Estado de transición

En química , el estado de transición de una reacción química es una configuración particular a lo largo de la coordenada de reacción . Se define como el estado que corresponde a la mayor energía potencial a lo largo de esta coordenada de reacción. ^{[ 1 ]} A menudo se representa con el símbolo de doble daga (‡).

Como ejemplo, el estado de transición que se muestra a continuación se produce durante la reacción S _N 2 del bromoetano con un anión hidróxido :

El complejo activado de una reacción puede referirse tanto al estado de transición como a otros estados a lo largo de la coordenada de reacción entre reactivos y productos , especialmente aquellos cercanos al estado de transición. ^{[ 3 ]}

Según la teoría del estado de transición , una vez que los reactivos han pasado por la configuración del estado de transición, siempre continúan formando productos. ^{[ 3 ]}

El concepto de estado de transición ha sido importante en muchas teorías sobre la velocidad de las reacciones químicas . Esto comenzó con la teoría del estado de transición (también conocida como teoría del complejo activado), desarrollada independientemente en 1935 por Eyring , Evans y Polanyi , e introdujo conceptos básicos de la cinética química que aún se utilizan hoy en día. ^{[ 4 ]}

La colisión entre moléculas reactivas puede o no dar lugar a una reacción exitosa . El resultado depende de factores como la energía cinética relativa , la orientación relativa y la energía interna de las moléculas. Incluso si las moléculas que colisionan forman un complejo activado , no necesariamente formarán productos ; en cambio, el complejo puede descomponerse y volver a los reactivos.

Debido a que la estructura del estado de transición es un punto de silla de primer orden a lo largo de una superficie de energía potencial , la población de especies en una reacción que se encuentran en el estado de transición es insignificante. Dado que estar en un punto de silla a lo largo de la superficie de energía potencial implica que una fuerza actúa a lo largo de los enlaces de la molécula, siempre existirá una estructura de menor energía en la que el estado de transición puede descomponerse. Esto se expresa a veces afirmando que el estado de transición tiene una existencia fugaz , y que las especies solo mantienen la estructura del estado de transición durante la escala de tiempo de las vibraciones de los enlaces químicos (femtosegundos). Sin embargo, las técnicas espectroscópicas manipuladas con astucia pueden acercarnos tanto como lo permita la escala de tiempo de la técnica. La espectroscopia IR femtoquímica se desarrolló por esta razón, y es posible analizar la estructura molecular extremadamente cerca del punto de transición. A menudo, a lo largo de la coordenada de reacción, los intermedios reactivos están presentes a una energía no mucho menor que la del estado de transición, lo que dificulta distinguirlos.

Las estructuras de estado de transición se pueden determinar buscando puntos de silla de primer orden en la superficie de energía potencial (SEP) de la especie química de interés. ^{[ 5 ]} Un punto de silla de primer orden es un punto crítico de índice uno, es decir, una posición en la SEP que corresponde a un mínimo en todas las direcciones excepto una. Esto se describe con más detalle en el artículo sobre optimización de la geometría .

El postulado de Hammond-Leffler establece que la estructura del estado de transición se asemeja más a los productos o al material de partida, dependiendo de cuál tenga mayor entalpía . Un estado de transición que se asemeja más a los reactivos que a los productos se denomina temprano , mientras que un estado de transición que se asemeja más a los productos que a los reactivos se denomina tardío . Por lo tanto, el postulado de Hammond-Leffler predice un estado de transición tardío para una reacción endotérmica y un estado de transición temprano para una reacción exotérmica .

Una coordenada de reacción adimensional que cuantifica el retraso de un estado de transición puede utilizarse para comprobar la validez del postulado de Hammond-Leffler para una reacción particular. ^{[ 6 ]}

El principio de correlación de estructura establece que los cambios estructurales que ocurren a lo largo de la coordenada de reacción pueden revelarse en el estado fundamental como desviaciones de las distancias y ángulos de enlace de los valores normales a lo largo de la coordenada de reacción . ^{[ 7 ]} Según esta teoría, si la longitud de un enlace particular al alcanzar el estado de transición aumenta, entonces este enlace ya es más largo en su estado fundamental en comparación con un compuesto que no comparte este estado de transición. Una demostración de este principio se encuentra en los dos compuestos bicíclicos representados a continuación. ^{[ 8 ]} El de la izquierda es un biciclo[2.2.2]octeno, que, a 200  °C, extruye etileno en una reacción retro-Diels-Alder .

En comparación con el compuesto de la derecha (que, al carecer de un grupo alqueno , no puede dar esta reacción), se espera que la longitud del enlace carbono-carbono en la cabeza de puente sea más corta si la teoría es correcta, ya que al aproximarse al estado de transición este enlace adquiere carácter de doble enlace. Para estos dos compuestos , la predicción se confirma según la cristalografía de rayos X.

Una de las formas en que se produce la catálisis enzimática es estabilizando el estado de transición mediante interacciones electrostáticas . Al disminuir la energía del estado de transición, se permite que una mayor cantidad del material de partida alcance la energía necesaria para superar la energía de transición y transformarse en producto.

• Teoría del estado de transición
• Análogos del estado de transición , compuestos químicos que imitan el estado de transición del sustrato y actúan como inhibidores enzimáticos.
• Intermediario de reacción
• Intermediario reactivo
• Complejo activado