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Os dois lados das reações químicas: o que é controle cinético e controle termodinâmico?
O controle cinético e o controle termodinâmico em reações químicas afetam diretamente a composição dos produtos de reação, especialmente quando caminhos de reação concorrentes levam a produtos diferentes. Esta distinção é particularmente importante em situações onde o produto A é formado rapidamente, mas o produto B é mais estável. Aqui, o produto A é chamado de produto cinético, que é mais vantajoso sob controle cinético, enquanto o produto B é um produto termodinâmico, que é mais vantajoso sob controle termodinâmico. As condições de reação, incluindo temperatura, pressão ou solvente, podem alterar o caminho de reação preferido: controle cinético ou termodinâmico.
O processo de reação que caminha entre o controle cinético e o controle termodinâmico permite aos cientistas projetar e ajustar as condições de reação para obter os produtos desejados.
Cinética e termodinâmica durante a reação
O papel da cinética e da termodinâmica torna-se particularmente importante quando as energias de ativação das duas vias concorrentes diferem. Uma baixa energia de ativação permite que o produto A seja formado rapidamente, mas se o produto B for mais estável, é mais provável que forme o produto B após uma reação mais longa. Tais reações existem amplamente na bioquímica e na química sintética, como a síntese assimétrica, que é realizada neste contexto.
Exemplo: reação de Diels-Alder
Na reação de Diels-Alder, dois produtos isoméricos podem ser gerados quando o ciclopentadieno interage com o furano. À temperatura ambiente, o controle cinético domina e o isômero final menos estável é o produto principal. Contudo, a temperaturas mais elevadas e com tempos de reacção mais longos, o equilíbrio químico é estabelecido e o exo-isómero mais estável é formado. A diferente seletividade deste processo é um efeito direto das condições de reação.
Mudanças nas condições de reação não afetam apenas a seletividade da reação, mas também têm um impacto profundo na composição do produto final.
Importância na síntese seletiva
Em algumas reações catalíticas específicas, pode ser produzido excesso enantiomérico positivo, indicando que a reação tem controle cinético pelo menos parcial. Como os enantiômeros possuem a mesma energia livre de formação de Gibbs, uma mistura neutralizante será produzida sob controle termodinâmico. Isto permite aos pesquisadores ajustar as condições durante o processo catalítico para obter o produto enantiomérico desejado.
Antecedentes históricos
Em 1944, R.B. Woodward e Harold Baer relataram pela primeira vez a relação entre cinética e controle termodinâmico e investigaram novamente a reação de Diels-Alder de produtos indiretos. Eles notaram que, embora o isômero endo se formasse mais rapidamente, tempos de reação mais longos e temperaturas mais altas resultaram em uma proporção exo/interna mais alta.
Os cientistas continuam a estudar a natureza deste controlo cinético e termodinâmico e a explorar profundamente o seu potencial de aplicação em diferentes reações.
Papel na seletividade da reação
Em reações de adição eletronucleofílica, como a reação entre ácido bromídrico e 1,3-butadieno, a temperatura tem um impacto significativo na seletividade do produto. Acima da temperatura ambiente, o produto 1,4 termodinamicamente mais estável domina, no entanto, quando a temperatura da reação é reduzida abaixo da temperatura ambiente, o controle cinético leva à formação do produto 1,2; Isto enfatiza a estreita correlação entre as condições de reação e a distribuição do produto.
Conclusão
No estudo de reações químicas, o controle cinético e termodinâmico fornece uma estrutura para o pensamento. Ao ajustar as condições de reação, os cientistas podem obter diferentes combinações de produtos. Essa visão dos caminhos das reações não apenas nos ajuda a compreender os princípios básicos das reações químicas, mas também expande o potencial de aplicação na ciência dos materiais, na bioquímica e no desenvolvimento de medicamentos. Com base neste conhecimento, como poderão as pesquisas futuras alterar a nossa compreensão das reações químicas?
