Fisicoquímica orgànica

La fisicoquímica orgànica o química física orgànica és l'estudi de les relacions entre l'estructura i la reactivitat de les molècules orgàniques. De forma més específica, la fisicoquímica orgànica aplica les ferramentes experimentals de la física química a l'estudi de les molècules orgàniques i proveïx un marc teòric que interpreta l'influència de les estructures tant en mecanismes de reacció com en les velocitats de reacció de reaccions orgàniques. Es pot considerar com un subcampo que conecta la química orgànica en la física química. El terme «fisicoquímica orgànica» va ser falcat per Louis Plack Hammet en 1940 en usar dita frase com a títul d'un llibre de text.

Els químics físics orgànics utilisen tècniques experimentals com l'espectroscòpia, espectrometria, cristalografia, química computacional i química quàntica per a estudiar tant les velocitats de les reaccions orgàniques com la relativa estabilitat química dels reactius inicials, els seus estats de transició i els productes finals. Els químics d'este camp treballen per a entendre les bases físiques de la Química orgànica moderna. Per lo tant, la Físicoquímica orgànica té aplicacions en àrees especialisades tals com la química d'polímero, la química supramolecular, etc. Ademés, molts Premis Nobel de química han segut per treballs realisats en la química física orgànica, caldre destacar els de l'any 2013: Martin Karplus (pels seus estudis teòric-pràctics sobre l'estructura de les proteïnes gràcies a l'aplicació de la seua equació de Karplus en RMN), Michael Levitt i Arieh Warshel pel desenroll de models a multiescala per a complexos sistemes químics.

Estructura química i termodinàmica

Termoquímica

Els químics orgànics utilisen les ferramentes de la termodinàmica per a estudiar els enllaços, l'estabilitat i l'energia dels sistemes químics. Açò inclou experiments per a medir i determinar l'entalpia ($\Delta H$), l'entropía ($\Delta S$) i l'energia lliure de Gibbs ($\Delta G$) d'una reacció, una transformació química o una isomerización. Els químics utilisen diversos anàlisis químics i matemàtics per a trobar estos valors.

Per a predir l'estabilitat de les molècules i el canvi en l'entalpia a través del curs d'una reacció, s'utilisen constants empíriques com l'energia de dissociació d'enllaç, l'entalpia de formació ($\Delta H_f^{\circ }$) i el calor de combustió ($\Delta H_c^{\circ }$). Per a molècules complexes, el valor de $\Delta H_f^{\circ }$ pugues no estar disponible. No obstant, pot estimar-se usant fragments moleculars en entalpies de formació conegudes. Este tipo d'anàlisis, conegut com BGIT (de l'anglés Benson group increment theory, «teoria de l'increment de grups de Benson») va ser desenrollat per Sidney Benson, qui va dedicar la seua carrera a desenrollar el concepte.

La termoquímica de reactius intermijos —carbocationes, carbaniones i radicals lliures— és també interessant per als químics orgànics. Per a sistemes químics que ampren radicals lliures hi ha disponibles senyes d'increment de grups. Es poden conseguir estabilitat de carbocationes i carbaniones usant afinitats iòniques d'hidrur i valors de pK_a, respectivament.

Anàlisis conformacional de la reacció d'eliminació d'un ciclohexano substituït. (A) Reacció E2 antiperiplanar per a formar un ciclohexeno substituït. Est és el major producte format i té el grup terc-butil i el grup R₃ afegitons en forma sense, un respecte a l'atre. (B) Reacció E2 sinperiplanar per a formar un cyclohexeno substituït. Est és el menor producte format i té el grup terc-butil i el grup R₃ afegitons en forma anti un sobre l'atre.

Anàlisis conformacional

Un dels principals métodos per a evaluar l'estabilitat química i l'energètica és l'anàlisis conformacional. Els fisicoquímicos orgànics utilisen l'anàlisis conformacional per a evaluar els diferents tipos de tensions presents en una molècula per a predir els productes de la reacció. Dites tensions poden trobar-se tant en molècules cíclicas com a acícliques, manifestant-se en varis sistemes com tensió torsional, tensió alílica, tensió anular i tensió sense-pentano. Els valors A proveïxen una base quantitativa per a predir la conformació d'un ciclohexano substituït, una classe important de composts orgànics cíclicos la reactivitat dels quals està guiada fortament per efectes conformacionales. El valor A és la diferència en l'energia lliure de Gibbs entre les formes axials i equatorials del ciclohexano substituït. En afegir els valors A de varis sustituyentes, es pot predir la conformació preferida per un derivat del ciclohexano.

Ademés de l'estabilitat molecular, l'anàlisis conformacional s'utilisa per a predir els productes de reaccions. Un eixemple comunament citat de l'us d'este anàlisis és la reacció d'eliminació bimolecular (E2). Esta reacció ocorre immediatament quan el nucleófilo ataca l'espècie que és antiperiplanar al grup eixint. L'anàlisis del orbital molecular A para este fenomen sugerix que esta conformació otorga el millor traslape entre els electrons en l'orbital d'enllaç R-H σ, que es troba baix un atac nucleofílico, i el antienlace buit σ* de l'enllaç R-X que està sent trencat. En este efecte, pot usar-se l'anàlisis conformacional per a dissenyar molècules que tinguen reactivitat millorada.

Els processos físics que originen les barreres de rotació d'enllaços són complexes, i estes barreres han segut estudiades extensivamente a través de métodos experimentals i teòrics. Alguns artículs recents han investigat el predomini de les contribucions estéricas, electrostàtiques i hiperconjugativas a les barreres rotacionales en l'etano, butà i atres molècules substituïdes.

Interaccions no covalente

Criptando en un catión, demostrant la Química amfitrió-hoste. Els criptandos són composts tricíclicos que encapsulan fortament a l'hoste per mig d'interaccions electrostàtiques (interacció ion-dipol).

Els químics utilisen l'estudi d'interaccions o enllaços no covalente intramoleculares i intermoleculars per a evaluar la reactivitat. Dites interaccions inclouen enllaços d'hidrogen, interaccions electrostàtiques entre molècules carregades, interacciones dipol-dipol, interaccions π, interaccions catión-π, apilamiento, química donant-acceptor i enllaços de halógeno. Ademés, l'efecte hidrofòbic —l'associació de composts orgànics en aigua— és una interacció electrostàtica no covalente d'interés per als químics. L'orige físic precís de l'efecte hidrofòbic prové de moltes interaccions complexes, pero es creu que és el component més important del reconeiximent molecular en l'aigua. La forta interacció entre l'àcit fólico i el receptor folato ha segut atribuïda tant a enllaços d'hidrogen com a interaccions hidrofòbiques. L'estudi de les interaccions no covalente és usat també per a estudiar enllaços i cooperatividad in estructures supramoleculares i composts macrocíclicos com éter de corona i criptandos, els quals poden actuar com a amfitrions per a molècules hostes.

Es poden utilisar l'efecte inductivo i la resonància química per a explicar els diferents valors de la constant de dissociació àcida (o pK_a) per al fenol (A) i el p-nitrofenol (B). Per a B, el grup electronegativo nitro estabilisa la base conjugada (anión fenóxido) per inducció i a través de distintes formes resonantes deslocaliza la càrrega negativa.

Reaccions àcit-base

Les propietats dels àcits i les bases són rellevants per a la Fisicoquímica orgànica. Els químics orgànics estan interessats principalment en àcits-bases de Brønsted-Lowry com a donants o aceptores de protones i en àcit i bases de Lewis com a donants o aceptores d'electrons. Els químics usen una série de factors desenrollats a partir de la Física Química (electronegatividad, efecte inductivo, energia de dissociació d'enllaçs, resonància química, hibridació de orbitales, aromaticidad i solvatación) per a predir acidea i basicidades relatives.

El principi àcit-base dur-bla s'utilisa per a predir interaccions moleculars i la direcció de reacció. En general, les interaccions entre molècules del mateix tipo són preferents. En atres paraules, els àcit durs s'associaran en bases dures, i els àcit blans en bases blanes. El concepte de àcit durs i bases és freqüentment utilisat en la síntesis d'entitats de coordinació inorgànics.

Cinètica

Els fisicoquímicos orgànics utilisen les bases matemàtiques de la cinètica química per a estudiar les velocitats i mecanismes de reacció. A diferència de la termodinàmica, la qual s'enfoca més a les estabilitat relatives ($\Delta G^o$) de productes i reactius i les seues concentracions d'equilibri; l'estudi de la cinètica s'enfoca en l'energia d'activació ($\Delta G^{‡}$) —la diferència d'energia lliure entre l'estructura reactant i l'estructura en estat de transició— d'una reacció i, per lo tant, permet a un químic estudiar els processos d'equilibri químic. Normalment en química orgànica s'apliquen formalisme derivats matemàticament, com el postulat de Hammond, el principi de Curtin-Hammett i la teoria de reversibilidad microscòpica. Els químics han usat també el principi del control de reacció cinètic i termodinàmic.

Equacions de velocitat

L'estudi de la cinètica química s'usa per a determinar l'equació de velocitat d'una reacció. Dita equació permet conéixer la relació quantitativa entre la velocitat d'una reacció química i les concentracionés o pressions parcials de les espècies químiques presents en dita reacció. Les equacions de velocitat deuen determinar-se a través de medicions experimentals; generalment no poden ser deduïdes a partir de l'equació química. L'equació de velocitat determinada experimentalment dona indici de l'estequiometría de les estructures en els estats de transició, relacionats en l'estructura en estat fonamental. La determinació de l'equació de velocitat va ser obtinguda històricament al monitorizar la concentració d'un reactiu a lo llarc d'una reacció a través d'un anàlisis gravimétrico. Hui en dia, açò es fa casi exclusivament per l'us de tècniques espectroscópicas ràpides i sense ambigüitats. En la majoria dels casos, la determinació de les equacions de velocitat se simplifica en afegir un bon excés de tots els reactius llevat un (el reactiu limitante).

(A) Ruta d'una reacció no catalizada. (B) Concepció comuna de la ruta d'una reacció catalizada, mostrant l'energia d'activació que ha segut baixada. (C) Coordenades de la reacció catalizada, mostrant un mecanisme diferent per a la reacció Es demostra la diferència en les energies d'activació per a les reaccions catalizada i sense catalizar.

Catálisis

L'estudi de la catálisis i les reaccions catalítiques és molt important per al camp de la fisicoquímica orgànica. Un catalisador participa en la reacció química pero no es consumix en el procés. El catalisador baixa la barrera de l'energia d'activació ($\Delta G^{‡}$), aumentant la velocitat de reacció, ya siga estabilisant l'estructura de l'estat de transició o desestabilisant una reacció intermija clau. ya que només es necessita una chicoteta cantitat de catalisador, este mateix pot donar accés fàcil a molècules orgàniques que d'una atra forma serien cares i difícils de sintetisar. Els catalisadors també poden influir en les velocitats de reacció canviant el mecanisme de reacció.

Efecte isotòpic cinètic

Artícul principal → Efecte isotòpic cinètic.

Aun cuando una equació de velocitat done la estequiometría de l'estructura de l'estat de transició, esta no dona cap informació sobre la ruptura o la formació d'enllaços. La substitució d'un isòtop prop d'una posició reactiva dona com resultat un canvi en la velocitat de reacció. La substitució isotòpica canvia l'energia potencial dels intermijos de la reacció i els estats de transició perque els isòtops més pesats formen enllaços més forts en atres àtoms que els àtoms més llaugers. La massa atòmica afecta el punt zero del estat vibracional de les molècules associades. Es formen enllaços més curts i més forts en les molècules en isòtops més pesats i enllaços més dèbils en les molècules en isòtops més llaugers. Ya que els moviments vibracionales solen canviar a sovint en el transcurs d'una reacció, per la creació i la ruptura dels enllaços, les freqüències estaran afectades i la substitució d'un isòtop pot donar idea del mecanisme de reacció i de l'equació de velocitat.

Efectes dels sustituyentes

L'estudi de la forma en que els sustituyentes afecten a la reactivitat d'una molècula o a la velocitat de reacció és de gran interés per als químics. Els sustituyentes poden eixercir un efecte a través d'interaccions estéricas i electròniques. Entre estes últimes destaquen la resonància i els efectes inductivos. La polarizabilidad de la molècula també pot vore's afectada. La major part dels efectes dels sustituyentes s'analisen a través de les relacions llineals de l'energia lliure (LFRE, per les seues sigles en anglés). La més comuna d'estes és l'anàlisis del diagrama d'Hammett. Este anàlisis compara l'efecte de varis sustituyentes en l'ionisació del àcit benzoico en els seus impactes en diferents sistemes químics. Els paràmetros dels diagrames d'Hammett són sigma (σ) i rho (ρ). El valor de σ indica l'acidea de l'àcit benzoico substituït con relación a la forma sense substituir. Un valor positiu de σ indica que el compost és més àcit, mentres que un valor negatiu indica que la versió substituïda és menys àcida. El valor de ρ és una mida de la sensitividad de la reacció al canvi del sustituyente, pero solament medix efectes inductivos. Per esta raó es varen produir dos noves escales per a evaluar l'estabilisació de la càrrega localisada, a través de resonància. Una és σ⁺, que tracta en els sustituyentes que estabilisen la càrrega positiva per mig de resonància. L'atra és σ^- que és per als grups que estabilisen les càrregues negatives per resonància. L'anàlisis d'Hammett pot usar-se per a ajudar a entendre els mecanismes possibles d'una reacció. Per eixemple, si es prediu que l'estructura en estat de transició té una composició de càrrega negativa relativa a l'estructura en l'estat base, llavors s'esperaria que els grups donants d'electrons incrementen la taxa de la reacció.

S'han desenrollat atres escales LFRE. Els efectes estéricos i polars s'han analisat a través dels paràmetros de Taft. Si es canvia el dissolvent en lloc del reactiu, es pot obtindre informació dels canvis durant la reacció. El diagrama de Grunwald-Winstein dae informació quantitativa d'estos efectes.

Demostració de la forma en que els fisicoquímicos orgànics ampren l'estudi dels efectes del dissolvent. Esta reacció mostra l'epimerización d'un reactiu de Grignard quiral. La forma cis del reactiu està molt més fortament favorida en THF sobre éter dietílico, lo que resulta en una constant d'equilibri major en el THF.

Efectes dels dissolvents

Artícul principal → Efectes del dissolvent.

Els dissolvents poden tindre un poderós efecte en la solubilidad, l'estabilitat química i la velocitat de reacció. Un canvi en el dissolvent pot permetre als químics eixercir influència en el control termodinàmic o cinètic de la reacció. Les reaccions ocorren a diferents velocitats en distints dissolvents pel canvi en la distribució de càrrega durant una transformació química. Els dissolvents pot influir tant al reactiu com a l'estat de transició. Un eixemple de l'efecte del dissolvent és la comparació de les reacciones S_N1 i S_N2.

Els dissolvents poden tindre també un efecte significatiu en l'equilibri termodinàmic d'un sistema. Un eixemple típic d'açò és la tautomerización ceto-enol: en dissolvents apróticos no polars la forma enol està fortament favorida per la formació d'enllaços d'hidrogen intramoleculares, mentres que en dissolvents apróticos polars, com el clorur de metileno, la forma enol està menys favorida per l'interacció entre el dissolvent polar i la dicetona polar. En dissolvents próticos, l'equilibri es troba prop de la forma ceto conforme l'enllaç d'hidrogen intramolecular competix en els enllaços d'hidrogen que s'originen des del dissolvent.

Un eixemple modern de l'estudi dels efectes dels dissolvents en l'equilibri químic pot vore's en el estudi de Carlier et al. sobre l'epimerización de reactius de Grignard de ciclopropilnitrilo quiral. En este estudi es mostra que la constant d'equilibri per a l'isomerización de cis a trans del reactiu de Grignard és molt major (és dir, la preferència per a la forma cis s'incrementa) en tetrahidrofurano (THF) sobre éter dietílico. No obstant, una velocitat més ràpida de isomerización de cis a trans en THF dona com resultat una pèrdua de purea estereoquímica. Entendre la configuració molecular de reactius com estos és particularment important per a millorar la selectivitat en síntesis asimètricas.