Термодинамический и кинетический контроль реакции

Диаграмма профиля энергии для кинетической и термодинамической реакции продукта.

Термодинамический контроль реакции или кинетический контроль реакции в химической реакции может определять состав смеси продуктов реакции, когда конкурирующие пути приводят к различным продуктам, а условия реакции влияют на селективность или стереоселективность . Это различие актуально, когда продукт A образуется быстрее, чем продукт B , поскольку энергия активации продукта A ниже, чем у продукта B , но продукт B более стабилен. В таком случае A является кинетическим продуктом и ему отдается предпочтение при кинетическом контроле, а B представляет собой термодинамический продукт и ему отдается предпочтение при термодинамическом контроле. ^{[1] [2] [3]}

Условия реакции, такие как температура, давление или растворитель, влияют на то, какой путь реакции может быть предпочтительным: либо кинетически контролируемый, либо термодинамически контролируемый. Обратите внимание, что это верно только в том случае, если энергия активации двух путей различается, причем один путь имеет более низкую E _a ( энергию активации ), чем другой.

Преобладание термодинамического или кинетического контроля определяет окончательный состав продукта, когда эти конкурирующие пути реакции приводят к различным продуктам. Условия реакции, как упомянуто выше, влияют на селективность реакции, т.е. на выбор пути.

Асимметричный синтез - это область, в которой особенно важно различие между кинетическим и термодинамическим контролем. Поскольку пары энантиомеров по сути имеют одинаковую свободную энергию Гиббса, термодинамический контроль неизбежно приведет к образованию рацемической смеси . Таким образом, любая каталитическая реакция, которая дает продукт с ненулевым энантиомерным избытком, находится под, по меньшей мере, частичным кинетическим контролем. (Во многих стехиометрических асимметричных превращениях энантиомерные продукты фактически образуются в виде комплекса с источником хиральности перед стадией обработки реакции, что технически делает реакцию диастереоселективной. Хотя такие реакции обычно все еще контролируются кинетически, термодинамический контроль, по крайней мере, важен. в принципе возможно)

Объем

В реакциях Дильса-Альдера

Реакция Дильса -Альдера циклопентадиена с фураном может давать два изомерных продукта. При комнатной температуре преобладает кинетический контроль реакции, и основным продуктом реакции является менее стабильный эндо-изомер 2 . При 81 °C и после длительного времени реакции химическое равновесие может утвердиться и образуется термодинамически более стабильный экзо-изомер 1 . ^[4] Экзо - продукт более стабилен благодаря более низкой степени стерического скопления , в то время как эндо- продукту благоприятствует перекрытие орбиталей в переходном состоянии .

Термодинамический и кинетический контроль реакции в реакции циклопанетдиена и фурана

Обнаружен выдающийся и очень редкий пример полного кинетического и термодинамического контроля реакции в процессе тандемной меж-/внутримолекулярной реакции Дильса–Альдера бисфурилдиенов 3 с гексафтор-2-бутином или диметилацетилендикарбоксилатом (ДМАД) и описано в 2018 году. ^{[5] [6]} При низкой температуре реакции протекают хемоселективно , приводя исключительно к аддуктам клещевого-[4+2]-циклоприсоединения ( 5 ). Исключительное образование домино -аддуктов ( 6 ) наблюдается при повышенных температурах.

Кинетический и термодинамический контроль тандемной реакции Дильса–Альдера.

Проведены теоретические DFT-расчеты реакции гексафтор-2-бутина с диенами 3a – c . Реакция, начинающаяся с [4+2]-циклоприсоединения CF ₃ C≡CCF ₃ по одному из фурановых фрагментов, протекает согласованно через TS1 и представляет собой лимитирующую стадию всего процесса с активационным барьером Δ G ^‡ ≈ 23,1– 26,8 ккал/моль.

Профиль свободной энергии Гиббса для реакции бис -диенов 3a-c с гексафтор-2-бутином. Относительные энергии показаны в ккал/моль для X = CH ₂ (обычный текст), S ( курсив ) и NC(O)CF ₃ ( жирный шрифт ).

Кроме того, реакция может протекать по двум конкурирующим каналам, т.е. либо приводя к образованию продуктов типа клещей 5 через TS2k , либо приводя к образованию домино-продукта 6 через TS2t . Расчеты показали, что первый канал кинетически более выгоден (Δ G ^‡ ≈ 5,7–5,9 ккал/моль). Между тем продукты домино 6 термодинамически более стабильны, чем 5 (Δ G ^‡ ≈ 4,2-4,7 ккал/моль), и это может привести к изомеризации 5 в 6 при повышенной температуре. Действительно, рассчитанные барьеры активации изомеризации 5 → 6 по ретро -реакции Дильса–Альдера 5 с последующим внутримолекулярным [4+2]-циклоприсоединением в интермедиате цепи 4 с образованием 6 составляют 34,0–34,4 ккал/моль.

В енолятной химии

При протонировании енолят- иона кинетическим продуктом является енол , а термодинамическим продуктом — кетон или альдегид . Карбонильные соединения и их енолы быстро обмениваются друг с другом посредством переноса протонов , катализируемого кислотами или основаниями , даже в следовых количествах, в данном случае опосредованным енолятом или источником протонов.

При депротонировании несимметричного кетона кинетическим продуктом является енолят , образующийся в результате удаления наиболее доступного α-H, тогда как термодинамический продукт имеет более сильно замещенную енолятную часть. ^{[7] [8] [9] [10]} Использование низких температур и стерически сложных оснований увеличивает кинетическую селективность. Здесь разница в p K _b между основанием и енолятом настолько велика, что реакция по существу необратима, поэтому равновесие, приводящее к термодинамическому продукту, вероятно, является протонным обменом, происходящим во время присоединения между кинетическим енолятом и пока еще непрореагировавший кетон. Обратное добавление (добавление кетона к основе) с быстрым перемешиванием позволит свести это к минимуму. Положение равновесия будет зависеть от противокатиона и растворителя.

Кинетическое и термодинамическое депротонирование 2- метилциклогексанона .

Если использовать гораздо более слабое основание, депротонирование будет неполным и между реагентами и продуктами будет равновесие. Термодинамический контроль достигается, однако реакция остается незавершенной, если енолят продукта не улавливается, как в примере ниже. Поскольку перенос H происходит очень быстро, а реакция захвата медленнее, соотношение захваченных продуктов в значительной степени отражает равновесие депротонирования.

Термодинамическое депротонирование 2-метилциклогексанона с захватом енолята.

В электрофильных добавках

Реакция электрофильного присоединения бромистого водорода к 1,3-бутадиену при температуре выше комнатной приводит преимущественно к термодинамически более стабильному 1,4-аддукту, 1-бром-2-бутену, но снижение температуры реакции до температуры ниже комнатной благоприятствует кинетике 1, 2-аддукт, 3-бром-1-бутен. ^[3]

Присоединение HBr к бутадиену в эфире. Данные Эльшаймера (2000).

Обоснование различной селективности следующее: оба продукта возникают в результате протонирования Марковникова в положении 1, что приводит к образованию резонансно -стабилизированного аллильного катиона. Аддукт 1,4 помещает больший атом Br в менее перегруженное место и включает более сильно замещенный алкеновый фрагмент, тогда как аддукт 1,2 является результатом атаки нуклеофила (Br ^- ) по углероду аллильного катиона. несущий наибольший положительный заряд (наиболее вероятным местом размещения положительного заряда является более высокозамещенный углерод).

механизм гидробромирования бутадиена

Характеристики

• В принципе, каждая реакция находится на континууме между чистым кинетическим контролем и чистым термодинамическим контролем. Эти термины относятся к данной температуре и временному масштабу. Процесс приближается к чисто кинетическому контролю при низкой температуре и коротком времени реакции. В течение достаточно длительного периода времени каждая реакция приближается к чистому термодинамическому контролю, по крайней мере, в принципе. ^{[11] [12]} Этот временной интервал становится короче по мере повышения температуры.
• В каждой реакции первым образуется тот продукт, который образуется легче всего. Таким образом, каждая реакция априори начинается под кинетическим контролем. ^[13]
• Необходимым условием термодинамического контроля является обратимость или механизм, позволяющий уравновешивать продукты. Считается, что реакции протекают под термодинамическим контролем реакции, когда обратная реакция протекает достаточно быстро, чтобы равновесие установилось в течение отведенного времени реакции. Таким образом, всегда отдается предпочтение термодинамически более стабильному продукту.
• При кинетическом контроле реакции одна или обе прямые реакции, приводящие к образованию возможных продуктов, происходят значительно быстрее, чем установление равновесия между продуктами. По истечении времени реакции t соотношение продуктов представляет собой соотношение констант скорости k и, таким образом, является функцией разности энергий активации E _a или Δ G ^‡ :

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

Если не предотвратить установление равновесия (например, путем удаления продукта из реакционной смеси сразу после его образования), «чистый» кинетический контроль, строго говоря, невозможен, поскольку некоторая степень равновесия произойдет до того, как реагенты полностью израсходуются. На практике многие системы хорошо приближены к работающим под кинетическим контролем из-за пренебрежимо медленного установления равновесия. Например, многие энантиоселективные каталитические системы дают почти энантиочистый продукт (> 99% ее), даже несмотря на то, что энантиомерные продукты имеют одинаковую свободную энергию Гиббса и одинаково предпочтительны с термодинамической точки зрения.

• При чисто термодинамическом контроле реакции, когда равновесие достигнуто, распределение продуктов будет функцией стабильности G °. После бесконечного времени реакции соотношение концентраций продуктов будет равно константе равновесия K _eq и, следовательно, будет функцией разности свободных энергий Гиббса ,

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

В принципе, «чистый» термодинамический контроль также невозможен, поскольку равновесие достигается только после бесконечного времени реакции. На _{практике} , если A и B взаимно преобразуются с общими константами скорости kf и kr , то для большинства практических _целей изменение состава становится незначительным после t _~ 3,5/( kf + kr ₎ или примерно пяти периодов полураспада. а соотношение продуктов системы можно рассматривать как результат термодинамического контроля.

• В целом, короткое время реакции благоприятствует кинетическому контролю, тогда как более длительное время реакции способствует термодинамическому контролю реакции. Низкие температуры повысят селективность в обоих случаях, поскольку в обоих случаях T находится в знаменателе. Идеальной температурой для оптимизации выхода наиболее быстро образующегося продукта будет самая низкая температура, которая обеспечит завершение реакции за разумный промежуток времени. ^[14] Идеальная температура для реакции под термодинамическим контролем — это самая низкая температура, при которой равновесие будет достигнуто за разумный промежуток времени. ^[15] При необходимости селективность можно повысить путем медленного охлаждения реакционной смеси, чтобы еще больше сместить равновесие в сторону наиболее стабильного продукта. Когда разница в стабильности продукта очень велика, термодинамически контролируемый продукт может доминировать даже в относительно жестких условиях реакции.
• Если реакция находится под термодинамическим контролем при данной температуре, она также будет находиться под термодинамическим контролем и при более высокой температуре в течение того же времени реакции.
• Точно так же, если реакция находится под кинетическим контролем при данной температуре, она также будет находиться под кинетическим контролем при любой более низкой температуре в течение того же времени реакции.
• Если предположить, что новая реакция априори будет находиться под кинетическим контролем, то можно обнаружить наличие механизма равновесия (и, следовательно, возможность термодинамического контроля), если распределение продуктов:
  • меняется с течением времени,
  • показывает, что один продукт доминирует при одной температуре, в то время как другой доминирует при другой температуре (инверсия доминирования), или
  • изменяется с температурой, но не соответствует уравнению 1, то есть изменение температуры (без изменения времени реакции) вызывает изменение соотношения продуктов, которое больше или меньше, чем можно было бы ожидать, исходя только из изменения температуры, предполагая, что в значительной степени инвариантен к температуре в умеренном температурном диапазоне. ^[16] ${\displaystyle {[A]_{t}}/{[B]_{t}}}$ ${\displaystyle \Delta E_{a}}$
• Таким же образом можно обнаружить возможность кинетического контроля, если изменение температуры вызывает изменение соотношения продуктов, которое не согласуется с уравнением 2, предполагая, что оно в значительной степени инвариантно с температурой в умеренном температурном диапазоне. ^[17] ${\displaystyle \Delta G^{\circ }}$

История

Первыми, кто сообщил о взаимосвязи между кинетическим и термодинамическим контролем, были Р.Б. Вудворд и Гарольд Баер в 1944 году. ^[18] Они повторно исследовали реакцию между малеиновым ангидридом и фульвеном , о которой впервые сообщили в 1929 году Отто Дильс и Курт Альдер . ^[19] Они заметили, что, хотя эндо-изомер образуется быстрее, более длительное время реакции, а также относительно повышенные температуры приводят к более высоким соотношениям экзо/эндо, что необходимо учитывать в свете замечательной стабильности экзосоединения. с одной стороны, и очень легкая диссоциация эндо-изомера - с другой.

К.К. Ингольд , Э.Д. Хьюз и Г. Кэтчпол независимо друг от друга описали термодинамическую и кинетическую модель контроля реакции в 1948 году. ^[20] Они повторно исследовали определенную аллильную перегруппировку , о которой в 1930 году сообщил Якоб Мейзенхаймер . ^[21] Было обнаружено , что сольволиз гамма-фенилаллилхлорида с AcOK в уксусной кислоте дает смесь гамма- и альфа-ацетата, причем последний превращается в первый путем уравновешивания. Это было интерпретировано как случай из области анионотропии явления, известного в прототропии, различия между кинетическим и термодинамическим контролем при ионной рекомбинации .

Рекомендации

1. Органическая химия, 3-е изд., М. А. Фокс и Дж. К. Уайтселл, Джонс и Бартлетт, 2004 ISBN  0-7637-2197-2
2. Путеводитель по механизмам в органической химии, 6-е издание, Питер Сайкс, Пирсон Прентис Холл, 1986. ISBN 0-582-44695-3 
3. Введение в органическую химию I, Сет Роберт Эльшеймер, Blackwell Publishing, 2000 ISBN 0-632-04417-9 
4. Продвинутая органическая химия, часть A: Структура и механизмы, 5-е изд., Фрэнсис А. Кэри, Ричард Дж. Сундберг, 2007 ISBN 978-0-387-44899-2 
5. Ксения К. Борисова, Елизавета А. Квятковская, Евгения В. Никитина, Ринат Р. Айсин, Роман А. Новиков и Федор И. Зубков. «Классический пример полного кинетического и термодинамического контроля. Реакция Дильса-Альдера между DMAD и бисфурилдиеном». Дж. Орг. Хим., 2018, 83 (8), стр. 4840-4850. doi:10.1021/acs.joc.8b00336 https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.joc.8b00336
6. Ксения К. Борисова, Евгения В. Никитина, Роман А. Новиков, Виктор Н. Хрусталев, Павел В. Дороватовский, Ян В. Зубавичус, Максим Л. Кузнецов, Владимир П. Зайцев, Алексей В. Варламов и Федор И. Зубков . «Реакции Дильса-Альдера между гексафтор-2-бутином и бисфурилдиенами: кинетический и термодинамический контроль». хим. Коммун., 2018, 54, стр. 2850-2853. doi:10.1039/c7cc09466c http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cc/c7cc09466c#!divAbstract
7. Термодинамический продукт против кинетического продукта
8. Жан д'Анджело, Отчет о тетраэдре № 25: Еноляты кетонов: региоспецифическое приготовление и синтетическое использование , Тетраэдр, том 32, выпуск 24, 1976, страницы 2979-2990, ISSN  0040-4020, doi : 10.1016/0040-4020 (76) 80156-1
9. Химия карбанионов. IX. Еноляты калия и лития, полученные из циклических кетонов Герберт О. Хаус, Барри М. Трост J. Org. Chem., 1965, 30 (5), стр. 1341–1348 doi :10.1021/jo01016a001.
10. Химия карбанионов. XV. Стереохимия алкилирования 4-трет-бутилциклогексанона Герберт О. Хаус, Бен А. Тефертиллер, Хью Д. Олмстед J. Org. Chem., 1968, 33 (3), стр. 935–942 doi :10.1021/jo01267a002.
11. Хопаде, Тушар; Мете, Тримбак; Арора, Джьотсна; Бхат, Рамакришна (2018). «Неблагоприятное влияние более высокой загрузки катализатора и более длительного времени реакции на энантиоселективность в органокаталитической многокомпонентной реакции». Химия: Европейский журнал . 24 (23): 6036–6040. doi : 10.1002/chem.201800278. ПМИД  29465758.
12. Рулли, Джузеппе; Дуангди, Нонгнафат; Баер, Катрин; Хаммель, Вернер; Беркессель, Альбрехт; Грегер, Харальд (2011). «Направление кинетически и термодинамически контролируемого органокатализа и его применение в химиоферментативном синтезе». Angewandte Chemie, международное издание . 50 (34): 7944–7947. дои : 10.1002/anie.201008042 . PMID  21744441. S2CID  42971817.
13. Это неправда, только если последующее уравновешивание происходит так же быстро или быстрее.
14. Если только вы не удовлетворены неполной реакцией, тогда может потребоваться отделение продукта от непрореагировавшего исходного материала.
15. В худшем случае K _eq будет приближаться к 1 по мере увеличения T , а доля наиболее стабильного продукта будет стремиться к 50% реакционной смеси.
16. будет зависеть от температуры или почти не зависит от температуры, если оно мало, что было бы в том случае, если бы этапы, определяющие скорость, ведущие к каждому продукту, имели одинаковую молекулярность , например, если оба включали столкновения с одним и тем же реагентом. ${\displaystyle \Delta E_{a}}$ ${\displaystyle \Delta S^{\ddagger }}$
17. будет зависеть от температуры или почти не зависит от температуры, если оно мало, что было бы в том случае, если бы общие превращения каждого продукта имели одинаковую молекулярность , например, если бы оба были фрагментациями молекулы с образованием пары молекул или если бы оба были конденсация двух молекул с образованием одной молекулы. ${\displaystyle \Delta G^{\circ }}$ ${\displaystyle \Delta S^{\circ }}$
18. Исследования реакций присоединения диена. II.1 Реакция 6,6-пентаметиленфульвена с малеиновым ангидридом Р.Б. Вудворд, Гарольд Баер Дж. Ам. хим. Соц., 1944, 66 (4), стр. 645–649 doi :10.1021/ja01232a042.
19. Дильс О. и Алдер К. (1929), Synthesen in der Hydroaromatischen Reihe, IV. Mitteilung: Über die Anlagerung von Maleinsäure-angidrid an arylierte Diene, Triene und Fulvene (Mitbearbeitet von Paul Pries). Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (серии A и B), 62: 2081–2087. дои : 10.1002/cber.19290620829
20. Перегруппировка и замещение в анионотропных системах. Часть III. Механизм и равновесие при анионотропных изменениях А.Г. Кэтчпол, Э.Д. Хьюз и К.К. Ингольд J. Chem. Соц., 1948, 8-17 дои :10.1039/JR9480000008
21. Майзенхаймер Дж. и Линк Дж. (1930), Über die Verschiebung in der Allyl-Gruppe. 3. Mitteilung über Замена и добавление . Юстус Либигс Аннален дер Хими, 479: 211–277. дои : 10.1002/jlac.19304790114