proceso se aproxima al control cinético puro a bajas temperaturas y tiempos de reacción cortos. Para una escala de tiempo suficientemente larga, toda reacción se aproxima al control termodinámico puro, al menos en principio. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Esta escala de tiempo se acorta a medida que aumenta la temperatura.
• En toda reacción, el primer producto que se forma es el que se forma con mayor facilidad. Por lo tanto, toda reacción, a priori, comienza bajo control cinético. ^{[ 13 ]}
• Una condición necesaria para el control termodinámico es la reversibilidad o un mecanismo que permita el equilibrio entre los productos. Se considera que las reacciones se producen bajo control termodinámico cuando la reacción inversa es lo suficientemente rápida como para que el equilibrio se establezca dentro del tiempo de reacción previsto. De esta forma, siempre se favorece el producto termodinámicamente más estable.
• Bajo control cinético de reacción, una o ambas reacciones directas que conducen a los posibles productos son significativamente más rápidas que el equilibrio entre los productos. Después del tiempo de reacción t , la relación de productos es la relación de las constantes de velocidad k y, por lo tanto, una función de la diferencia en las energías de activación E _a o Δ G ^‡ :

${\displaystyle \ln \left({\frac {[A]_{t}}{[B]_{t}}}\right)=\ln \left({\frac {k_{A}}{k_{B}}}\right)=-{\frac {\Delta E_{a}}{RT}}}$    (ecuación 1)

A menos que se impida el equilibrio (por ejemplo, eliminando el producto de la mezcla de reacción tan pronto como se forma), el control cinético "puro" es, estrictamente hablando, imposible, ya que se producirá cierto grado de equilibrio antes de que los reactivos se consuman por completo. En la práctica, muchos sistemas se aproximan bien a un control cinético, debido a que el equilibrio es prácticamente inexistente. Por ejemplo, muchos sistemas catalíticos enantioselectivos proporcionan un producto casi enantiopuro (> 99 % ee), aunque los productos enantioméricos tengan la misma energía libre de Gibbs y sean termodinámicamente igualmente favorables.

• Bajo control termodinámico puro de la reacción, cuando se ha alcanzado el equilibrio, la distribución de productos será una función de las estabilidades G °. Después de un tiempo de reacción infinito, la relación de concentraciones de productos será igual a la constante de equilibrio K _eq y, por lo tanto, será una función de la diferencia en las energías libres de Gibbs .

${\displaystyle \ln \left({\frac {[A]_{\infty }}{[B]_{\infty }}}\right)=\ln \ K_{eq}=-{\frac {\Delta G^{\circ }}{RT}}}$    (ecuación 2)

En principio, el control termodinámico "puro" también es imposible, ya que el equilibrio solo se alcanza después de un tiempo de reacción infinito. En la práctica, si A y B se interconvierten con constantes de velocidad globales k _f y k _r , entonces, para la mayoría de los fines prácticos, el cambio en la composición se vuelve insignificante después de t ~ 3,5/( k _f + k _r ), o aproximadamente cinco vidas medias, y la proporción de productos del sistema puede considerarse como el resultado del control termodinámico.

• En general, los tiempos de reacción cortos favorecen el control cinético, mientras que los tiempos de reacción más largos favorecen el control termodinámico de la reacción. Las bajas temperaturas mejorarán la selectividad en ambos conjuntos de condiciones, ya que T está en el denominador en ambos casos. La temperatura ideal para optimizar el rendimiento del producto de formación más rápida será la temperatura más baja que asegure la finalización de la reacción en un tiempo razonable. ^{[ 14 ]} La temperatura ideal para una reacción bajo control termodinámico es la temperatura más baja a la que se alcanzará el equilibrio en un tiempo razonable. ^{[ 15 ]} Si es necesario, la selectividad puede aumentarse enfriando lentamente la mezcla de reacción para desplazar aún más el equilibrio hacia el producto más estable. Cuando la diferencia en la estabilidad del producto es muy grande, el producto controlado termodinámicamente puede predominar incluso en condiciones de reacción relativamente vigorosas.
• Si una reacción está bajo control termodinámico a una temperatura determinada, también lo estará a una temperatura más alta durante el mismo tiempo de reacción.
• Del mismo modo, si una reacción está bajo control cinético a una temperatura determinada, también lo estará a cualquier temperatura inferior durante el mismo tiempo de reacción.
• Si se presume que una nueva reacción estará a priori bajo control cinético, se puede detectar la presencia de un mecanismo de equilibrio (y por lo tanto la posibilidad de control termodinámico) si la distribución de productos:
  • cambia con el tiempo,
  • muestra que un producto es dominante a una temperatura mientras que otro domina a una temperatura diferente (inversión de dominancia), o
  • cambia con la temperatura pero no es consistente con la ecuación 1, es decir, un cambio en la temperatura (sin cambiar el tiempo de reacción) provoca un cambio en la proporción del producto.${\displaystyle {[A]_{t}}/{[B]_{t}}}$que sea mayor o menor de lo que se esperaría del cambio de temperatura únicamente, suponiendo que${\displaystyle \Delta E_{a}}$es en gran medida invariable con la temperatura en un rango de temperatura moderado. ^{[ 16 ]}
• De la misma manera, se puede detectar la posibilidad de control cinético si un cambio de temperatura provoca un cambio en la relación de productos que es inconsistente con la ecuación 2, suponiendo que${\displaystyle \Delta G^{\circ }}$es en gran medida invariable con la temperatura en un rango de temperatura moderado. ^{[ 17 ]}

Los primeros en informar sobre la relación entre el control cinético y termodinámico fueron RB Woodward y Harold Baer en 1944. ^{[ 18 ]} Estaban reinvestigando una reacción entre anhídrido maleico y un fulveno reportado por primera vez en 1929 por Otto Diels y Kurt Alder . ^{[ 19 ]} Observaron que, si bien el isómero endo se forma más rápidamente, los tiempos de reacción más largos, así como las temperaturas relativamente elevadas, dan como resultado mayores proporciones exo/endo que debían considerarse a la luz de la notable estabilidad del compuesto exo por un lado y la muy fácil disociación del isómero endo por el otro.

CK Ingold, junto con ED Hughes y G. Catchpole, describieron independientemente un modelo de control de reacción termodinámico y cinético en 1948. ^{[ 20 ]} Estaban reinvestigando un cierto reordenamiento alílico reportado en 1930 por Jakob Meisenheimer . ^{[ 21 ]} Se encontró que la solvólisis del cloruro de gamma-fenilalilo con AcOK en ácido acético daba una mezcla del acetato gamma y el acetato alfa, convirtiéndose este último en el primero por equilibrio. Esto se interpretó como un caso en el campo de la anionotropía del fenómeno, familiar en la prototropía, de la distinción entre control cinético y termodinámico en la recombinación de iones .