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Las dos caras de las reacciones químicas: ¿qué son el control cinético y el control termodinámico?
El control cinético y el control termodinámico en reacciones químicas afectan directamente la composición de los productos de reacción, especialmente cuando rutas de reacción en competencia conducen a productos diferentes. Esta distinción es particularmente importante en situaciones donde el producto A se forma rápidamente, pero el producto B es más estable. Aquí, el producto A se denomina producto cinético, que es más ventajoso bajo control cinético, mientras que el producto B es un producto termodinámico, que es más ventajoso bajo control termodinámico. Las condiciones de reacción, incluida la temperatura, la presión o el disolvente, pueden cambiar la ruta de reacción preferida: control cinético o termodinámico.
El proceso de reacción que camina entre el control cinético y el control termodinámico permite a los científicos diseñar y ajustar las condiciones de reacción para obtener los productos deseados.
Cinética y termodinámica durante la reacción
El papel de la cinética y la termodinámica se vuelve particularmente importante cuando las energías de activación de las dos vías en competencia difieren. Una energía de activación baja permite que el producto A se forme rápidamente, pero si el producto B es más estable, es más probable que forme el producto B después de una reacción más larga. Este tipo de reacciones existen ampliamente en bioquímica y química sintética, como la síntesis asimétrica, que se lleva a cabo en este contexto.
Ejemplo: reacción de Diels-Alder
En la reacción de Diels-Alder, se pueden generar dos productos isoméricos cuando el ciclopentadieno interactúa con el furano. A temperatura ambiente, domina el control cinético y el endoisómero menos estable es el producto principal. Sin embargo, a temperaturas más altas, con tiempos de reacción más largos, se establece el equilibrio químico y se forma el exoisómero más estable. La diferente selectividad de este proceso es un efecto directo de las condiciones de reacción.
Los cambios en las condiciones de reacción no solo afectan la selectividad de la reacción, sino que también tienen un profundo impacto en la composición del producto final.
Importancia en la síntesis selectiva
En algunas reacciones catalíticas específicas, se puede producir un exceso enantiomérico positivo, lo que indica que la reacción tiene al menos un control cinético parcial. Dado que los enantiómeros tienen la misma energía libre de formación de Gibbs, se producirá una mezcla neutralizante bajo control termodinámico. Esto permite a los investigadores ajustar las condiciones durante el proceso catalítico para obtener el producto enantiomérico deseado.
Antecedentes históricos
En 1944, R.B. Woodward y Harold Baer informaron por primera vez de la relación entre la cinética y el control termodinámico, y volvieron a investigar la reacción de Diels-Alder de productos indirectos. Se dieron cuenta de que, aunque el endoisómero se formaba más rápido, tiempos de reacción más prolongados y temperaturas más altas daban como resultado una relación exo/interna más alta.
Los científicos continúan estudiando la naturaleza de este control cinético y termodinámico y exploran en profundidad su potencial de aplicación en diferentes reacciones.
Papel en la selectividad de la reacción
En las reacciones de adición electronucleofílica, como la reacción entre el ácido bromhídrico y el 1,3-butadieno, la temperatura tiene un impacto significativo en la selectividad del producto. Por encima de la temperatura ambiente, domina el producto 1,4 termodinámicamente más estable; sin embargo, cuando la temperatura de reacción desciende por debajo de la temperatura ambiente, el control cinético conduce a la formación del producto 1,2; Esto enfatiza la estrecha correlación entre las condiciones de reacción y la distribución del producto.
Conclusión
En el estudio de las reacciones químicas, el control cinético y termodinámico proporciona un marco para pensar. Al ajustar las condiciones de reacción, los científicos pueden obtener diferentes combinaciones de productos. Esta comprensión de las vías de reacción no sólo nos ayuda a comprender los principios básicos de las reacciones químicas, sino que también amplía el potencial de aplicación en la ciencia de materiales, la bioquímica y el desarrollo de fármacos. Con base en este conocimiento, ¿cómo podrían las investigaciones futuras cambiar nuestra comprensión de las reacciones químicas?
