Language
Country/Area
No result found
I due lati delle reazioni chimiche: cosa sono il controllo cinetico e il controllo termodinamico?
Il controllo cinetico e il controllo termodinamico nelle reazioni chimiche influiscono direttamente sulla composizione dei prodotti di reazione, soprattutto quando percorsi di reazione concorrenti portano a prodotti diversi. Questa distinzione è particolarmente importante nelle situazioni in cui il prodotto A si forma rapidamente, ma il prodotto B è più stabile. Qui, il prodotto A è chiamato prodotto cinetico, che è più vantaggioso sotto controllo cinetico, mentre il prodotto B è un prodotto termodinamico, che è più vantaggioso sotto controllo termodinamico. Le condizioni di reazione, tra cui temperatura, pressione o solvente, possono modificare il percorso di reazione preferito: controllo cinetico o termodinamico.
Il processo di reazione che si colloca tra il controllo cinetico e il controllo termodinamico consente agli scienziati di progettare e regolare le condizioni di reazione per ottenere i prodotti desiderati.
Cinetica e termodinamica durante la reazione
Il ruolo della cinetica e della termodinamica diventa particolarmente importante quando le energie di attivazione dei due percorsi concorrenti differiscono. Una bassa energia di attivazione consente la formazione rapida del prodotto A, ma se il prodotto B è più stabile, è più probabile che formi il prodotto B dopo una reazione più lunga. Tali reazioni esistono ampiamente in biochimica e chimica sintetica, come la sintesi asimmetrica, che viene effettuata in questo contesto.
Esempio: reazione Diels-Alder
Nella reazione Diels-Alder, due prodotti isomerici possono essere generati quando il ciclopentadiene interagisce con il furano. A temperatura ambiente prevale il controllo cinetico e l’isomero finale meno stabile è il prodotto principale. Tuttavia, a temperature più elevate e con tempi di reazione più lunghi, si stabilisce l’equilibrio chimico e si forma l’eso-isomero più stabile. La diversa selettività di questo processo è un effetto diretto delle condizioni di reazione.
I cambiamenti nelle condizioni di reazione non influenzano solo la selettività della reazione, ma hanno anche un profondo impatto sulla composizione del prodotto finale.
Importanza nella sintesi selettiva
In alcune reazioni catalitiche specifiche, può essere prodotto un eccesso enantiomerico positivo, indicando che la reazione ha almeno un controllo cinetico parziale. Poiché gli enantiomeri hanno la stessa energia libera di Gibbs di formazione, verrà prodotta una miscela neutralizzante sotto controllo termodinamico. Ciò consente ai ricercatori di regolare le condizioni durante il processo catalitico per ottenere il prodotto enantiomerico desiderato.
Cenni storici
Nel 1944, R.B. Woodward e Harold Baer segnalarono per la prima volta la relazione tra cinetica e controllo termodinamico e rivalutarono la reazione Diels-Alder dei prodotti indiretti. Hanno notato che, sebbene l'isomero endo si formasse più velocemente, tempi di reazione più lunghi e temperature più elevate determinavano un rapporto eso/interno più elevato.
Gli scienziati continuano a studiare la natura di questo controllo cinetico e termodinamico ed esplorano a fondo il suo potenziale applicativo in diverse reazioni.
Ruolo nella selettività della reazione
Nelle reazioni di addizione elettronucleofila, come la reazione tra acido bromidrico e 1,3-butadiene, la temperatura ha un impatto significativo sulla selettività del prodotto. Al di sopra della temperatura ambiente domina il prodotto 1,4 termodinamicamente più stabile, tuttavia, quando la temperatura di reazione viene abbassata al di sotto della temperatura ambiente, il controllo cinetico porta alla formazione del prodotto 1,2; Ciò enfatizza la stretta correlazione tra le condizioni di reazione e la distribuzione del prodotto.
Conclusione
Nello studio delle reazioni chimiche, il controllo cinetico e termodinamico fornisce un quadro di riferimento. Regolando le condizioni di reazione, gli scienziati possono ottenere diverse combinazioni di prodotti. Questa comprensione dei percorsi di reazione non solo ci aiuta a comprendere i principi di base delle reazioni chimiche, ma espande anche il potenziale di applicazione nella scienza dei materiali, nella biochimica e nello sviluppo di farmaci. Sulla base di queste conoscenze, in che modo la ricerca futura potrebbe cambiare la nostra comprensione delle reazioni chimiche?
