Кинетический анализ хода реакции - Reaction progress kinetic analysis

В химия, кинетический анализ хода реакции (РПКА) представляет собой подмножество широкого диапазона кинетический методы, используемые для определения тарифные законы химических реакций и помочь в выяснении механизмы реакции. Хотя концепции, лежащие в основе кинетического анализа хода реакции, не новы, процесс был формализован профессором Донна Блэкмонд (в настоящее время на Научно-исследовательский институт Скриппса ) в конце 1990-х годов и с тех пор получает все более широкое распространение. В отличие от более распространенных псевдопервый порядок Анализ, в котором используется подавляющий избыток одного или нескольких реагентов по отношению к интересующим видам, RPKA исследует реакции в синтетически релевантных условиях (т. е. с концентрациями и соотношениями реагентов, аналогичными тем, которые используются в реакции, без изучения закона скорости). , этот анализ включает систему, в которой концентрации несколько реагенты заметно изменяются в ходе реакции. Как механизм может варьироваться в зависимости от относительного и абсолютного концентрации Для вовлеченных видов этот подход дает результаты, которые гораздо более репрезентативны для поведения реакции в обычно используемых условиях, чем традиционные тактики. Кроме того, информация, полученная путем наблюдения за реакцией с течением времени, может дать представление о неожиданном поведении, таком как периоды индукции, дезактивация катализатора или изменения в механизме.[1][2]

Контроль за ходом реакции

Кинетический анализ хода реакции основан на способности точно отслеживать конверсию реакции с течением времени. Эта цель может быть достигнута с помощью ряда методов, наиболее распространенные из которых описаны ниже. Хотя эти методы иногда классифицируются как дифференциальные (мониторинг скорости реакции во времени) или интегральные (мониторинг количества субстрата и / или продукта во времени), простые математические манипуляции (дифференциация или же интеграция ) позволяет взаимное преобразование данных, полученных одним из двух. Независимо от применяемого метода, обычно полезно подтверждать достоверность интересующей системы путем мониторинга с помощью дополнительного независимого метода.[2]

Ход реакции ЯМР

ЯМР спектроскопия часто является методом выбора для наблюдения за ходом реакции, когда субстрат потребление и / или образование продукта можно наблюдать с течением времени по изменению интеграции пиков по сравнению с нереактивным стандартом. Из данных о концентрации скорость реакции во времени может быть получена путем измерения производная из полиномиальная подгонка экспериментальной кривой.[3] Ход реакции ЯМР можно классифицировать как интегральный метод, поскольку собранные первичные данные пропорциональны зависимости концентрации от времени.[2] Хотя этот метод чрезвычайно удобен для четко определенных систем с отличительными изолированными пиками продукта и / или реагентов, он имеет недостаток, заключающийся в том, что требуется гомогенная система, поддающаяся реакции в трубке для ЯМР. Хотя наблюдение ЯМР может позволить идентифицировать промежуточные продукты реакции, присутствие любого данного вида в ходе реакции не обязательно подразумевает его участие в продуктивном процессе.[1] Ход реакции ЯМР часто можно проводить при переменной температуре, позволяя регулировать скорость реакции до уровня, удобного для наблюдения. Примеры использования ЯМР хода реакции имеются в большом количестве, с яркими примерами, включая исследование Аминирование Бухвальда – Хартвига (Можно отметить, что вокруг лучшего подхода к механистическому развитию аминирования Бухвальда-Хартвига велись серьезные дискуссии, о чем свидетельствует ряд противоречивых и конкурирующих отчетов, опубликованных за короткий период времени. См. Указанную статью и ссылки в ней.)[4]

На месте FT-IR

На месте ИК-спектроскопия может использоваться для мониторинга протекания реакции при условии, что реагент или продукт демонстрируют особую абсорбцию в ИК спектральная область. Скорость потребления реагента и / или образования продукта может быть исключена из изменения абсорбции во времени (путем применения Закон пива ). Даже когда спектры реагента и продукта в некоторой степени перекрываются, современное программное обеспечение для КИП обычно способно точно деконволюционировать относительные вклады при условии резкого изменения абсолютного поглощения интересующего пика с течением времени. На месте IR можно классифицировать как интегральный метод, поскольку собранные первичные данные пропорциональны зависимости концентрации от времени.[2] Из этих данных можно получить исходный материал или концентрацию продукта с течением времени, просто взяв интеграл из полиномиальная подгонка экспериментальной кривой.[3] С увеличением доступности спектрометров с на месте Возможности мониторинга FT-IR в последние годы все чаще используются. Примеры примечания включают механистический анализ катализируемый амидо-тиомочевиной асимметричный Синтез Стрекера неестественного аминокислоты и из База Льюиса катализированный галолактонизация и циклоэтерификация.[5][6]

На месте УФ-видимый

Аналогично на месте ИК-эксперименты, описанные выше, на месте УФ-видимая спектроскопия поглощения может использоваться для мониторинга протекания реакции при условии, что реагент или продукт демонстрируют особую абсорбцию в УФ-область спектра. Скорость потребления реагента и / или образования продукта может быть исключена из изменения абсорбции во времени (путем применения Закон Пива ), что снова привело к классификации как целостной техники.[2] Из-за используемой спектральной области методы УФ-видимого излучения чаще используются для неорганических или металлоорганических систем, чем для чисто органических реакций, и примеры включают исследование самарий Реакция Барбье.[7]

Калориметрия реакции

Калориметрия может использоваться для наблюдения за ходом реакции, поскольку мгновенное поток горячего воздуха реакции, которая напрямую связана с энтальпия изменение реакции, отслеживается. Реакционная калориметрия может быть классифицирована как дифференциальный метод, поскольку собранные первичные данные пропорциональны скорости в зависимости от времени. Из этих данных можно получить исходный материал или концентрацию продукта с течением времени, просто взяв интеграл из полиномиальная подгонка экспериментальной кривой.[2][8][9]Хотя реакционная калориметрия используется реже, чем ряд других методов, она нашла применение в качестве эффективного инструмента для скрининга катализатора.[10] Реакционная калориметрия также применялась как эффективный метод механистического изучения отдельных реакций, включая вытянуть -катализированный α-аминирование из альдегиды[11] и палладий катализированный Аминирование Бухвальда-Хартвига реакция.[4][12]

Дальнейшие методы

Пока Газовая хроматография, ВЭЖХ, и Масс-спектрометрии все это отличные методы для различения смесей соединений (а иногда даже энантиомеры ), временное разрешение этих измерений менее точное, чем у описанных выше методов. Тем не менее, эти методы все еще находят применение, например, при расследовании Чертовски реакция где гетерогенный характер реакции не позволял использовать описанные выше методы.[13] и SOMO-активация органокатализаторами[14] Несмотря на свои недостатки, эти методы могут служить отличными методами калибровки.

Обработка и представление данных

а) Концентрации субстрата и / или продукта контролируются с течением времени такими методами, как на месте ИК, УФ-видимый или ЯМР, или может быть получен интегралом (с). б) Представление дробного преобразования субстрата обеспечивает нормализацию данных в (а). в) Скорость протекания реакции (образование продукта) отслеживают с течением времени с помощью таких методов, как калориметрия хода реакции, или ее можно получить, взяв первое производное от (а). г) Описание скорости реакции по отношению к потреблению исходного материала расширяет данные в более информативное распределение, чем наблюдаемое в (c). Обратите внимание, что ход реакции читается справа (максимальная концентрация субстрата) налево (без остатка субстрата) в (d).

Данные о ходе реакции проще всего представить в виде графика концентрации субстрата ([A]т) против времени (т) или дробное преобразование (F) против времени (т). Последнее требует незначительных алгебраических манипуляций для преобразования значений концентрации / поглощения в дробные. преобразование (F), к:

F = [A]0 - [A]т/[A]0

где]0 представляет собой количество, абсорбцию или концентрацию изначально присутствующего субстрата и [A]т количество, абсорбция или концентрация этого реагента во время, т. Нормализация данных к дробному преобразованию может быть особенно полезной, поскольку она позволяет сравнивать несколько реакций с разными абсолютными количествами или концентрациями на одном графике.

Данные также могут быть представлены в виде графика скорости реакции (v) против времени (т). Опять же, требуются простые алгебраические манипуляции; например, калориметрические эксперименты дают:

v = q/VΔЧАС

куда q это мгновенный теплопередача, ΔЧАС это известный изменение энтальпии реакции, и V это реакция объем.[2]

Данные экспериментов по кинетике протекания реакции также часто представлены через скорость (v) от концентрации субстрата ([S]). Это требует получения и объединения как [S] vs. т и v против. т графики, описанные выше (обратите внимание, что один может быть получен из другого путем простого дифференцирования или интегрирования). Комбинация приводит к стандартному набору кривых, на которых ход реакции читается справа налево вдоль Икс-ось и скорость реакции считываются снизу вверх по у-ось.[2] Хотя эти графики часто обеспечивают наглядную демонстрацию основных кинетических тенденций, дифференциальные методы, как правило, лучше подходят для получения числовых констант скорости. (Смотри ниже)

Каталитическая кинетика и состояние покоя катализатора

В каталитической кинетике два основных приближения полезны (в разных обстоятельствах) для описания поведения многих систем. Ситуации, в которых допустимы приближения предварительного равновесия и стационарного состояния, часто можно различить с помощью кинетического анализа хода реакции, и эти две ситуации тесно связаны с состоянием покоя катализатора.

Стационарное приближение

а) В простейшем случае стационарной кинетики один субстрат обратимо образует промежуточный комплекс (к которому стационарное приближение наносится) с катализатором с последующим необратимым образованием продукта. б) В более сложном примере два субстрата связывают катализатор с последовательным образованием двух промежуточных продуктов (и стационарное приближение применяется к обоим) с последующим необратимым образованием продукта. Обратите внимание: поскольку I2 кинетически невидим, это то же самое, что и в случае, когда I1 направляется непосредственно к свободному продукту и катализатору. Для обоих (а) и (б), я) описывает каталитический цикл с соответствующими константами скорости и концентрациями, II) отображает концентрацию продукта и реагента в ходе реакции, iii) описывает скорость реакции по мере расходования субстрата справа налево, а iv) показывает, что состояние покоя катализатора представляет собой полностью свободный катализатор, в то время как концентрации промежуточных соединений остаются небольшими и приблизительно неизменными, поскольку субстрат расходуется справа налево.

Под стационарные условия, катализатор и субстрат подвергаются обратимый ассоциации с последующим относительно быстрым потреблением катализатор – субстратный комплекс (как прямая реакция на продукт, так и обратная реакция на несвязанный катализатор.) стационарное приближение считает, что концентрация комплекса катализатор-субстрат не меняется со временем[15]; общая концентрация этого комплекса остается низкой, поскольку он уносится почти сразу после образования. Закон стационарной скорости содержит все константы скорости и вещества, необходимые для перехода от исходного материала к продукту, а знаменатель состоит из суммы членов, описывающих относительные скорости прямых и обратных реакций, потребляющих стационарное промежуточное соединение. В простейшем случае, когда один субстрат переходит в один продукт через одно промежуточное соединение:

d[П]/dt = k1k2[Кошка]общий/k−1 + k2

В несколько более сложной ситуации, когда два субстрата связываются последовательно с последующим высвобождением продукта:

d[П]/dt = k1k2k3[A] [B] [Кошка]общий/(k−1 + k2[B]) (k−2 + k3) [B]

Все более сложные системы можно просто описать с помощью алгоритма, описанного в этой ссылке.[16]

В случае стационарных условий, описанных выше, состояние покоя катализатора представляет собой несвязанную форму (поскольку промежуточное соединение, связанное с субстратом, по определению, присутствует только в минимальной концентрации).[17]

Предравновесное приближение

а) В простейшем случае предравновесной кинетики используется один субстрат быстро и обратимое образование промежуточного комплекса с катализатором с последующим необратимым образованием продукта. б) В более сложном примере два субстрата последовательно связывают катализатор. быстро и обратимо с последующим необратимым образованием продукта. Для обоих (а) и (б), я) описывает каталитический цикл с соответствующими константами скорости и концентрациями, II) отображает концентрацию продукта и реагента в ходе реакции, iii) описывает скорость реакции по мере расходования субстрата справа налево, а iv) показывает, что состояние покоя катализатора представляет собой равновесное распределение свободного катализатора и промежуточных продуктов, при котором распределение все больше смещается в сторону свободного катализатора по мере того, как субстрат расходуется справа налево.

В предварительных равновесных условиях катализатор и субстрат подвергаются быстрой и обратимой ассоциации перед относительно медленной стадией, ведущей к образованию и высвобождению продукта. В этих условиях система может быть описана законом скорости "один плюс", где числитель состоит из всех констант скорости и видов, необходимых для перехода от исходного материала к продукту, а знаменатель состоит из суммы членов, описывающих каждый из состояния, в которых существует катализатор (а 1 соответствует свободному катализатору).[18] В простейшем случае, когда один субстрат переходит в один продукт через одно промежуточное соединение:

d[П]/dt = K1k2[Кошка]/1 + K1[A]

В несколько более сложной ситуации, когда два субстрата связываются последовательно с последующим высвобождением продукта:

d[П]/dt = K1K2k2[A] [B] [Кошка]/1 + K1[A] + K1K2[A] [B]

В случае простых условий предварительного равновесия, описанных выше, состояние покоя катализатора является полностью или частично (в зависимости от величины константы равновесия) связанным с субстратом комплексом.

Кинетика насыщения

Основная статья: Кинетика Михаэлиса – Ментен

Условия насыщения можно рассматривать как частный случай предравновесных условий. При исследуемой концентрации субстрата образование комплекса катализатор-субстрат происходит быстро и по существу необратимо. Состояние покоя катализатора полностью состоит из связанного комплекса, и [A] больше не присутствует в законе скорости; изменение [A] не повлияет на скорость реакции, потому что катализатор уже полностью связан и реагирует так быстро, как k2 позволяет. Простейшим случаем кинетики насыщения является хорошо изученный Михаэлис-Ментен модель кинетики ферментов.

Изменения в состоянии покоя катализатора

а) Самый простой случай кинетики насыщения простирается от предравновесной ситуации, в которой быстрое комплексообразование субстрата с катализатором сопровождается медленным образованием продукта. б) Прямая часть графика зависимости концентрации субстрата от времени указывает на зависимость нулевого порядка от субстрата для большей части реакции, но кривая на низком уровне [A] указывает на изменение (в данном случае) на первый порядок зависимость от [A]. в) Насыщение катализатора очевидно при высоких концентрациях субстрата (где скорость не зависит от [A], но по мере того, как субстрат израсходован, скорость реакции падает с зависимостью первого порядка от [A], чтобы пройти через источник. г) Состояние покоя катализатора также изменяется, где он существует почти полностью в виде связанного с субстратом комплекса Cat – A при высоком [A], но все больше в виде свободного катализатора Cat, поскольку [A] уменьшается в ходе реакции.
Скорость образования продукта при цианосилилировании кетона, A, демонстрирует небольшую нелинейную зависимость от загрузки катализатора при высоких концентрациях катализатора. а) Это наблюдение, среди прочего, объясняется обратимым образованием неактивных каталитических комплексов. б) Подобное поведение в нескольких точках конверсии согласуется с одним доминирующим механизмом, действующим на протяжении всего хода реакции.[19]

Хотя реакция может демонстрировать один набор кинетического поведения на ранней стадии превращения, это поведение может измениться из-за:

  • изменения в состоянии покоя катализатора под влиянием изменения концентрации субстрата
  • множественные или меняющиеся механизмы под влиянием концентрации субстрата или продукта
  • активация катализатора (период инициирования)
  • ингибирование продукта
  • необратимая (или обратимая) смерть катализатора

В случае кинетики насыщения, описанной выше, при условии, что [A] не присутствует в большом избытке по сравнению с [B], условия насыщения будут применяться только в начале реакции. По мере того, как субстрат израсходован, концентрация уменьшается, и, в конце концов, [A] становится недостаточно, чтобы полностью подавить [Cat]. Это проявляется в постепенном изменении скорости от 0-го до более высокого (например, 1-го, 2-го и т. Д.) Порядка в [A]. Это также можно описать как изменение состояния покоя катализатора от связанной формы к несвязанной в ходе реакции.

В дополнение к простому замедлению реакции изменение состояния покоя катализатора в ходе реакции может привести к конкурирующим путям или процессам. Для доступа к продукту может присутствовать множество механизмов, и в этом случае порядок в катализаторе или субстрате может изменяться в зависимости от условий или точки реакции. Особенно полезный анализ изменений в механизме реакции включает изучение нормированной скорости реакции в зависимости от загрузки катализатора при нескольких фиксированных точках превращения. Обратите внимание, что нормализованная скорость реакции:

k = v/[A]т

регулирует расход субстрата в ходе реакции, поэтому будут наблюдаться только изменения скорости из-за загрузки катализатора. Линейная зависимость от загрузки катализатора для данной конверсии указывает на зависимость первого порядка от катализатора при этой конверсии, и можно аналогичным образом представить себе нелинейные графики, являющиеся результатом зависимости более высокого порядка. Изменения линейности или нелинейности от одного набора точек превращения к другому указывают на изменения в зависимости от катализатора в ходе реакции. И наоборот, изменения в линейности или нелинейности участков графика, сохраняющихся в течение нескольких точек превращения (т.е. 30, 50 и 70%), указывают на изменение зависимости от катализатора на основе абсолютной концентрации катализатора.

Взаимодействие катализатора с несколькими компонентами реакционной смеси может привести к сложной кинетической зависимости. Хотя внецикловые взаимодействия катализатор-субстрат или катализатор-продукт обычно считаются «ядовитыми» для системы (конечно, это имеет место в случае необратимого комплексообразования), существуют случаи, когда внецикловые частицы фактически защищают катализатор от постоянной дезактивации.[20][21]В любом случае часто важно понимать роль состояния покоя катализатора.[3][11]

Эксперименты с одинаковым избытком

Наиболее интересным параметром при кинетическом анализе протекания реакции является превышение (е) одного субстрата над другим, выраженное в единицах молярности. Начальные концентрации двух веществ в реакции могут быть определены следующим образом:

[B]0 = [A]0 + е

и, предполагая взаимно однозначную стехиометрию реакции, этот избыток одного субстрата над другим количественно сохраняется в течение всей реакции, так что:[3]

[B]т = [A]т + е

Подобный набор может быть построен для реакций со стехиометрией более высокого порядка, и в этом случае избыток предсказуемо изменяется в ходе реакции. Пока е может быть любым значением (положительным, отрицательным или нулевым), как правило, положительные или отрицательные значения, меньшие по величине, чем один эквивалент субстрата, используются в кинетическом анализе хода реакции. (Можно заметить, что кинетика псевдонулевого порядка использует избыточные значения, намного превышающие по величине, чем один эквивалент субстрата).

Определение параметра превышения (е) позволяет проводить эксперименты с одинаковым избытком, в которых два или более прогона кинетических экспериментов с разными начальными концентрациями, но одинаковый избыток позволяют искусственно вступить в реакцию в любой момент. Эти эксперименты имеют решающее значение для RPKA каталитических реакций, поскольку они позволяют исследовать ряд механистических возможностей, включая активацию катализатора (периоды индукции), дезактивацию катализатора и ингибирование продукта, которые более подробно описаны ниже.[2][3]

Определение частоты оборота катализатора

Перед дальнейшими механистическими исследованиями важно определить кинетическую зависимость интересующей реакции от катализатора. Частота оборота (TOF) катализатора может быть выражена как скорость реакции, нормированная на концентрацию катализатора:

TOF = v/[Кот]

Этот TOF определяется путем проведения двух или более экспериментов с одинаковым избытком, в которых изменяется абсолютная концентрация катализатора. Поскольку концентрация катализатора постоянна в ходе реакции, полученные графики нормируются на неизменное значение. Если полученные графики полностью совпадают, то реакция на самом деле является катализатором первого порядка. Если реакция не совпадает, значит, работают процессы более высокого порядка, которые требуют более подробного анализа, чем описано здесь.[3] Также стоит отметить, что описанная здесь манипуляция нормализацией и наложением - только один из подходов к интерпретации необработанных данных. Столь же достоверные результаты могут быть получены путем подгонки наблюдаемого кинетического поведения к моделированным законам скорости.

Изучение активации и деактивации катализатора

а) Согласно предложенному механизму аминирования арилгалогенидов, катализируемого палладием, период индукции будет присутствовать, поскольку активный катализатор генерируется из неактивного предкатализатора (где L = БИНАП ). б) Этот период индукции можно наблюдать на ранних точках превращения, до того, как катализируемая реакция достигнет максимальной скорости. В экспериментах с одинаковым избытком это будет проявляться в неперекрывающихся частях кривых, предназначенных для пересечения исходной реакции в промежуточных точках конверсии. Здесь же-избыток (е = 0,60 M) [ArX] относительно [HNR2] и [MOR] используется для каждой из кривых.

Как описано выше, эксперименты с одинаковым избытком проводят с двумя или более экспериментами, содержащими избыток, (е) постоянная при изменении абсолютных концентраций субстратов (в этом случае катализатор также рассматривается как субстрат). Обратите внимание, что такая конструкция приводит к тому, что количество эквивалентов и, следовательно, мольный процент каждого реагента / катализатора различны между реакциями.[3] Эти эксперименты позволяют искусственно «войти» в реакцию в любой момент, поскольку начальные концентрации одного эксперимента (реакция перехвата) выбираются таким образом, чтобы отображать их непосредственно на ожидаемые концентрации в некоторый промежуточный момент времени, т, в другом (исходная реакция). Можно было бы ожидать, что ход реакции, описываемый графиками зависимости скорости от концентрации субстрата, подробно описанными выше, будет отображаться непосредственно друг на друге, начиная с этой точки перехвата и далее. Это будет справедливо, однако, только в том случае, если скорость реакции не изменится из-за изменений концентрации активного субстрата / катализатора (например, активацией катализатора, дезактивацией катализатора или ингибированием продукта) до этого перехвата.[2][3]

Идеальное наложение нескольких экспериментов с одинаковым избытком, но разными начальными загрузками субстрата предполагает, что никаких изменений в концентрации активного субстрата / катализатора в ходе реакции не происходит. Отсутствие наложения графиков обычно указывает на активацию, дезактивацию катализатора или ингибирование продукта в условиях реакции. Эти случаи можно различить по положению кривых протекания реакции относительно друг друга. Прерывание реакций, лежащих ниже (более медленные скорости при той же концентрации субстрата) исходных реакций на графике зависимости скорости от концентрации субстрата, указывает на активацию катализатора в условиях реакции. Прерывание реакций, лежащих выше (более высокие скорости при той же концентрации субстрата) над исходными реакциями на графике зависимости скорости от концентрации субстрата, указывает на дезактивацию катализатора в условиях реакции; необходимы дальнейшие эксперименты, чтобы отличить ингибирование продукта от других форм гибели катализатора.[2]

Одно из ключевых различий между реакцией перехвата и исходной реакцией, описанной выше, заключается в наличии некоторого количества продукта в исходной реакции в точке перехвата. Давно известно, что ингибирование продукта влияет на эффективность катализатора многих систем, и в случае экспериментов с одинаковым избытком оно предотвращает наложение перехватывающих и исходных реакций. Хотя эксперименты с таким же избытком, как описано выше, не могут объяснить дезактивацию катализатора какой-либо конкретной причиной, ингибирование продукта может быть исследовано с помощью дальнейших экспериментов, в которых некоторое начальное количество продукта добавляется к реакции перехвата (разработано для имитации количества продукта, которое, как ожидается, должно присутствовать в исходной реакции при той же концентрации субстрата). Идеальное наложение графиков зависимости скорости от концентрации субстрата в условиях одинакового избытка и одинакового продукта указывает на то, что ингибирование продукта действительно происходит в используемых условиях реакции. В то время как невозможность наложения графиков зависимости скорости от концентрации субстрата в условиях одинакового избытка и одного и того же продукта не препятствует ингибированию продукта, это, по крайней мере, указывает на то, что другие пути дезактивации катализатора также должны быть активными.

Кинетический анализ хода реакции позволяет различить а) раскованный катализ б) необратимая смерть катализатора, и в) ингибирование продукта серией экспериментов с одинаковым избытком. Отсутствие наложения между скоростью и концентрацией субстрата для нескольких испытаний одной и той же реакции с одинаковым избытком, но разными начальными концентрациями указывает на ингибирование продукта или гибель катализатора. Их можно различить, где наложение экспериментов с одинаковым избытком и добавленным продуктом указывает на ингибирование продукта, а отсутствие наложения указывает на альтернативную форму гибели катализатора.

Эксперименты с одинаковым избытком, исследующие дезактивацию катализатора и ингибирование продукта, являются одними из наиболее широко используемых приложений кинетического анализа хода реакции. Среди многочисленных примеров в литературе некоторые включают исследование катализируемого аминоспиртом алкилирования цинка альдегидов,[22] в катализируемый амидо-тиомочевиной асимметричный Синтез Стрекера неестественного аминокислоты,[5] и SOMO-активация органокатализаторов.[14]

Определение стехиометрии реакции

Дифференциальные методы извлечения констант скорости

Благодаря огромному количеству данных, полученных в результате мониторинга прогресса реакции с течением времени в сочетании с мощью современных вычислительных методов, стало достаточно просто численно оценить закон скорости, сопоставив интегрированные законы скорости смоделированных путей реакций с соответствием развития реакции во времени. . Благодаря принципам распространения ошибки, константы скорости и законы скорости могут быть определены этими дифференциальными методами со значительно меньшей неопределенностью, чем построение графических уравнений скорости (см. Выше).[9]

Различно-избыточные эксперименты

В то время как RPKA позволяет наблюдать скорости в течение всей реакции, проведение только экспериментов с одинаковым избытком не дает достаточной информации для определения соответствующих констант скорости. Чтобы построить достаточно независимых отношений для решения всех неизвестных констант скорости, необходимо исследовать системы с разным избытком.

Рассмотрим простой пример, где катализатор связывается с субстратом A, после чего следует реакция с B с образованием продукта, P и свободного катализатора. Независимо от применяемого приближения, несколько независимых параметров (k1, k−1, и k2 в случае стационарного режима; k2 и K1 в случае предварительного равновесия) требуются для определения системы. Хотя можно представить себе построение нескольких уравнений для описания неизвестных при разных концентрациях, когда данные получены из экспериментов с одинаковым превышением [A] и [B] не являются независимыми. Множественные эксперименты с разными значениями е необходимы для создания нескольких независимых уравнений, определяющих несколько независимых констант скорости с точки зрения экспериментальных скоростей и концентраций. Затем можно использовать нелинейный анализ методом наименьших квадратов для получения значений наилучшего соответствия неизвестных констант скорости этим уравнениям.

Рассмотрим снова простой пример, описанный выше, где катализатор связывается с субстратом A, после чего следует реакция с B с образованием продукта P и свободного катализатора. Независимо от применяемого приближения, несколько независимых параметров (k2 и K1 в случае предварительного равновесия; k1, k−1, и k2 в случае стационарного режима) требуются для определения системы. Хотя можно представить себе построение нескольких уравнений для описания неизвестных при разных концентрациях, когда данные получены из эксперимента с одинаковым превышением [A] и [B] не являются независимыми:

е = [B] - [A]

Несколько экспериментов с разными значениями е необходимы для создания нескольких независимых уравнений, определяющих несколько независимых констант скорости с точки зрения экспериментальных скоростей и концентраций. Затем можно использовать нелинейный анализ методом наименьших квадратов для получения значений наилучшего соответствия неизвестных констант скорости этим уравнениям.

Графические законы скорости

Одна из возможных последовательностей для установления кинетического порядка с помощью кинетического анализа хода реакции. Адаптировано с модификацией процесса, предложенного Донной Блэкмонд

Кинетики исторически полагались на линеаризация данных по скорости для экстраполяции констант скорости, что, возможно, лучше всего демонстрируется широким использованием стандарта Лайнуивер – Берк линеаризация Михаэлис-Ментен уравнение.[23] Методы линеаризации имели особое значение до появления вычислительных методов, способных подбирать сложные кривые, и они остаются основным продуктом кинетики из-за их интуитивно простого представления.[2] Важно отметить, что методы линеаризации должны НЕТ могут использоваться для извлечения числовых констант скорости, поскольку они вносят большую степень ошибки по сравнению с альтернативными численными методами. Тем не менее, графические законы скорости поддерживают это интуитивное представление линеаризованных данных, так что визуальный осмотр графика может дать механистическое понимание реакции. В основе графического закона скорости лежит ставка (v) зависимости от концентрации субстрата ([S]), обсуждаемых выше. Например, в простом цикле, обсуждаемом для экспериментов с разным избытком, график зависимости v/[A] против [B] и его близнеца v/[B] vs. [A] может дать интуитивное представление о порядке каждого из реагентов. Если сюжеты v/[A] по сравнению с наложением [B] для нескольких экспериментов с разным превышением, данные согласуются с зависимостью первого порядка от [A]. То же самое можно сказать и о сюжете v/[B] vs. [A]; наложение согласуется с зависимостью первого порядка от [B]. Возможны неперекрывающиеся результаты этих графических законов скорости, которые указывают на зависимость более высокого порядка от исследуемых подложек. Блэкмонд предложила представить результаты экспериментов с разным избытком с помощью ряда графических уравнений скорости (которые она представляет в адаптированной здесь блок-схеме), но важно отметить, что предложенный ею метод является лишь одним из многих возможных методов отображения. кинетические отношения. Кроме того, хотя представление графических законов скорости иногда может рассматриваться как визуально упрощенный способ представления сложных кинетических данных, подгонка исходных кинетических данных для анализа с помощью дифференциальных или других строгих численных методов необходима для извлечения точных и количественных констант скорости и порядков реакции. .[2][3]

Стехиометрия и механизм реакции

Важно отметить, что даже несмотря на то, что кинетический анализ является мощным инструментом для определения стехиометрии предельного переходного состояния по отношению к основному состоянию, он не может ответить на все механистические вопросы. Два механизма могут быть кинетически неразличимы, особенно в каталитических условиях. Для любой тщательной механистической оценки необходимо провести кинетический анализ как каталитического процесса, так и его отдельных этапов (когда это возможно) в сочетании с другими формами анализа, такими как оценка линейные отношения свободной энергии, изотопный эффект исследования вычислительный анализ, или любое количество альтернативных подходов. Наконец, важно отметить, что никакая механистическая гипотеза никогда не может быть доказана; Альтернативная механистическая гипотеза может быть только опровергнута. Следовательно, важно проводить любое расследование, исходя из гипотез. Только путем экспериментального опровержения разумных альтернатив можно усилить поддержку данной гипотезы.[24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Хартвиг, Дж. Ф. (2010). Химия органопереходных металлов: от связывания к катализу. Милл-Вэлли, Калифорния: Научные книги университета. ISBN  978-1-891389-53-5.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Блэкмонд, Д. Г. (2005). "Кинетический анализ хода реакции: мощная методология механистических исследований сложных каталитических реакций". Энгью. Chem. Int. Эд. 44: 4302–4320. Дои:10.1002 / anie.200462544.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я Blackmond, D.G .; Ropic, M .; Стефинович, М. (2006). "Кинетические исследования асимметричного гидрирования переноса иминов муравьиной кислотой, катализируемого Rh-диаминовыми катализаторами". Орг. Процесс Res. Dev. 10: 457–463. Дои:10.1021 / op060033k.
  4. ^ а б Shekhar, S .; Ryberg, P .; Hartwig, J. F .; Мэтью, Дж. С .; Blackmond, D.G .; Strieter, E. R .; Бухвальд, С. Л. (2006). «Переоценка механизма аминирования арилгалогенидов, катализируемых BINAP-лигированными комплексами палладия». Варенье. Chem. Soc. 128: 3584–3591. Дои:10.1021 / ja045533c.
  5. ^ а б Зуэнд, С. Дж.; Якобсен, Э. Н. (2009). "Механизм энантиоселективного гидроцианирования имина, катализируемого амидо-тиомочевиной: стабилизация переходного состояния посредством множественных нековалентных взаимодействий". Варенье. Chem. Soc. 131: 15358–15374. Дои:10.1021 / ja9058958. ЧВК  2783581. PMID  19778044.
  6. ^ Дания, S.D.; Бурк, М. Т. (2010). «Основание Льюиса, катализ бром- и йодолактонизации и циклоэтерификации». Proc. Natl. Акад. Sci. 107: 20655–20660. Bibcode:2010PNAS..10720655D. Дои:10.1073 / pnas.1005296107. ЧВК  2996424. PMID  20705900.
  7. ^ Choquette, K. A .; Садасивам, Д. В .; Цветы, Р. А. (2011). «Каталитический Ni (II) в реакциях SmI.2: Химия на основе Sm (II) или Ni (0)? ". Варенье. Chem. Soc. 133: 10655–10661. Дои:10.1021 / ja204287n.
  8. ^ Мэтью, Дж. С .; Klussmann, M .; Iwamura, H .; Валера, Ф .; Футран, А; Emanuelsson, E. A. C .; Блэкмонд, Д. Г. (1999). «Исследования Pd-катализируемых реакций связывания ArX, полученные с помощью кинетического анализа хода реакции». J. Org. Chem. 71: 4711–4722. Дои:10.1021 / jo052409i.
  9. ^ а б Сталь, C .; Накви, К. Р. (1991). «Дифференциальный метод в химической кинетике». J. Phys. Chem. 95: 10703–10718. Дои:10.1021 / j100179a037.
  10. ^ Блэкмонд, Д.; Роснер, Т .; Пфальц, А. (1999). «Комплексный кинетический скрининг катализаторов с использованием реакционной калориметрии». Орг. Процесс Res. Dev. 3: 275–280. Дои:10.1021 / op990024u.
  11. ^ а б Hein, J. E .; Армстронг, А .; Блэкмонд, Д. Г. (2011). "Кинетическое профилирование пролинат-катализируемого α-аминирования альдегидов". Орг. Lett. 13: 4300–4303. Дои:10.1021 / ol201639z.
  12. ^ Singh, U.K .; Strieter, E. R .; Blackmond, D.G .; Бухвальд, С. Л. (2002). «Механистическое понимание Pd (BINAP) -катализируемого аминирования арилбромидов: кинетические исследования в синтетически релевантных условиях». Варенье. Chem. Soc. 124: 14104–14114. Дои:10.1021 / ja026885r.
  13. ^ Herrmann, W. A .; Brossmer, C .; Reisinger, C.P .; Riermeier, T. H .; Öfele, K .; Беллер, М. (1997). «Палладациклы: новые эффективные катализаторы для винилирования арилгалогенидов». Chem. Евро. Дж. 3: 1357–1364. Дои:10.1002 / chem.19970030823.
  14. ^ а б Devery, J. J .; Conrad, J.C .; MacMillan, D. W. C .; Цветы, Р. А. (2010). «Механическая сложность органо – СОМО активации». Энгью. Chem. Int. Эд. 49: 6106–6110. Дои:10.1002 / anie.201001673. ЧВК  3065936. PMID  20632343.
  15. ^ Шринивасан, Бхарат (27.09.2020). «Совет: обучение кинетике ферментов». Журнал FEBS. Дои:10.1111 / фев.15537. ISSN  1742-464X.
  16. ^ Гилберт, Х. Ф. (1977). ""Эмпирическое правило «для вывода уравнений скорости устойчивого состояния». J. Chem. Educ. 54: 492–493. Bibcode:1977JChEd..54..492G. Дои:10.1021 / ed054p492.
  17. ^ https://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Kinetics/Reaction_Mechanisms/Steady-State_Approximation
  18. ^ Helfferich, Ф. Г. (1989). «Системный подход к выяснению многоступенчатых реакционных сетей». J. Phys. Chem. 93: 6676–6681. Дои:10.1021 / j100355a022.
  19. ^ Zuend, S.J .; Якобсен, Э. Н. (2007). «Механистическая схема и кинетические данные адаптированы из независимого кинетического моделирования с использованием скоростей и констант равновесия, указанных для цианосилилирования кетонов, катализируемого амино-тиомочевиной». Варенье. Chem. Soc. 129: 15872. Дои:10.1021 / ja0735352.
  20. ^ Лист Б. (2002). «Асимметричные реакции, катализируемые пролином». Тетраэдр. 58: 5573–5590. Дои:10.1016 / S0040-4020 (02) 00516-1.
  21. ^ Seebach, D .; Бек, А. К .; Бадин, Д. М .; Limbach, M .; Eschenmoser, A .; Treasurywala, A. M .; Hobi, R .; Прикошович, В. (2007). «Действительно ли оксазолидиноны являются непродуктивными паразитическими видами в пролиновом катализе? - Мысли и эксперименты, указывающие на альтернативную точку зрения». Helv. Чим. Acta. 90: 425. Дои:10.1002 / hlca.200790050.
  22. ^ Роснер, Т .; Sears, P.J .; Nugent, W.A .; Блэкмонд. Д.Г. (2000). "Кинетические исследования ингибирования продукта в катализируемом аминокислотами асимметричном алкилировании бензальдегида диэтилцинком". Орг. Lett. 2: 2511–2513. Дои:10.1021 / ol006181r.
  23. ^ Лайнуивер, Х.; Берк, Д. (1934). «Определение констант диссоциации ферментов». Варенье. Chem. Soc. 56: 658–666. Дои:10.1021 / ja01318a036.
  24. ^ Платт, Дж. Р. (1964). «Сильный вывод». Наука. 146: 347–353. Bibcode:1964Научный ... 146..347П. Дои:10.1126 / science.146.3642.347. PMID  17739513.