Domanda:
Prodotti termodinamici e cinetici: stabilità del carbocatione
Dissenter
2016-01-22 09:54:17 UTC
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Il professore vuole sapere qual è il prodotto termodinamico e quale è il prodotto cinetico.

Dice che ci sono solo due prodotti: i due a destra che risultano dal complesso stabilizzato dalla risonanza. Vedo un terzo prodotto: il prodotto all'estrema sinistra con il punto interrogativo sopra una freccia.

L'argomento per il prodotto di estrema destra è il prodotto cinetico è che è un carbocatione terziario e quindi la barriera energetica alla formazione è probabilmente inferiore alla barriera energetica alla formazione del Carbocation secondario .

Va ​​bene, certo. Tuttavia, si potrebbe anche sostenere che il prodotto di estrema sinistra è il prodotto cinetico? Dopotutto è il risultato di un carbocatione terziario. Ed è il risultato di un carbocatione terziario "puro" - non un carbocatione terziario "diluito" dalla risonanza; il prodotto di estrema destra risulta da un complesso stabilizzato dalla risonanza che ha carattere di carbocatione sia secondario che terziario. Questo era qualcosa a cui ho pensato all'inizio. Ma poi mi sono reso conto che probabilmente stavo prendendo i contributori di risonanza troppo alla lettera e che il complesso stabilizzato dalla risonanza sarebbe probabilmente più favorito intermedio perché la carica positiva è "delocalizzata" .

Allora, qual è la tua opinione?

La tua ultima riga è praticamente quella. Il modo più semplice per vederlo è che * la delocalizzazione porta sempre alla stabilizzazione * e quindi, un carbocatione allilico terziario è più stabile di un carbocatione non allilico terziario. Se la delocalizzazione fosse instabile, la molecola non lo farebbe. È un po 'controintuitivo che la risonanza si mischi in qualche carattere di uno stato di energia superiore e porti alla stabilizzazione, ma è quello che è.
@orthrocresol puoi espandere il tuo commento? Sono sicuro che sarebbe un'ottima risposta!
Http://chemistry.stackexchange.com/questions/59964 correlato
Due risposte:
Jan
2016-01-25 07:51:01 UTC
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Il prodotto all'estrema sinistra non può formarsi in quantità ragionevoli. Considera l'HOMO di s-cis -butadiene (che è un sistema modello abbastanza vicino al tuo dimetilcicloesadiene): quei contributi che si estendono nello spazio più lontano sono quelli sui carboni terminali.

MOs of butadiene
(Credito immagine: ChemTube3D.com di Nick Greeves. Ignora la metà destra dell'immagine, non è rilevante per questa parte della domanda. )

Pertanto, è molto probabile che un elettrofilo attacchi uno di questi due atomi di carbonio. Inoltre, l'attacco all'estremità terminale darà un catione allilico mentre l'attacco al carbonio medio risulterà in un catione non stabilizzato (sebbene terziario) - un catione allilico è molto più stabilizzato e quindi è improbabile che l'altro catione si formi, anche se non consideriamo i minori contributi dei carboni centrali all'HOMO.

Il passo successivo è identificare un prodotto termodinamico. Questo è chiaramente quello con il doppio legame sostituito più alto; il tuo prodotto intermedio. Per fortuna, si discute poco su cosa sia un prodotto termodinamico.

Determinare un prodotto cinetico non è affatto facile. Ci sono numerosi fattori da considerare:

  • facilità di attacco
  • stabilità dell'intermedio
  • sovrapposizione orbitale favorevole (questo è probabilmente il più importante)

Il problema dei nostri orbitali qui è che abbiamo solo un catione allilico in cui entrambe le estremità del sistema allilico condividono approssimativamente $ + \ frac {1} {2} $ carica ed essendo molto simili. Pertanto, non sappiamo veramente se sia più importante il contributo leggermente maggiore del carbonio terziario al LUMO del sistema allilico o se sia il carbonio secondario più accessibile (per un atomo di grandi dimensioni come il bromuro) con meno impedimento sterico . Io, da parte mia, non mi permetterei di giudicare questi due effetti e mi baserei su prove sperimentali per l'uno o l'altro. Tuttavia, sono propenso a credere che il prodotto cinetico sia quello con meno stress sterico (che l'argomento sterico supera l'argomento LUMO) e che quindi i prodotti cinetici e termodinamici siano identici.

Per l'immagine che hai linkato è assolutamente necessario sapere che nella colonna di destra lo ione metallico non è sullo stesso piano del butadiene; è $ \ nu ^ 4 $ coordinato. So che non si tratta del punto che stai facendo, ma mi ha fatto riflettere e potrebbe anche far riflettere altri.
Non intendevi $ \ unicode [Times] {x3b7} ^ 4 $ coordinato?
Sì, l'ho fatto ... lo stavo digitando sul telefono e alcune cose scivolano via;)
ron
2016-01-25 23:37:55 UTC
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Prima di tutto, discutiamo cosa intendiamo per prodotti "cinetici" e "termodinamici". Il prodotto cinetico è il primo prodotto formato, quello che forma il più veloce, quello con la maggiore costante di velocità. La costante di velocità, k, può essere descritta usando l'equazione di Arrhenius $$ \ mathrm {k = Ae ^ {\ frac {-Ea} {RT}}} $$ dove A è il fattore pre-esponenziale, una misura della probabilità di una collisione riuscita. Ea è l'energia di attivazione, l'energia necessaria per superare la barriera di reazione, R è la costante dei gas e T è la temperatura in Kelvin.

Di solito, in una serie di composti correlati come abbiamo qui, il fattore A (che è un numero molto grande per cominciare, quindi dovrebbe cambiare di una grande quantità per alterare il corso di una reazione ) si presume rimanga relativamente invariato. Di conseguenza l'energia di attivazione è vista come il fattore di controllo in termini di quale via di reazione è favorita.

Il prodotto termodinamico è il prodotto con la più bassa energia di formazione, il prodotto più stabile .

In una reazione in cui si possono formare più prodotti, il prodotto termodinamico potrebbe essere lo stesso del prodotto cinetico, oppure potrebbe essere diverso.

Due esempi per chiarire ulteriormente i prodotti cinetici e termodinamici possono essere trovati in questa risposta precedente che descrive la reazione di Diels-Alder tra ciclopentadiene e anidride maleica. L'isomero endo viene formato per primo: è il prodotto cinetico, ma se la reazione viene eseguita in condizioni che consentono l'equilibrio, alla fine il prodotto eso più stabile sarà predominante. Un altro esempio può essere trovato nella solfonazione del naftalene dove inizialmente si forma l'acido naftalen-1-solfonico (il prodotto cinetico), ma al riscaldamento si equilibrerà e si riorganizzerà nell'isomero 2 più stabile. p>

Un punto chiave qui è che, affinché il prodotto cinetico si riorganizzi nel prodotto termodinamico, la reazione deve essere reversibile nelle condizioni di reazione.

Indietro alla tua domanda

si potrebbe anche sostenere che il prodotto di estrema sinistra è il prodotto cinetico?

Tecnicamente, secondo il tuo diagramma, il la risposta è "no". Non ci sono frecce di equilibrio nel diagramma di reazione, quindi se il prodotto all'estrema sinistra fosse il prodotto cinetico sarebbe osservato.

Ma forse hai inavvertitamente tralasciato le frecce di equilibrio, quale sarebbe la risposta se includessi loro? Tutti e 3 i possibili prodotti sono piuttosto analoghi, quindi per i principianti ci aspetteremmo fattori A simili nei 3 percorsi e guardare alle differenze nelle energie di attivazione per decidere quale è il percorso preferito (prodotto cinetico). Il tuo prodotto a sinistra richiede un carbocatione terziario come intermedio, gli altri due prodotti richiedono un carbocatione allilico stabilizzato per risonanza che è ulteriormente stabilizzato da un sostituente metilico. Quest'ultimo carbocatione ha un'energia inferiore (stabilizzazione della risonanza più stabilizzazione induttiva e iperconiugativa da parte del gruppo metilico) e quindi il prodotto cinetico ne deriverà.

Delle due strutture di risonanza allile che hai disegnato, quella a destra avrà un po 'più di importanza in termini di descrizione dell'effettivo carbocatione allilico dovuto alla stabilizzazione metilica sopra descritta. Quindi mi aspetto che il prodotto cinetico comporti un attacco al carbonio allilico metilato portando il tuo prodotto di estrema destra a essere il prodotto cinetico .

L'attacco all'altro terminale allilico produce un prodotto con un gruppo metile sul doppio legame. Sappiamo dal calore di formazione che l'alchilazione di un doppio legame stabilizza il sistema (perché gli elettroni si stanno spostando da un'energia più alta [$ \ ce {sp ^ 3} $] a una più bassa [$ \ ce {sp ^ 2} $]). Quindi, il tuo prodotto intermedio è un possibile prodotto termodinamico. La tua molecola all'estrema sinistra contiene anche un doppio legame trisostituito, potrebbe anche apparire come un prodotto termodinamico.

La presenza o meno dell'equilibrio tra i prodotti cinetici e termodinamici dipende dalle condizioni di reazione. Supponendo che l'equilibrio sia possibile, tempi di reazione brevi a basse temperature favoriranno la formazione del prodotto cinetico, mentre temperature più elevate e tempi di reazione più lunghi faciliteranno la trasformazione del prodotto cinetico nel prodotto termodinamico.

stai dicendo che i prodotti cinetici sono in equilibrio con qualcosa?
Quello che sto dicendo è ... se, in ** qualsiasi ** reazione, il prodotto cinetico viene trasformato nel prodotto termodinamico, allora il prodotto cinetico ** deve ** essere in equilibrio con l'intermedio che si divide in termodinamico e cinetico prodotti. Il percorso verso il prodotto termodinamico avrà un'energia di attivazione più elevata, ma per ogni miliardo o giù di lì di molecole di prodotto cinetico che ritornano a questo intermedio, alcune avranno energia sufficiente per seguire la coordinata di reazione che porta al prodotto termodinamico. Il prodotto termodinamico, essendo più basso di energia, ha meno probabilità di tornare
questo intermedio. Quindi, dato il tempo e l'energia, il prodotto termodinamico si accumulerà a scapito del prodotto cinetico.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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