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Les deux faces des réactions chimiques : que sont le contrôle cinétique et le contrôle thermodynamique ?
Le contrôle cinétique et le contrôle thermodynamique dans les réactions chimiques affectent directement la composition des produits de réaction, en particulier lorsque des chemins de réaction concurrents conduisent à des produits différents. Cette distinction est particulièrement importante dans les situations où le produit A se forme rapidement, mais le produit B est plus stable. Ici, le produit A est appelé produit cinétique, qui est plus avantageux sous contrôle cinétique, tandis que le produit B est un produit thermodynamique, qui est plus avantageux sous contrôle thermodynamique. Les conditions de réaction, notamment la température, la pression ou le solvant, peuvent modifier le chemin de réaction préféré : contrôle cinétique ou thermodynamique.
Le processus de réaction qui oscille entre le contrôle cinétique et le contrôle thermodynamique permet aux scientifiques de concevoir et d'ajuster les conditions de réaction pour obtenir les produits souhaités.
Cinétique et thermodynamique lors de la réaction
Le rôle de la cinétique et de la thermodynamique devient particulièrement important lorsque les énergies d'activation des deux voies concurrentes diffèrent. Une faible énergie d’activation permet au produit A de se former rapidement, mais si le produit B est plus stable, il est plus susceptible de former le produit B après une réaction plus longue. De telles réactions existent largement en biochimie et en chimie de synthèse, comme la synthèse asymétrique, réalisée dans ce contexte.
Exemple : réaction de Diels-Alder
Dans la réaction de Diels-Alder, deux produits isomères peuvent être générés lorsque le cyclopentadiène interagit avec le furane. À température ambiante, le contrôle cinétique domine et l'endoisomère le moins stable est le produit principal. Cependant, à des températures plus élevées, avec des temps de réaction plus longs, l’équilibre chimique s’établit et l’exo-isomère plus stable se forme. La sélectivité différente de ce procédé est un effet direct des conditions de réaction.
Les changements dans les conditions de réaction affectent non seulement la sélectivité de la réaction, mais ont également un impact profond sur la composition du produit final.
Importance dans la synthèse sélective
Dans certaines réactions catalytiques spécifiques, un excès énantiomérique positif peut être produit, indiquant que la réaction a un contrôle cinétique au moins partiel. Puisque les énantiomères ont la même énergie libre de formation de Gibbs, un mélange neutralisant sera produit sous contrôle thermodynamique. Cela permet aux chercheurs d'ajuster les conditions pendant le processus catalytique pour obtenir le produit énantiomère souhaité.
Contexte historique
En 1944, R.B. Woodward et Harold Baer ont signalé pour la première fois la relation entre la cinétique et le contrôle thermodynamique, et ont réétudié la réaction de Diels-Alder des produits indirects. Ils ont remarqué que même si l’isomère endo se formait plus rapidement, des temps de réaction plus longs et des températures plus élevées entraînaient un rapport exo/interne plus élevé.
Les scientifiques continuent d'étudier la nature de ce contrôle cinétique et thermodynamique et explorent en profondeur son potentiel d'application dans différentes réactions.
Rôle dans la sélectivité des réactions
Dans les réactions d'addition électronucléophiles, telles que la réaction entre l'acide bromhydrique et le 1,3-butadiène, la température a un impact significatif sur la sélectivité du produit. Au-dessus de la température ambiante, le produit 1,4, thermodynamiquement plus stable, domine ; cependant, lorsque la température de réaction est abaissée en dessous de la température ambiante, le contrôle cinétique conduit à la formation du produit 1,2. Cela souligne la corrélation étroite entre les conditions de réaction et la distribution du produit.
Conclusion
Dans l'étude des réactions chimiques, les contrôles cinétiques et thermodynamiques fournissent un cadre de réflexion. En ajustant les conditions de réaction, les scientifiques peuvent obtenir différentes combinaisons de produits. Cette connaissance des voies de réaction nous aide non seulement à comprendre les principes de base des réactions chimiques, mais élargit également le potentiel d'application dans la science des matériaux, la biochimie et le développement de médicaments. Sur la base de ces connaissances, comment les recherches futures pourraient-elles changer notre compréhension des réactions chimiques ?
