¿Existe un consenso general sobre las causas del efecto alfa?

Se han propuesto varias explicaciones para el efecto α . El efecto α se refiere a un fenómeno en el que los nucleófilos con pares solitarios en átomos adyacentes (es decir, en la posición α) al átomo que lleva el par solitario en reacción a veces exhiben una reactividad dramáticamente más alta que los nucleófilos similares sin electrones α. Este efecto se aduce especialmente cuando no se produce un aumento asociado en la basicidad de Brønsted. Por ejemplo, las constantes de velocidad de reacción experimental del hidroperóxido ($ \ ce {HOO -} $) son órdenes de magnitud mayores ^[1] que las del hidróxido ($ \ ce {HO -} $) con varios sustratos electrofílicos , a pesar de que el primero exhibe una basicidad de Brønsted más baja. También hay un efecto α termodinámico, en el que las constantes de equilibrio se mejoran ^[2] . Actualmente se encuentra en la lista de problemas de química sin resolver en Wikipedia, pero, debido a la falta de referencias a ese efecto, no estoy del todo convencido de que realmente debería aparecer allí. Aquí está el resumen de mi investigación sobre el tema hasta ahora:

• Leí Ren, Y. & Yamataka, H . ^[3] , «Revisión del efecto alfa en las reacciones S _N 2 en fase gaseosa» . En él, afirman que las explicaciones basadas en la desestabilización del estado fundamental (presumiblemente debido a la repulsión entre los electrones del átomo nucleofílico y los electrones α) no son correctas. Su razonamiento es que esto daría lugar a una diferencia en el $ \ Delta G $ entre reactivos y productos, lo que conduciría a efectos de equilibrio termodinámico. Argumentan que una explicación correcta debería ser una que involucre exclusivamente la estabilización del estado de transición (es decir, la minimización de $ \ Delta G ^ {\ ddagger} $), y continúan ofreciendo alguna explicación de cómo esto puede ocurrir (junto con datos experimentales ). Intuitivamente, su conclusión me parece razonable, y también (al menos para mi ingenua comprensión) parece eminentemente comprobable. No sé si los efectos de equilibrio consistentes con la desestabilización del estado fundamental se han observado o no; sin embargo, si no lo han hecho, ¿no debería poner el clavo en el ataúd de esa teoría? ¿O es simplemente que los autores ¿Están buscando un efecto α puramente cinético, por lo que es necesario hacer una distinción entre uno termodinámico?
• Fleming dedica una sección al efecto en su libro, Molecular Orbitals and Organic Chemical Reactions . Señala que la presencia del par α-solitario debería elevar la energía del HOMO del nucleófilo, pero también señala que los resultados experimentales no se correlacionan suficientemente bien con las energías HOMO de varios α-nucleófilos. En particular, ciertos electrófilos blandos (según la teoría HSAB), como los haluros de alquilo, aparentemente muestran una preferencia baja anómala por los α-nucleófilos. En el contexto de los mecanismos SET, Fleming dice que la mayor energía del HOMO y la disponibilidad de electrones α (que pueden estabilizar un radical intermedio) deberían tener un efecto muy favorable en la velocidad de reacción y señala que los resultados experimentales corrobora esto. Mi interpretación de esto es que, si bien el panorama es quizás turbio para los mecanismos aniónicos, la estabilización del estado de transición claramente parece estar operativa en los mecanismos SET.

También he leído el artículo original de 1962 por Pearson y Edwards ^[4] , que también defendieron en gran medida la estabilización del estado de transición como el mecanismo explicativo principal.

En general, según mi lectura hasta ahora, parece que la transición- La estabilización del estado se ha invocado de manera más consistente y tiene la mayor cantidad de evidencia y los argumentos más plausibles que la respaldan. Lo que me gustaría preguntar es, (a) ¿hay fallas en mi razonamiento o comprensión del material, y (b) es esto? realmente es un problema fundamentalmente sin resolver, o ¿existe algún consenso emergente entre los expertos?

Notas y referencias

1. Flemi ng proporciona una pequeña tabla con tasas relativas ($ k_ \ mathrm {rel} = k _ {\ ce {HOO -}} / k _ {\ ce {HO -}} $) en su libro. Por ejemplo, da $ k_ \ mathrm {rel} \ approx 10 ^ 5 $ para la reacción con $ \ ce {PhCN} $ y $ k_ \ mathrm {rel} \ approx 50 $ por $ \ ce {PhCH2Br} $, mientras $ k_ \ mathrm {rel} \ approx 10 ^ {- 4} $ para la reacción con $ \ ce {H3O +} $. La velocidad de reacción se correlaciona de la forma esperada con la basicidad de Brønsted solo en el caso de la transferencia de protones.

2. Nuevamente, citando a Fleming, da el ejemplo de la reacción de N -acetilimidazol con hidroxilaminas, en el que tanto las constantes de velocidad como de equilibrio se ven afectadas positivamente. Cualitativamente, explica esto señalando que los electrones α elevan la energía del par solitario conjugado al sistema π, lo que hace que la superposición de dicho par solitario con el π * LUMO sea más eficaz.Además, afirma que tanto la estabilización del estado fundamental y la desestabilización del estado de transición son factores en la electrofilia reducida de las oximas e hidrazonas en relación con (la mayoría) de las otras iminas estándar.

3. Ren, Y .; Yamataka, H. Revisión del efecto α en reacciones en fase gaseosa S _N 2. Org. Lett. 2006, 8 (1), 119–121. DOI: 10.1021 / ol0526930 .

4. Edwards, J. O .; Pearson, R. G. Los factores que determinan las reactividades nucleofílicas. J. Soy. Chem. Soc. 1962, 84 (1), 16–24. DOI: 10.1021 / ja00860a005 .

Comentarios

• Me gusta mucho su pregunta y la investigación que ha realizado. También creo que su razonamiento es bastante sólido. Sin embargo, como la definición es bastante vaga e intenta encontrar un ' verdadero ' La explicación también puede ser vaga. Estoy de acuerdo con usted en que la estabilización del estado de transición podría ser la pista más fuerte hasta ahora, pero también me temo que sigue siendo una cuestión bastante sin resolver hasta ahora. (De todos modos, ' estaría encantado si pudiera publicar doi o isbn en su pregunta).
• La estabilización del estado de transición se menciona en un par de artículos nuevos publicados sobre efecto alfa: 1 " interacciones de solventes para HOO– son bastante diferentes de aquellas con los nucleófilos normales en la transición estado, lo que indica que la solvatación diferencial puede contribuir al efecto α. " Y 2 " Se ha sugerido que los efectos de solvatación diferencial son responsables del efecto α en este estudio, "
• Este es el n-ésimo vez que ' he leído esta pregunta, la primera vez que comento. ¿Qué dice la literatura (si es que dice algo) sobre las simulaciones de química cuántica del efecto alfa? Si los cálculos cuánticos de los primeros principios no ' capturan el efecto alfa, entonces pensaría que es realmente un problema de química sin resolver. Sin embargo, si lo hacen, entonces ' es más una cuestión de qué teoría / aproximación heurística manual de QM desea invocar a " explíquelo ". Si nadie ha probado los métodos informáticos modernos sobre el problema, supongo que aún no está resuelto, pero parece un buen problema en el que trabajar.