Control termodinámico y cinético
Este es un ejemplo clásico del concepto de termodinámica frente a cinético control de una reacción. Echa un vistazo a este diagrama de perfil energético. 1 El eje horizontal es una coordenada de reacción y el eje vertical representa la energía libre de Gibbs.
![TD vs kinetic control - energy profile diagram]()
En este caso, el material de partida $\ce{A}$ pueden reaccionar para formar $\ce{B}$ o $\ce{C}$ . La formación del producto $\ce{C}$ tiene un menor energía de activación lo que significa que se formará más rápido:
$$E_{\mathrm{a},\ce{AB}} > E_{\mathrm{a},\ce{AC}} \qquad \Longrightarrow \qquad k_\ce{AB} < k_\ce{AC}$$
Si mantenemos la temperatura suficientemente bajo las moléculas de $\ce{C}$ - que inevitablemente se forman más rápido- probablemente no tendrán suficiente energía para superar la barrera de activación inversa. Las reacciones hacia delante $\ce{A->B}$ y $\ce{A->C}$ son, en tales condiciones, efectivamente irreversibles. Dado que la formación de $\ce{C}$ es más rápido, predominará, y el principal producto formado será $\ce{C}$ . Esto se conoce como control cinético ; $\ce{C}$ es el producto cinético .
Ahora, ¿qué pasa si lo calentamos? A temperaturas más altas, $\ce{C}$ seguirá siendo el producto que se forme más rápido . Sin embargo, también significa que todas las reacciones serán reversibles. Esto significa que las moléculas de $\ce{C}$ puede volver a $\ce{A}$ - y como el sistema ya no está limitado por la temperatura, intentará por todos los medios minimizar su energía libre de Gibbs, que es el criterio termodinámico del equilibrio químico. Esto significa que, como la molécula termodinámicamente más estable, $\ce{B}$ se formará predominantemente. 2 Se dice que la reacción está bajo control termodinámico y $\ce{B}$ es el producto termodinámico .
Una definición sencilla es que el producto cinético es el producto que se forma más rápido y el producto termodinámico es el producto más estable . Esto es precisamente lo que ocurre aquí. El producto cinético es el 3-bromobut-1-eno, y el producto termodinámico es el 1-bromobut-2-eno (concretamente, el trans isómero).
Descargo de responsabilidad
Tenga en cuenta que no todas las reacciones tienen un diagrama de perfil energético como éste, y que no todas las reacciones tienen productos termodinámicos y cinéticos diferentes. Si el estado de transición que conduce a la formación de $\ce{C}$ de mayor energía que la que conduce a $\ce{B}$ entonces $\ce{B}$ sería simultáneamente el producto termodinámico y el cinético. Hay muchas reacciones en las que el producto más estable ( termodinámica ) también se forma más rápidamente ( cinético ), así que no dé por sentado que todas las reacciones encajan en este molde.
El mecanismo de reacción
El primer paso es la protonación de uno de los $\ce{C=C}$ dobles enlaces. En el butadieno ( 1 ), ambos dobles enlaces son iguales, por lo que no importa cuál protonas. La protonación se produce regioselectivamente para dar el carbocatión más estable:
![Protonation step]()
El catión más estable no sólo es secundario, sino también alílico y, por tanto, se estabiliza por resonancia (o conjugación). Esto se representa en las formas de resonancia 2a y 2b arriba.
Este carbocatión alílico, más propiamente denominado híbrido de resonancia 2 tiene dos carbonos que tienen una carga positiva significativa, y el ion bromuro (aquí denotado como $\ce{X-}$ ) puede atacar a cualquiera de los dos carbonos. El ataque al carbono central, adyacente al sitio de protonación, conduce al producto cinético 4 atacando el carbono terminal, alejado del lugar de protonación, se obtiene el producto termodinámico 4 .
![Formation of products]()
Hay quien escribe que 3 resultados del ataque de $\ce{X-}$ en forma de resonancia 2a y 4 del ataque de $\ce{X-}$ en forma de resonancia 2b . ¡Esto no es correcto! Las formas de resonancia no existen por separado y no son especies distintas que se interconviertan rápidamente. Por tanto, no se puede hablar de una única forma de resonancia sufrir una reacción.
Una vez dicho esto, examinemos por qué 4 es el producto termodinámico, y por qué 3 es el producto cinético.
El producto termodinámico: trans -1-bromobut-2-eno
Quizás sea bastante sencillo ver por qué 4 es más estable que 3 . Tiene un doble enlace interno disustituido, y sabemos que, como regla general, la estabilidad termodinámica de un alqueno aumenta con el incremento de la sustitución. Así que, comparado con el alqueno terminal monosustituido 3 , 4 es más estable.
![enter image description here]()
Tanto el trans isómero 4 así como el cis isómero 5 pueden formarse por ataque del nucleófilo al carbono terminal, y ambos son alquenos disustituidos. Sin embargo, el trans isómero 4 es más estable que el cis isómero 5 porque hay menos repulsión estérica entre los dos sustituyentes del doble enlace. Como tal, 4 es el producto termodinámico.
El producto cinético: 3-bromobut-1-eno
Hay bastantes explicaciones en Internet, 3-6 y no todas son correctas.
El peor argumento posible, que afortunadamente aún no he visto, dice algo así como: forma de resonancia. 2a siendo un alílico secundario carbocatión, es más estable que la forma de resonancia 2b que es un alílico principal carbocación. Por lo tanto, la forma de resonancia 2a existe en mayor proporción, y el nucleófilo reacciona preferentemente con él, dando lugar a la formación de 3 .
Sin embargo, esto es manifiestamente incorrecto, como ya se ha dicho. Las formas de resonancia individuales no existen y, además, un argumento de este tipo sugiere que buscamos la forma más estable intermedio . De hecho, deberíamos buscar el más estable estado de transición . El carbocatión es un intermedio y no un estado de transición .
El argumento más común que he visto es en realidad: ya que la forma de resonancia 2a es más estable que 2b contribuye en mayor medida a la híbrido de resonancia 2 . Como tal, la carga positiva en el carbono interno es mayor que la carga positiva en el carbono terminal. El nucleófilo, al estar cargado negativamente, se siente más atraído por el carbono más cargado positivamente o más electrófilo, por lo que el ataque se produce más rápidamente (el estado de transición se estabiliza gracias a las mayores interacciones electrostáticas).
En realidad, es una explicación muy sensata; con sólo los datos que se han presentado hasta ahora, no podríamos refutarla, y de hecho fue la respuesta aceptada durante bastante tiempo.
El truco
En 1979, Nordlander et al. realizó una investigación similar sobre la adición de $\ce{DCl}$ a un sustrato diferente, 1,3-pentadieno. 7
Este experimento fue muy ingenioso, porque se diseñó para proceder a través de un intermediario casi simétrico:
![1,3-pentadiene protonation]()
Formas de resonancia 7a y 7b son alílicos y secundarios. Existe una diferencia muy pequeña en sus pesos, derivada de la diferente capacidad hiperconjugativa de $\ce{C-D}$ vs $\ce{C-H}$ bonos, 8 pero, en cualquier caso, no es muy grande. Por lo tanto, si adoptamos la explicación de la sección anterior, cabría esperar que no hubiera grandes cinético y los productos de adición 1,2 y 1,4 ( 8 y 9 ) se formarían teóricamente a partes aproximadamente iguales.
![Possible products]()
En cambio, se observó que el producto de 1,2-adición se veía favorecido sobre el producto de 1,4-adición. Por ejemplo, a $-78\ ^\circ\mathrm{C}$ en ausencia de disolvente, se produjo un $75:25$ relación de productos de 1,2- a 1,4-adición. Es evidente que existe un factor que favorece la adición 1,2 y que no depende de la electrofilia del carbono atacado.
Los autores atribuyeron este efecto a una par de iones mecanismo. Esto significa que, tras la protonación del doble enlace (deuteración en este caso), el contraión cloruro permanece en las proximidades del carbocatión generado. Inmediatamente después de la disociación de $\ce{DCl}$ el ion cloruro va a estar mucho más cerca de $\ce{C-2}$ que a $\ce{C-4}$ y, por tanto, atacar a $\ce{C-2}$ es mucho más rápido.
De hecho, la adición electrofílica normal de $\ce{HX}$ a alquenos conjugados en disolventes polares también puede proceder a través de mecanismos similares de pares de iones. 9,10 Esto se refleja en la mayor proporción de syn productos de adición a dichos sustratos. 11
Notas y referencias
1 Smith, M. B. Química Orgánica Avanzada de March 7ª ed., p 272
2 Esto no significa que todos de $\ce{A}$ se convertirá en $\ce{B}$ ; la reacción sigue siendo una equilibrio y los equilibrios siempre van hacia adelante y hacia atrás. En general, la energía libre de Gibbs mínima del sistema ( $G_\mathrm{syst}$ ) se producirá en una determinada proporción de $\ce{A}$ , $\ce{B}$ y $\ce{C}$ . Sin embargo, dado que $\ce{B}$ tiene la energía libre de Gibbs más baja, se formará en mayor proporción que $\ce{C}$ . Véase, por ejemplo, el colorido gráfico de esta respuesta mía .
3 Control termodinámico y cinético. http://www.masterorganicchemistry.com/2012/02/09/can-opener-economics/ (consultado el 8 de agosto de 2017).
4 Adición de Haluros de Hidrógeno a Dienos. http://www.chem.ucalgary.ca/courses/350/Carey5th/Ch10/ch10-4-1.html (consultado el 8 de agosto de 2017).
5 Electrophilic Attack on Conjugated Dienes-Kinetic and Thermodynamic Control. https://chem.libretexts.org/Core/Organic_Chemistry/Conjugation/Electrophilic_Attack_on_Conjugated_Dienes/Electrophilic_Attack_on_Conjugated_Dienes-Kinetic_and_Thermodynamic_Control (consultado el 8 de agosto de 2017).
6 1,4-Adición. http://www.ochempal.org/index.php/alphabetical/a-b/14-addition/ (consultado el 8 de agosto de 2017).
7 Nordlander, J. E.; Owour, P. O.; Haky, J. E. Regioquímica de la adición de ácido clorhídrico-d a trans-1,3-pentadieno. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101 (5), 1288-1289. DOI: 10.1021/ja00499a045 .
8 Debido a la mayor masa reducida y a la menor energía de punto cero, a $\ce{C-D}$ es más fuerte y, por lo tanto, está menos dispuesto a donar densidad electrónica a un enlace vacío adyacente. $\mathrm{p}$ orbital. Este es el origen de algunos efectos cinéticos isotópicos secundarios; en nuestro caso, significa que 7a es ligeramente menos estable que 7b .
9 Fahey, R. C.; McPherson, C. A. Mechanism of the hydrochlorination of tert-butylethylene and styrene in acetic acid. J. Am. Chem. Soc. 1969, 91 (14), 3865-3869. DOI: 10.1021/ja01042a030 .
10 Adición de $\ce{HX}$ a butadieno en fase gaseosa da aproximadamente un $1:1$ de 1,2- a 1,4-producto de adición, lo que sugiere que un mecanismo de par de iones (que favorecería el 1,2-producto de adición) no opera. Véase: Mascavage, L. M.; Chi, H.; La, S.; Dalton, D. R. Hidrocloración de alquenos catalizada por superficie. La reacción de los gases cloruro de hidrógeno y 1,3-butadieno. J. Org. Chem. , 1991, 56 (2), 595-601. DOI: 10.1021/jo00002a021 .
11 Para más detalles y referencias a la bibliografía primaria, véase Carey, F. A., Sundberg, R. J. Química Orgánica Avanzada - Parte A: Estructura y Mecanismos 5ª ed., pp 478-482.
