CINÉTICA, TERMODINÁMICA, Y EL PROBLEMA DE LA

CINÉTICA, TERMODINÁMICA, Y EL PROBLEMA DE LA SELECTIVIDAD.
1.- Para entender el concepto de la selectividad se requiere saber Fisicoquímica.
Se requiere la incorporación de algunas ideas teóricas importantes provenientes de la Fisicoquímica,
los conceptos de Rapidez de Reacción y Equilibrio, que controlan los cocientes de los productos en
reacciones que compiten. Es decir, la selectividad se puede determinar ya sea por la competencia entre la
rapidez( si el sistema se encuentra bajo Control Cinético), o por la posición del equilibrio entre los
productos( si el sistema es controlado Termodinámicamente). La comunidad de los Químicos Orgánicos
solamente entendieron este problema hasta finales de la década de los 50´s.
2.- Desde la Afinidad hasta la Rapidez y la Energía Libre.
Durante la primera mitad del siglo XIX, los químicos usaron conceptos vagos y con mucha
controversia como la Afinidad para explicar la tendencia de las reacciones(1)(2).
(1) J.R. Partington, A History of Chemistry, vol 4, MacMillan, New York, 1964, p.569
(2) S. Weininger in Tools and Modes of Representation in the Laboratory Sciences. Boston Studies in The Philosophy of Science( Ed.:
U.Klein), Kluwer, Dordrecht, 2001, p. 237.
La formulación moderna de la Rapidez y el Equilibrio comienza a surgir, alrrededor de 1860 y
continua hasta el siglo XX. Estos avances fueron ampliamente revisados, publicados y utilizados por
algunos de los fundadores de la Fisicoquímica moderna, van´t Hoff(3)(4)(5), Arrhenius (6) y Ostwald(7).
(3) J.H. van´t Hoff, Studies in Chemical Kinetics, Williams and Norgate, London, 1896. Revisado y ampliado en la edición Francesa,
Etudes de Dynamique Chimique por E. Cohen( traducido por T.Ewan ).
(4) J.H. van´t Hoff, Lectures in Theoretical and Physical Chemistry. Part 1 Chemical Dynamics, Edward Arnold, London 1899. Curso
impartido por van´t Hoff en la Universidad de Berlin.
(5) J.H. van´t Hoff, Physical Chemistry in the Service of the Sciences, University of Chicago, Chicago 1903. Cátedras Magistrales
impartidas en la Universidad de Chicago, Junio 20-24, 1901, en la celebración de una década de su fundación. Traducida por A. Smith.
(6) S. Arrhenius, Theories of Chemistry, Being Lectures Delivered at the University of California, in Berkeley, Longmans, Green, London,
1907.
(7) W. Ostwald, Klassiker der exakten Wisenschaften, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig Leipzig, 1889. Una serie de
artículos que incluyen desarrollos importantes en Fisicoquímica.
Entre los desarrollos más significativos, fue la formulación diferencial de las ecuaciones de rapidez, y
las posteriores expresiones cuantitativas de las correlaciones entre la rapidez, la temperatura y la
energía de activación. Estas ecuaciones proponen el medio para comparar la rapidez de reacción bajo
una base común. En forma semejante la fuerza impulsora termodinámica de una reacción, es la razón
física por la que algunas reactivos se transforman a productos en forma casi completa, mientras que
otras alcanzan el equilibrio en un corto tiempo, siendo posible explicarlos mediante el concepto de
Energía Libre.
3.- ¿ Controla la Selectividad la Cinética o la Termodinámica?
Las leyes fundamentales de la Fisicoquímica nos permiten establecer algunas premisas que son de
particular importancia en el análisis de la selectividad:
COROLARIO 1
Si las reacciones que compiten son irreversibles, se formará un cociente de productos en forma
semejante al cociente entre sus constantes de rapidez, siempre y cuando el Corolario 2 se cumpla
cabalmente, y los productos no se consuman debido a la presencia de otras reacciones laterales.
COROLARIO 2
La rapidez relativa será independiente del tiempo si las reacciones que compiten son del mismo orden
cinético, idea propuesta en 1931 por Ingold(8) . Si la rapidez es de diferente orden, el cociente de los
productos cambiará con el tiempo, siempre y cuando el cociente de los términos de concentración en la
ecuación de rapidez no se cancelen.
(8) C.K. Ingold, A. Lapworth, E.Rothstein, D. Ward. J. Chem. Soc. 1931, 1959.
COROLARIO 3
Si las reacciones son reversibles, existe un canal a través del cual los productos pueden
interconvertirse por inversión a los materiales iniciales.
a) Si el proceso de interconversión es rápido comparado con la reacción inicial el cociente de los
productos será el mismo que el cociente al equilibrio.
b) Si la interconversión es moderadamente rápida, el cociente de los productos cambiará con el
tiempo.
COROLARIO 4
Si los productos pueden interconvertirse mediante otro proceso independiente, aun si la reacción que
los produce es irreversible.
a) Si el otro proceso es rápido comparado con la reacción inicial, el cociente de los productos será
igual que el cociente al equilibrio.
b) Si la interconversión es moderadamente rápida, el cociente de los productos cambiará con el
tiempo.
Los Corolarios (1) y (2) son la base de las reacciones controladas por la Cinética.
Los Corolarios (3) y (4) participan en las reacciones controladas Termodinámicamente(3a y 4a ), o las
reacciones influenciadas Termodinámicamente(3b y 4b ).
Los corolarios anteriores no fueron definidos en detalle en los primeros trabajos , pero estuvieron
implicados en la Teoría Básica. En años posteriores, los químicos invocaban uno u otro de los corolarios
para justificar sus procedimientos. Sin embargo, no es fácil hallar la formulación de un juego completo de
corolarios en libros o en artículos de revistas de aquel tiempo.
4.- UN PROCESO DE LENTO APRENDIZAJE.
La base para hacer una estimación( muy cruda), de cuan lento fue el proceso, se puede derivar del
Chemical Abstracts, que cubre el periodo de 1907 a la fecha.
Para el término “ Control Cinético”
entre 1907 – 1930
una referencia
Para el término “ Control Termodinámico “
“
“
ninguna referencia
Para el término “ Control Cinético”
Para el término “ Control Termodinámico”
entre 1930 – 1950
¨
¨
dos referencias
18 referencias
Para el término “ Control Cinético”
Para el término “ Control Termodinámico”
entre 1950 – 1970
“
“
65 referencias
124 referencias
Con la excepción de Walter Hückel y parcialmente, no hay autores de libros antes de 1940 que hallan
incorporado una discusión sistemática de los Corolarios. En textos pedagógicamente tan importantes
como la Physical Organic Chemistry de Hammett, y la Kinetics and Mechanism de Frost y Pearson, no
tratan reacciones competitivas como una categoría, aunque Hammett hace una breve mención de un grupo
de ellas en su discusión de las reacciones de Friedel-Crafts.
5.- SUSTITUCIONES AROMÁTICAS CINÉTICAMENTE CONTROLADAS.
Holleman de la Universidad de Amberes fue el único de los primeros Químicos Orgánicos en
incorporar las nuevas concepciones. Hizo importantes progresos en la determinación del cociente de los
productos en sustituciones aromáticas, muchas de ellas por medio de la construcción y empleo de los
Diagramas de Fases de Gibbs(8)(9). Su fuerza en Fisicoquímica, probablemente la obtuvo como asistente en
el laboratorio de van´t Hoff.(10), que le permitió adoptar como principio de trabajo de que el cociente de
los productos fuera medido por la rapidez relativa de las reacciones en competencia, idea importante en la
primera década del siglo XX.
(8) A.F.Holleman, Die Direkte Einführung von Substituenten in den Benzolkern, Veit, Leipzig, 1910
(9) A.F. Holleman, Chem Rev, 1924,1,187. Este documento fue una presentación que Holleman dedicó al Sterling Chemistry Laboratory of
Yale University.
(10) J.P. Wibaut, Chem. Weekbl, 1929,26,441
Comenzando alrededor de 1910, Holleman y sus colaboradores estudiaron la rapidez absoluta de reacción
de diferentes sustituciones para hacer generalizaciones cuantitativas, de que los grupos que dirigen a
posición-meta, desactivan el anillo( disminuyen la rapidez de la sustitución), mientras que los grupos que
dirigen a posición orto/para, activan al anillo( aumentan la rapidez de la sustitución). Posteriormente
Holleman y Caland(11), demostraron que la sulfonación del tolueno es controlada cinéticamente. Y esto fue
algo raro y sin precedente de la atención explícita de los investigadores al tema central de la Selectividad.
Sin embargo los experimentos de Holleman y Caland no implicaron los requerimientos para identificar el
orden de la cinética de las reacciones( Corolario 2 ). A un químico moderno debería interesarle la
sensibilidad del método analítico de Holleman para determinar el cociente de los poductos mediante los
diagramas de fases. Sin embargo el nivel de sofisticación del razonamiento en los estudios mecanísticos
incipientes eran impresionantes; pocos experimentos de calidad comparable fueron hechos en esa época.
A pesar de esto, los avances reportados por Holleman no tuvieron mucho impacto en los Químicos
Orgánicos en años posteriores.
(11) A.F. Holleman, P. Caland, Ber.Dtsch.Chem.Ges.,1911,44,2519. Con contribuciones de J.P.Wibaut y T.van der Linden.
6.- SUSTITUCIONES AROMÁTICAS CONTROLADAS TERMODINÁMICAMENTE.
No todas las sustituciones aromáticas son controladas cinéticamente, como se puede ver en la
bibliografía de las alquilaciones de Friedel-Crafts de compuestos aromáticos(12-14), que son ejemplos de
sistemas termodinámicamente controlados.
(12) G.A.Olah, Friedel-Crafts Chemistry, WILEY, New Cork, 1973, pp 70-72
(13) C.C. Price, Organic Reactions, Vol III, Wiley, New York, 1946, pp. 8-10
(14) R.M. Roberts, A.A.Khalaf, Friedel-Crafts Alkylation Chemistry: A Century of Discovery, Marcel Dekker, New York, 1984, pp. 674700.
La reacción de benceno con clorometano en presencia de tricloruro de aluminio es difícil de parar en la
etapa de monometilación a tolueno, porque el producto es rápidamente alquilado a dimetilbencenos(
xilenos), y productos de alta alquilación(15). Sin embargo el aspecto significativo, es que la distribución de
los tres xilenos producidos( orto, meta y para), cambian durante el periodo en que ellos se encuentran en
contacto con el cloruro de aluminio. Análogamente a la mutilación del tolueno, los tres productos
presentan una mayoría de orto y para-xilenos y pequeñas cantidades de meta-xileno, pero conforme
transcurre el tiempo, la cantidad de producto meta se incrementa a expensas del derivado-orto.
(15) D.A. McCaulay, A.P. Lien, J. Am. Chem. Soc. 1952,74,6246
Solo fue hasta 1939 en que los ácidos de Lewis facilitaron la interconversión de los isómeros de xileno,
que permitió un análisis más detallado de Norris y sus colaboradores, pero su trabajo tenia más una
motivación empírica y preparativa que mecanística(16,17).Los trabajos de Norris reportaron la influencia
del tiempo, la temperatura y otras variables en el cociente de los isómeros de xileno, pero no discutieron
los resultados en términos cinéticos o termodinámicos.
(16) J.F.Norris, D.Rubenstein, J.Am.Chem.Soc.,1939,61,1163
(17) J.F.Norris,G.T.Vaala, J. Am. Chem. Soc., 1939, 61, 2131
Más tarde (en 1946 ), en un artículo de revisión sobre las reacciones de Friedel-Crafts(13), Price no
presentó una discusión en términos de Principios Fisicoquímicos, y describe las variaciones en la
composición de los productos mediante la siguiente proposición: “en general, a más vigoroso las
condiciones con respecto a la actividad de los catalizadores o de los agentes alquilantes, o la
severidad de los factores de tiempo y temperatura, mayor es la tendencia en la formación de meta-
derivados, anormales”. La revisión de Price omite hacer cualquier mención de un estudio
fundamental hecho por Pitzer y Scott en 1943(18), que muestra definitivamente que algunas de las
muestras de Norris-Vaala(17), en composición se hallaban en las proximidades de la Mezcla en
Equilibrio, predicha directamente de las mediciones de las propiedades termodinámicas de los
componentes individuales.
(18) K.S.Pitzer, D.W.Scott, J.Am. Chem. Soc., 1943, 65, 813.
A pesar de las grandes lagunas existentes en la aplicación de los principios Fisicoquímicos de
Selectividad a las sustituciones aromáticas, no debe suponerse que la comunidad completa de
químicos falló en el reconocimiento de la importancia de estas ideas. Hay algunos ejemplos en donde
uno o mas de los conceptos fueron cabalmente entendidos. Entre ellos hay varios estudios de
transposición alílica(8)(19)(20-23).
(19) H.Burton, C.K.Ingold, J. Chem. Soc, 1928, 904
(20) R.P. Linstead, J. Chem. Soc., 1927, 129, 2579
(21) J.D. Roberts, S. Winstein, W. G. Young, J. Am. Chem. Soc., 1942, 64, 2157
(22) S. Winstein, W.G. Young, J. Am. Chem. Soc., 1936, 58, 104
(23) W.G. Young, S. Winstein, J. Am. Chem. Soc., 1935, 57, 2013
7.- CINÉTICA VERSUS TERMODINÁMICA EN OTROS SISTEMAS: EL ENIGMA DE LA
INVERSION DE WALDEN.
Los descubrimientos sorprendentes de Walden, revisados en 1911(24) de la inversión estereoquímica
de la configuración en diferentes reacciones de sustitución de compuestos alifáticos, ahora bien
entendidos gracias a los estudios de Phillips, Kenyon, Hughes e Ingold. En la revisión y el libro de
Walden(24)(25), considera algunas teorías propuestas por sus contemporáneos, ahora abandonadas. La
más interesante de estas fue propuesta por Noyes y Potter(26) en 1912 que fue tomada y redefinida a
partir de una hipótesis que Walden habia considerado y rechazado posteriormente. Noyes y Potter
establecieron: “ El punto de vista aparentemente racional, de que la inversión de Walden es
meramente un caso límite de un transposición ordinaria, en donde las fuerzas interatómicas son de
tal magnitud que el equilibrio en la formación de dos estructuras posibles se encuentra lejos de la
tendencia hacia la formación de una de ellas”.
Walden criticó esta aseveración con los siguientes argumentos: “ La conclusión de Noyes, solo es
otra formulación de los hechos que Walden primero definió y presentó como inexplicablemente
opuestos a la teoría. El problema permanece abierto para aquella clase de fuerzas que deben existir
para que este caso extremo de equilibrio, se pueda mantener, desafiando las consideraciones
Cinéticas y Termodinámicas, cuando por otro lado se debe gastar gran cantidad de energía para
salir de éste estado y alcanzar un estado de equilibrio real”.
(24) P.Walden, J. Chim. Phys. 1911, 9, 160
(25) P. Walden, Optische Umkehrerscheinungen ( Waldensche Umkehrung ), Vieweg & Sons, Braunschweig, 1919, pp.138-139
(26) W.A. Noyes, R.S. Potter, J. Am. Chem. Soc, 1912, 34, 1071
Aparentemente, la idea de que un desplazamiento “directo” de un grupo por otro debía ir acompañada
de una inversión limpia de la configuración, era tan extraña, que Walden no la conceptualizo y por lo
tanto se pensaba como si se ascendiera más allá de la posición de equilibrio, lo que es
Termodinámicamente imposible.
Walden termino su revisión(24) con una comparación de los puntos de vista de dos de los líderes de la
Fisicoquímica. Ostwald(27), mentor en el posdoctorado de Walden, sostuvo que:” este fenómeno me
parece que se opone a los principios fundamentales de la estereoquímica. No se puede invocar la
asistencia de una transposición, que en principio, siempre produce únicamente combinaciones
racémicas pero no el inverso óptico. Obviamente, no se puede pretender que el problema no permita
una solución, sino que cada adecuada solución altera o modifica las bases de la estereoquímica”.
(27) W. Ostwald, Leitlinien der Chemie, 1906, Akademische Verlagsgesellschaft, Leipzig, p. 152. Como fue citada por Walden.
En contraste, Arrhenius, no estaba listo para abandonar los fundamentos, como puso en su libro(6): Es
más probable, como consecuencia de una investigación más extensa, una nueva hipótesis que este de
acuerdo con los principios de la estereoquímica, explicará la inversión de Walden[...], permitiendo
la formación de productos intermedios, por lo que este singular resultado no permanecerá sin
poderse explicar.”
Un desafio directo a la posición pesimista de Walden de 1911 sobre el fenómeno de inversión
apareció más tarde el mismo año, cuando Le Bel escribió una nota corta(28) que le había enviado a
Walden, empezando por decir que el fenómeno de la inversión de Walden “[...] me sorprende que se
piense que es una novedad, no creo que esté en desacuerdo con los principios de la estereoquímica”.
(28) J.-A. Le Bel,. Chim. Phys., 1911, 9, 325
El imaginaba que en ciertos casos el reactivo atacante, X' debería aproximarse al carbón asimétrico al
cual están unidos los grupos X,Y,Z y U(A esquema 1):
X
X
Z
Y
Z
U
Y
U
X´
A
B
X´
ESQUEMA 1
desde la dirección opuesta a la posición ocupada por el grupo saliente X, en lugar del mismo lado. En
efecto, si X' empuja a Y al frente con suficiente fuerza, el resultado no es necesariamente la
racemización, sino que puede darse la restauración de la estructura tetraédrica, con Y ocupando el
lugar que originalmente ocupaba X, y con X' ocupando el lugar que originalmente ocupaba Y como
en B. Un argumento semejante apareció en un trabajo de Emil Fischer el mismo año(29). Le Bel y
Fischer consideraban como plausible, pero no como una posibilidad obligatoria, que el mecanismo
real debería implicar un “ producto de adición” como una etapa intermedia. Aunque ninguno de los
dos usaba el término específico, el contexto de sus observaciones apuntaba a un átomo de carbón
pentavalente como la llave estructural del intemediario.
Aquí es necesario distinguir entre los actores cinéticos y termodinámicos. Walden posiblemente fue
influenciado por su primer mentor Ostwald, quien estaba también confundido con el problema.
Ambos aparentemente fallaron al no reconocer que las reacciones de sustitución son cinéticamente
controladas. Si el cociente de los productos es determinado por el cociente de la rapidez, no se
alcanza el equilibrio. Este punto había sido adecuadamente tratado por Holleman para la sustitución
aromática, pero Walden no hizo la conexión conceptual de ese trabajo con el suyo.
(29) E. Fischer, Justus Liebigs Ann. Chem. 1911, 381, 126
8.- LA PEDAGOGÍA DE LA SELECTIVIDAD.
Comunicaciones formales de los principios generales de forma concisa eran muy raros hasta la
aparición de un documento sobre la reacción Diels-Alder por Woodward y Baer(30), que reportaron en
1944, que la adición de pentametilenfulveno(3) a anhídrido maléico(4) (esquema 2 ), producía los dos
aductos endo y exo(5 y 6 respectivamente).
O
O
O
3
4
O
O
O
O
O
5
O
endo
6
exo
ESQUEMA 2
El aducto endo(5) se produce en mayor cantidad a temperaturas bajas, pero la composición genera
incrementos del producto exo a temperaturas altas. Es más, en solución fría, el aducto endo, más no
el exo, disocia a los adendos—una reacción que es fácilmente visible debido al color amarillo del
fulveno.
Los investigadores propusieron que la rapidez de formación del aducto endo es mayor que la del
aducto exo a bajas temperaturas, pero el exo es más estable y por lo tanto se acumula al equilibrio.
Woodward y Baer resumieron estas proposiciones en el diagrama energético de la Figura 1
E*AB exo
E
E*AB endo
EAB
endo
EA+B
EAB
exo
X→
Diagrama de Energía versus coordenada de reacción para la reacción entre el
pentametilenfulveno(A) y anhídrido maleico(B), de la Ref.(30).
(30) R.B. Woodward, H. Baer, J.Am. Chem. Soc., 1944, 66, 645
FIGURA 1
El diagrama energético de la Figura 1 es una de los primeras representaciones gráficas que
expresan el problema de Cinéticamente controlada versus Termodinámicamente controlada en la
Selectividad Química.
Un gran número de químicos han manejado los conceptos básicos de la selectividad, pero es muy
curioso, que no es sino hasta la presentación del artículo de Ingold en 1948(31) que hizo su aparición.
El Abstracts de éste documento contiene la siguiente declaración:” se enfatiza la distinción entre
cinéticamente controlada y termodinámicamente controlada de las transposiciones ”.
(31) A.G. Catchpole, E.D. Hughes, C.K. Ingold, J. Chem. Soc., 1948, 8
Más tarde, Zimmerman utilize la misma clase de ilustración gráfica para representar las relaciones
energéticas que controlan la estereoquímica de la Cetonización de enoles, y otra vez, sin mencionar
los diagramas publicados previamente(32).
(32) H.E. Zimmerman, J. Org. Chem., 1955, 20, 549.
9.- ¿ PORQUÉ TAN LENTO ?.