7154 Cinética de las reacciones en disolución

Transcripción

1 Determinación de las constantes de velocidad catalíticas k, la constante de velocidad de pseudo-primer orden, I, función de la concentración total de tampón, B t B, forma básica del tampón; BH +, ph constante, ph constante, [B]/[BH + ]=constante, B t = [B]+[BH + ] k= k [H + ]+k 2 + k 3 [OH - ]+ k b [B]+ k a [B] [45] k, catálisis específica ácida k 2, reacción no catalizada k 3, catálisis específica básica k b, catálisis general básica o nucleófila k a, catálisis general ácida k = k [H + ]+k 2 + k 3 [OH - ] [46] Sólo depende del ph

2 Determinación de las constantes de velocidad catalíticas F B, fracción molar de B F BH, fracción molar de BH + [47] k= k + (k b F B + k a F BH )B t fig22 (k- k )/ B t = (k b - k a )F B + k a [48] fig23,4 ph=,6 (k- k )/B t (M - s - ),3,2, k a,2,6, F B k. 3 (s - ) 9,76 9,4 B t 2 (M) Hidrólisis del anhídrido cinámico, 25C, I=, M en tampón carbonato

3 $ &DWiOLVLVKRPRJpQHDHQGLVROXFLyQ Ejemplo: Tiólisis de bencilpenicilina. 2-mercato acetato de metilo. 3ºC. I=,5 M HPLC. J. Chem. Soc. Perkin Trans 2, (2), Thiol-catalysed hydrolysis of benzylpenicillin fig24 v = d [ penicilina] dt = k obs [ penicilina] k = k + obs OH [ ] OH k [ RSH ] cat tot

4 $ &DWiOLVLVKRPRJpQHDHQGLVROXFLyQ Ejemplo: Tiólisis de bencilpenicilina. 3ºC. I=,5 M HPLC. Acido 3-mercaptopropiónico 2-mercaptoetanol α-monotioglicerol 2-mercatoacetato de metilo Solo cataliza el anión tiolato fig25

5 Efectos de ph (perfiles ph-velocidad) Representaciones gráficas: Constantes observadas vs ph (estimación de constantes de disociación) Logaritmo de constantes observadas vs ph Curvas sin puntos de inflexión Probablemente el sustrato no sufre ionización en el rango de ph estudiado, o si sufre las especies son igualmente reactivas. k = k [H + ] n +k 2 + k 3 [OH - ] m [49] a ph bajos, k k [H + ] n logk = logk - nph [5] a ph altos, k k 3 [OH - ] m logk = logk 3 + mph [5] Las curvas tendrán forma de U o V dependiendo del valor de k 2 en relación al de k y k 3

6 Efectos de ph (perfiles ph-velocidad) -log k Hidrólisis del acetato de p- nitrofenilo a 25 C en disolución acuosa con % de acetonitrilo I=, M fig26 k =5, M - s -, k 2 =5,5. -7 s - ; k 3 =2,6 M - s - ; m=; n= Curvas con puntos de inflexión Cambios en la naturaleza de la reacción causadas por el cambio de ph. (equilibrio ácido-base del reactivo) K SH a S - + H + pk a = ph ksh ks- k ksh k k log [52] S

7 Ejemplo: hidrólisis básica de 6-epiampicilina [ 6 epi] d v = = kobs 6 dt [ epi] [53] k int fig26 ampicilina [ ][ ] [ ] [ ] [ ][ ] + + ± H AH + k AH + k A k OH = k A H a OH fig27 6-epi [54] k int + + [ ] [ H ] K H + k + + K + [ H ] K + [ H ] + [ H ] K2 + k + a + + [ H ] K + [ H ] = k + + k H OH K 2 2 [ OH ] K 2 K [ H ] [55]

8 Ejemplo: hidrólisis básica de 6-epiampicilina J.Org. Chem. (998) 63, Chemical reactivity of penicillins and cephalosporins.intramolecular involvement of the acylamido side chain fig 28 k H 5 (M - s - ) k 7 (s - ) k a 6 (s - ) k OH (M - s - ) 6-ep i-am picilina 3,9 4,7 6,,25 am picilina 38,3 <2,

9 Ejemplo: hidrólisis básica de 6-epiampicilina. Cálculos AM fig

10 Ejemplo:hidrólisis básica de 6-epiampicilina fig35 H (kcal/mol) fig36 fig fig38 Cálculos AM sobre la aminólisis intramolecular fig 3

11 Relaciones estructura-reactividad (LFER) Catálisis general básica para la hidrólisis del dicloroacetato de etilo. Los puntos vacíos, de oxianiones, y los puntos rellenos de aminas caen en la misma recta, lo que indica que la catálisis depende de la fortaleza de la base y no de su naturaleza química. Ecuación de Brönsted-Pedersen: log k 2 = A + β pka log k 2 = A - α pka [56] fig 3 catálisis general básica catálisis general ácida Los valores de β y α varían entre y, según que no haya catálisis o que la transferencia del protón sea total. Lo habitual es entre,3 y,5

12 Relaciones estructura-reactividad (LFER) Consideraciones sobre el mejor catalizador general ácidobase. Velocidades de una reacción con catálisis básica general para una disolución M de base en agua /velocidad reacción no catalizada en agua β,3,5 '7 '85 pka = 5 2, ' pka = 7 8, ,4 4 4,9 3 7 Cuanto más ácido es un disolvente, mejor catalizador ácido general es. Cuanto más básico es un disolvente, mejor catalizador básico general es

13 Relaciones estructura-reactividad (LFER) Consideraciones sobre el mejor catalizador general ácidobase. Velocidades de una reacción con catálisis ácida general para una disolución M de ácido en agua a ph=7/velocidad reacción no catalizada en agua α,3 '5 '7 '85 pka = 5 3 4, pka = 7 8, ,4 4 4,9 5 7 pka = 9 2, , Velocidades de una reacción con catálisis ácida general para una disolución M de ácido en agua a ph=7/velocidad reacción no catalizada en agua α,3 '5 '7 '85 pka = 5 ' '4 5 7 pka = 7 4,8 24 '2 4 2' pka = 9 2,9 43,2 43'2 94 9'7 3

14 Resultados de figura 25. k S- en función del pka del tiol Acido 3- mercaptopropióni co 2-mercaptoetanol 3- mercaptopropiona to de metilo α-monotioglicerol 2- mercaptoacetato de metilo 2,2,2- trifluoroetanotiol. fig 32 Relación de Bronsted para catálisis nucleófila k 2 = log k + βpka el signo y la magnitud de β es indicativo del signo y de la magnitud de la carga desarrollada en el estado de transición.

15 Relaciones estructura-reactividad (LFER) Ecuación empírica: log k B = m log K A + b [57] Teoría TET: Termodinámica: G m G µ GB log kb = + log 2,3RT log K b' B µ = A + [59] A GA 2,3RT kt h = [59] Si [57] se expresa en relación a un miembro de la serie, tomado como referencia A A [58] log k B K = mlog k K [6] b G µ δ R B = mδ R G Utilizando operadores de Leffler: [6] A [2]

16 Y Relaciones estructura-reactividad (LFER) Qué equilibrio se puede tomar en la serie A? Equilibrio de ionización de derivados del ácido benzoico COOH COO - Ka Y + H + log K K Ecuación de Hammett a = Ka A log A K = σ [62] Constante del sustituyente log k k = ρσ [63] ρ Constante de la reacción ρ>, reacciones nucleófilas ρ<, reacciones electrófilas