Thermodynamische versus kinetische Reaktionskontrolle

Energieprofildiagramm für die kinetische versus thermodynamische Produktreaktion.

Thermodynamische Reaktionskontrolle oder Kinetische Reaktionskontrolle in einer Chemikalie Die Reaktion kann die Zusammensetzung in einem Reaktionsproduktgemisch bestimmen, wenn konkurrierende Wege zu unterschiedlichen Produkten führen und die Reaktionsbedingungen die Selektivität oder Stereoselektivität beeinflussen. Die Unterscheidung ist relevant, wenn sich Produkt A schneller bildet als Produkt B da die Aktivierungsenergie für Produkt A niedriger ist als die für Produkt B . noch Produkt B ist stabiler. In einem solchen Fall ist A das kinetische Produkt und wird unter kinetischer Kontrolle bevorzugt, und B ist das thermodynamische Produkt und wird unter thermodynamischer Kontrolle bevorzugt. ^[1][2][3]

Die Reaktionsbedingungen, wie z wie Temperatur, Druck oder Lösungsmittel beeinflussen, welcher Reaktionsweg bevorzugt werden kann: entweder der kinetisch kontrollierte oder der thermodynamisch kontrollierte. Beachten Sie, dass dies nur dann der Fall ist, wenn sich die Aktivierungsenergie der beiden Pfade unterscheidet, wobei ein Pfad ein niedrigeres E _a (Aktivierungsenergie) aufweist als der andere.

Die Prävalenz der thermodynamischen oder kinetischen Kontrolle bestimmt die endgültige Zusammensetzung des Produkts, wenn diese konkurrierenden Reaktionspfade zu unterschiedlichen Produkten führen. Die oben genannten Reaktionsbedingungen beeinflussen die Selektivität der Reaktion - d. H. Welcher Weg gewählt wird.

Die asymmetrische Synthese ist ein Gebiet, in dem die Unterscheidung zwischen kinetischer und thermodynamischer Steuerung besonders wichtig ist. Da Enantiomerenpaare in jeder Hinsicht die gleiche freie Energie von Gibbs haben, führt die thermodynamische Steuerung notwendigerweise zu einer racemischen Mischung. Somit steht jede katalytische -Reaktion, die ein Produkt mit einem Enantiomerenüberschuss von nicht Null bereitstellt, unter einer zumindest partiellen kinetischen Kontrolle. (Bei vielen stöchiometrischen asymmetrischen Umwandlungen werden die Enantiomerenprodukte vor der Aufarbeitungsphase der Reaktion tatsächlich als Komplex mit der Chiralitätsquelle gebildet, was die Reaktion technisch zu einem diastereoselektiven macht. Obwohl solche Reaktionen noch immer kinetisch kontrolliert werden Thermodynamische Regelung ist im Prinzip zumindest möglich.)

In Diels-Alder-Reaktionen [ edit ]

Die Diels-Alder-Reaktion von Cyclopentadien mit Furan kann zwei isomere Produkte erzeugen. Bei Raumtemperatur ist die Kontrolle der kinetischen Reaktion vorherrschend und das weniger stabile Endoisomer 2 ist das Hauptreaktionsprodukt. Bei 81 ° C und nach langen Reaktionszeiten kann sich das chemische Gleichgewicht durchsetzen und das thermodynamisch stabilere Exo-Isomer 1 wird gebildet. ^[4] Das Produkt exo ist aufgrund dessen stabiler von einem geringeren Grad an sterischer Überlastung, während das Produkt endo durch Orbitalüberlappung im Übergangszustand begünstigt wird.

Ein hervorragendes und sehr seltenes Beispiel für die vollständige kinetische und thermodynamische Reaktionskontrolle im Prozess des Tandem-Inter- / Intramolekular-Diels-Alder Die Reaktion von Bis-Furyl-Dienen 3 mit Hexafluor-2-butin oder Dimethylacetylendicarboxylat (DMAD) wurde im Jahr 2018 entdeckt und beschrieben. ^[5][6] Bei niedrigen Temperaturen treten die Reaktionen chemoselektiv auf und führen ausschließlich zu Pincer-Addukten - [4+2] Cycloaddition ( 5 ). Die ausschließliche Bildung von Dominoaddukten ( 6 ) wird bei erhöhten Temperaturen beobachtet.

Theoretische DFT-Berechnungen der Reaktion zwischen Hexafluor-2-butin und Dienen 3a - c wurden durchgeführt. Die Reaktion, die mit der [4+2] -Cycloaddition von CF ₃ C≡CCF ₃ an einer der Furaneinheiten beginnt, erfolgt in konzertierter Weise über TS1 und repräsentiert den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt des gesamten Prozesses mit der Aktivierungsbarriere Δ G ^‡ ≈ 23,1–26,8 kcal / mol.

Gibbs-freies Energieprofil für die Reaktion zwischen bis -Dienen 3a-c und Hexafluoro-2-butin. Die relativen Energien sind in kcal / mol für X = CH ₂ (Klartext), S ( italic ) und NC (O) CF ₃ angegeben ] fett ).

Ferner konnte die Reaktion über zwei konkurrierende Kanäle ablaufen, bzw. . entweder zu den Zangenartikeln 5 über TS2k oder zur Bildung des Dominoprodukts 6 über TS2t . Die Berechnungen zeigten, dass der erste Kanal kinetisch günstiger ist (Δ G ^‡ ≈ 5,7–5,9 kcal / mol). Mittlerweile sind die Domino-Produkte 6 thermodynamisch stabiler als 5 (Δ G ^‡ ≈ 4,2-4,7 kcal / mol) und dies kann dazu führen Isomerisierung von 5 in 6 bei erhöhter Temperatur. In der Tat wurden die berechneten Aktivierungsbarrieren für die 5 → 6 Isomerisierung über die Retro-Diels-Alder-Reaktion von 5 gefolgt von der intramolecularen [4+2] -Cycloaddition in der Kettenzwischenstufe 4 um 6 zu ergeben, sind 34,0–34,4 kcal / mol.

In der Enolatchemie [ edit ]

Bei der Protonierung eines Enolations ist das kinetische Produkt das Enol und das thermodynamische Produkt ist ein Keton oder Aldehyd. Carbonylverbindungen und ihre Enole werden durch Protonentransfers, die durch Säuren oder Basen katalysiert werden, selbst in Spuren schnell ausgetauscht, in diesem Fall durch das Enolat oder die Protonenquelle.

Bei der Deprotonierung eines unsymmetrischen Ketons ist das kinetische Produkt das Enolat, das aus der Entfernung des am besten zugänglichen α-H resultiert, während das thermodynamische Produkt den stärker substituierten Enolatrest aufweist. ^{[7][8][9][10]} Verwendung von niedrigen Temperaturen und sterisch anspruchsvollen Basen erhöht die kinetische Selektivität. Hier ist der Unterschied in p K _b zwischen der Base und dem Enolat so groß, dass die Reaktion im Wesentlichen irreversibel ist, so dass die Äquilibrierung, die zum thermodynamischen Produkt führt, wahrscheinlich während der Zugabe zu einem Protonenaustausch führt zwischen dem kinetischen Enolat und dem noch nicht umgesetzten Keton. Eine inverse Zugabe (Zugabe von Keton zur Basis) mit schnellem Mischen würde dies minimieren. Die Position des Gleichgewichts hängt vom Gegenkation und vom Lösungsmittel ab.

Wenn eine viel schwächere Base verwendet wird, ist die Deprotonierung unvollständig und es besteht ein Gleichgewicht zwischen Reaktanten und Produkten. Es wird eine thermodynamische Kontrolle erhalten, die Reaktion bleibt jedoch unvollständig, wenn nicht das Produktenolat eingeschlossen wird, wie im nachstehenden Beispiel. Da H-Übertragungen sehr schnell sind und die Einfangreaktion langsamer ist, spiegelt das Verhältnis der eingefangenen Produkte weitgehend das Deprotonierungsgleichgewicht wider.

In elektrophilen Additionen [ edit ]

Die elektrophilen Additionsreaktion von Wasserstoffbromid zu 1,3- Butadien oberhalb von Raumtemperatur führt vorwiegend zum thermodynamisch stabileren 1,4-Addukt 1-Brom-2-buten, aber die Verringerung der Reaktionstemperatur auf unter Raumtemperatur begünstigt das kinetische 1,2-Addukt 3-Brom-1-buten. ^[11]

Der Grund für die unterschiedlichen Selektivitäten lautet wie folgt: Beide Produkte resultieren aus der Markovnikov-Protonierung an Position 1, was zu einem resonanzstabilisierten Allylkation führt. Das 1,4-Addukt platziert das größere Br-Atom an einer weniger überlasteten Stelle und umfasst einen stärker substituierten Alkenrest, während das 1,2-Addukt das Ergebnis des Angriffs des Nucleophils (Br ^- ) bei ist der Kohlenstoff des allylischen Kations trägt die größte positive Ladung (der höher substituierte Kohlenstoff ist der wahrscheinlichste Ort für die positive Ladung).

Eigenschaften [] ]

• Prinzipiell ist jede Reaktion im Kontinuum zwischen reiner kinetischer Kontrolle und reiner thermodynamischer Kontrolle. Diese Begriffe beziehen sich auf eine bestimmte Temperatur- und Zeitskala. Ein Prozess nähert sich der reinen kinetischen Kontrolle bei niedriger Temperatur und kurzer Reaktionszeit. Für eine ausreichend lange Zeitspanne nähert sich jede Reaktion zumindest grundsätzlich einer reinen thermodynamischen Kontrolle. Diese Zeitskala wird mit steigender Temperatur kürzer.
• Bei jeder Reaktion ist das erste Produkt dasjenige, das am leichtesten gebildet wird. Daher beginnt jede Reaktion a priori unter kinetischer Kontrolle. ^[12]
• . Eine notwendige Bedingung für die thermodynamische Kontrolle ist die Reversibilität oder ein Mechanismus, der das Gleichgewicht zwischen Produkten ermöglicht. Es wird angenommen, dass Reaktionen unter thermodynamischer Reaktionskontrolle stattfinden, wenn die Rückreaktion ausreichend schnell ist, so dass sich das Gleichgewicht innerhalb der zugewiesenen Reaktionszeit einstellt. Auf diese Weise wird immer das thermodynamisch stabilere Produkt bevorzugt.
• Unter kinetischer Reaktionskontrolle ist die Vorwärtsreaktion schneller als die Rückwärtsreaktion. Nach der Reaktionszeit t ist das Produktverhältnis das Verhältnis der Geschwindigkeitskonstanten k und somit eine Funktion der Differenz der Aktivierungsenergien E _a oder Δ G ^‡ :

${\displaystyle \mathrm{In}<!--\; \; -->(\frac{A{}_{}}{}B}$ (Gleichung 1)

Wenn das Gleichgewicht nicht verhindert wird, ist eine reine kinetische Kontrolle praktisch unmöglich. weil Äquilibrierung w Erst wenn die Reaktanten vollständig verbraucht sind, haben wir begonnen.

• Unter reiner thermodynamischer Reaktionskontrolle wird die Produktverteilung bei Erreichen des Gleichgewichts eine Funktion der Stabilitäten sein G °. Nach einer unendlichen Reaktionszeit wird das Verhältnis der Produktkonzentrationen der Gleichgewichtskonstante K _eq entsprechen und ist daher eine Funktion des Unterschieds der freien Energien von Gibbs

(Gleichung 2)

• Im Allgemeinen kurze Reaktionszeiten begünstigen die kinetische Kontrolle, wohingegen längere Reaktionszeiten die thermodynamische Reaktionskontrolle begünstigen. Niedrige Temperaturen erhöhen die Selektivität unter beiden Bedingungen, da T in beiden Fällen im Nenner steht. Die ideale Temperatur zur Optimierung der Ausbeute des am schnellsten sich bildenden Produkts ist die niedrigste Temperatur, die die Beendigung der Reaktion in angemessener Zeit sicherstellt. ^[13] Die ideale Temperatur für eine Reaktion unter thermodynamischer Kontrolle ist die niedrigste Temperatur, bei der das Gleichgewicht erreicht wird in einer angemessenen Zeit erreicht werden. ^[14] Falls erforderlich, kann die Selektivität erhöht werden, indem das Reaktionsgemisch dann langsam abgekühlt wird, um das Gleichgewicht weiter in Richtung des stabilsten Produkts zu verschieben. Wenn der Unterschied in der Produktstabilität sehr groß ist, kann das thermodynamisch kontrollierte Produkt auch unter relativ heftigen Reaktionsbedingungen dominieren.
• Wenn eine Reaktion bei einer bestimmten Temperatur thermodynamisch kontrolliert wird, wird sie auch bei einer höheren Temperatur thermodynamisch kontrolliert gleiche Reaktionszeit.
• Auf dieselbe Weise wird, wenn eine Reaktion bei einer gegebenen Temperatur kinetisch kontrolliert wird, sie auch bei jeder niedrigeren Temperatur für dieselbe Reaktionszeit kinetisch kontrolliert.
• Wenn man davon ausgeht, dass a Eine neue Reaktion wird a priori unter kinetischer Kontrolle sein, man kann das Vorhandensein eines Gleichgewichtsmechanismus (und damit die Möglichkeit einer thermodynamischen Kontrolle) feststellen, wenn die Produktverteilung:
  • Änderungen im Verlauf der Zeit,
  • zeigt, dass ein Produkt bei einer Temperatur dominiert, während ein anderes bei einer anderen Temperatur dominiert (Inversion der Dominanz) oder
  • sich mit der Temperatur ändert, aber nicht mit Gleichung 1 übereinstimmt, d. H Temperaturänderung (ohne Änderung der Reaktionszeit) bewirkt eine Änderung des Produktverhältnisses ${ displaystyle Delta E_ {a}}$