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Dra. Beatriz Giner
Curso 22-23
Tema 5. Cinética de las reacciones
Material elaborado parcialmente por Dra. Lomba
2
ÍNDICE o Integración de ecuaciones cinéticas
▪ Reacciones de orden cero
▪ Reacciones de orden uno
▪ Reacciones de orden dos
o Reacciones enzimáticas
▪ Ecuación de Michaelis-Menten
▪ Parámetros Km y Vmax
o Estrategias para la obtención experimental de ecuaciones
cinéticas
▪ Método de integración
▪ Método de aislamiento
o Influencia de la temperatura
▪ Ecuación de Arrhenius
▪ Estabilidad térmica de fármacos
o Mecanismos de reacción
▪ Aproximación de la etapa limitante
▪ Aproximación del estado estacionario
▪ Ejemplos
3
ÍNDICE
- Cinética
o Integración de ecuaciones cinéticas
▪ Reacciones de orden cero
▪ Reacciones de orden uno
▪ Reacciones de orden dos
o Reacciones enzimáticas
▪ Ecuación de Michaelis-Menten
▪ Parámetros Km y Vmax
o Estrategias para la obtención experimental de ecuaciones cinéticas
▪ Método de integración
▪ Método de aislamiento
o Influencia de la temperatura
▪ Ecuación de Arrhenius
▪ Estabilidad térmica de fármacos
o Mecanismos de reacción
▪ Aproximación de la etapa limitante
▪ Aproximación del estado estacionario
▪ Ejemplos
Es un área de la fisicoquímica que estudia el mecanismo por el
cual un proceso químico alcanza su estado final desde el estado
inicial y la velocidad con la que esta reacción se produce.
En Biomedicina tiene repercusión en:
4
❑ Las reacciones que se llevan a cabo en
el organismo
❑ Enzimas y reacciones enzimáticas
5
Para pensar…
1
2
Crutzen, Molina y Rowland, Nobel 1995
https://static.euronews.com/articles/stories/06/09/12/52/808x269_cmsv2_423cccc8-c11c-5aad-aec5-67e719910b0b-6091252.jpg
http://www.100ciaquimica.net/temas/tema12/punto3b.htm
3
6
Para que una reacción tenga lugar… energía de reactivos y productos, teoría de
colisiones y estado de transición. Además CINETICA DE LA REACCIÓN (puede tener
lugar pero ser muy lenta, EA muy elevada)
http://agrega.juntadeandalucia.es/repositorio/30042010/e9/es-an_2010043013_9115511/ODE-1c405141-ad4e-39e4-93f6-2935d376f892/4_energa_en_las_reacciones_qumicas.html
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fchemamartin.files.wordpress.com%2F2020%2F12%2Ftema-3_20_21-1.pdf&psig=AOvVaw0VnTJLB8-fLYwBv-unS9-
X&ust=1668721969255000&source=images&cd=vfe&ved=0CBAQjRxqFwoTCKDH5fjXs_sCFQAAAAAdAAAAABAS
Estado de transición Estado de transición Estado de transición
7
Ejemplo de estado de transición:
Organic Chemistry, 7th Ed.
L.G. Wade
8
En los sistemas biológicos, las reacciones aumentan considerablemente su velocidad
de reacción gracias a las enzimas
Modifican el mecanismo de reacción: estados de
transición de menor energía
9
v= -
1
a
d[A]
dt
= -
1
b
d[B]
dt
=
1
e
d[E]
dt
=
1
F
d[F]
dt
Velocidad de reacción:
aA + bB + …. → eE +fF+…… Reacción homogénea
unidades : mol/L·s
¿qué
significan los
signos
negativos?
https://www.google.com/url?sa=i&url=http%3A%2F%2Fwww.webquestcreator2.com%2Fmajwq%2Fver%2Fver%2F41487&psig=AOvVaw2iSaVqiS3MW_HFr9s3wd1
8&ust=1668724319571000&source=images&cd=vfe&ved=0CBAQjRxqFwoTCLCh9Nfgs_sCFQAAAAAdAAAAABAc
10
Actividad de aula 1. Proponer la expresión de la velocidad de
reacción para las siguientes reacciones
N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
2NOBr(g) → 2NO(g) + Br2(g)
11
✓ Es una expresión de la velocidad en función de las concentraciones a una
temperatura dada
✓ Se determina experimentalmente
✓ Se debe escribir la constante y las concentraciones de los reactivos
Constante cinética o
coeficiente de velocidad.
Depende de la T
fundamentalmente. Sus
unidades dependerán del
orden de la reacción.
v= k A
[ ]
a
B
[ ]
b
C
[ ]
g
Ordenes parciales. Generalmente
números enteros o semienteros. Se dice
la reacción respecto a uno de los
reactivos. NO coinciden, en general, con
los coeficientes estequiométricos. En
caso de hacerlo estamos ante una
reacción elemental.
El orden total de la reacción es la suma de los órdenes parciales
12
Actividad de aula 2. Deduce cuál es el orden respecto de cada
reactivo y el orden global de la reacción en cada uno de los
siguientes casos:
3NO (g) → N2O(g) + NO2(g) v= k NO
[ ]
2
H2O2 (ac) + 3I- (ac) +2H+(ac) → 2H2O(l) + I3
- v= k H2O2
[ ] I-
é
ë ù
û
2NO (g) + O2 (g) → 2 NO2(g) v= k NO
[ ]
2
O2
[ ]
13
Actividad de aula 3: La ecuación de velocidad v=k[NH4
+][NO2
-]
corresponde a la reacción:
NH4+ (ac) + NO2
- (ac) → N2 (g) + 2H2O(l)
Calcula la velocidad de la reacción a 25ºC cuando [NH4
+]=0,026 mol·L-1 y
[NO2
-]=0,08 mol·L-1, sabiendo que la constante de velocidad, K, a esa
temperatura vale 3·10-4 L·mol-1·s-1
14
Reacción simple
(elemental)
Reacción compleja
Una etapa Varias etapas (mecanismo
de reacción)
Órdenes parciales =
coeficientes
estequiométricos
Intermedios de reacción
15
✓ Es el número de moléculas de reactivo que participan en una reacción elemental
✓ Pueden ser uni, bi o trimoleculares
Unimoleculares Bimoleculares Trimoleculares
A® B+C
A® B
A+ B® C
A+ B® C+ D
2A® B
3A® C
A+ B+C ® D
2A+ B® C
16
Ejemplos de reacciones unimoleculares
C
H3
CH2
CH3NC CH3CN
2 C2H4
C2H5· C2H4 + H·
17
18
v= A
[ ]
2
B
[ ]
A + B → P
Si [B]>>>>[A], la [B] será constante a lo largo de la reacción y por lo tanto se
puede incluir dentro de una constante por lo que la reacción sería de
pseudoorden 2.
v= k´ A
[ ]
2
k´= k B
[ ]
19
▪ Reacciones de orden cero
▪ Reacciones de orden uno
Integración de las ecuaciones cinéticas
[A]-[A]0 = -ka·t
aA productos
v= -
1
a
·
d[A]
dt
v= k
La ecuación de velocidad será:
-
1
a
·
d[A]
dt
= k
d[A]= -a·k·dt
d[A]
[A]0
[A]
ò = - ka·dt
0
t
ò
Orden 0 Los productos se
forman en
cantidades
constantes e
independientes
de [Reactivos]
20
[A]-[A]0 = -ka·t
[A]0
2
-[A]0 = -ka·t1/2
-
[A]0
2
= -ka·t1/2
t1/2 =
[A]0
2·ka
Tiempo que tarda la
concentración de reactivo en
reducirse a la mitad de su
valor inicial
Depende de la
concentración inicial
(directamente
proporcional)
Orden 0
Tiempo de vida media (reducción a la mitad)
21
✓ Parches transdérmicos
✓ Administración anestésicos vía inhalatoria (halotano)
Procesos
dependientes de
liberación (EV)
Orden 0
Procesos
22
Physicochemical principles of pharmacy.. A. Florence and D. Attwood. 4º Ed. Pharmaceutical Press. 2009
Ejemplo: Hidrólisis de suspensión de ácido acetilsalicílico
Orden 0
23
Orden 1 aA productos
v= -
1
a
·
d[A]
dt
v= k· A
[ ]
La ecuación de velocidad será:
-
1
a
·
d[A]
dt
= k· A
[ ]
d[A]
A
[ ]
= -a·k·dt
d[A]
A
[ ]
[A]0
[A]
ò = - ka·dt
0
t
ò
Ln[A]- Ln[A]0 = -ka·t
[A]=[A]0 e-ka ·t
24
t1/2 =
Ln2
ka
Ln[A]- Ln[A]0 = -ka·t
Tiempo que tarda la
concentración de reactivo en
reducirse a la mitad de su
valor inicial
NO depende de la
concentración inicial
Ln
[A]0
2
- Ln[A]0 = -ka·t1/2
Ln
1
2
= -ka·t1/2
t1/2 =
0,693
ka
Orden 1
Tiempo de vida media (reducción a la mitad)
25
Difusión pasiva de
fármacos Velocidad de
crecimiento de
microorganismos
Descomposición fase
sólida o en
suspensión
Orden 1
Procesos de primer orden
26
Tipo 1: Reacción: aA Productos
Integración de las ecuaciones de velocidad
REACCIONES DE SEGUNDO ORDEN
   2
1
A
k
t
A
a
v =


−
=
   
t
k
A
A
a
+
=
0
1
1
 
A
1
 0
1
A
Pendiente = ka
 
A
1
 0
1
A
Pendiente = ka
 
A
1
 0
1
A
Pendiente = ka
27
Tipo 1: Reacción: aA Productos
Integración de las ecuaciones de velocidad
REACCIONES DE SEGUNDO ORDEN
    2
0
A
A =
    2
/
1
0
0
1
2
t
k
A
A
a
+
=
 0
2
1
1
A
k
t
a
=
28
aA + bB Productos
t=0 [A]0 [B]0
t [A]0 – x [B]0 – (b/a)x
Tipo 2: Reacción: aA +bB Productos
Integración de las ecuaciones de velocidad
REACCIONES DE SEGUNDO ORDEN
    
B
A
k
t
A
a
v =


−
=
1
29
Actividad de aula 4. Se obtuvieron los siguientes datos para la
hidrólisis de la homatropina en 0,226 M de HCl a 90ºC.
Determine la constante de velocidad y el tiempo de reducción a
la mitad (sabiendo que es un proceso de orden 1)
Porcentaje de
homatropina
remanente
93,4 85,2 75,9 63,1 52,5 41,8
t (h) 1,38 3 6 8,6 12 17
30
Porcentaje de
homatropina
remanente
93,4 85,2 75,9 63,1 52,5 41,8
Ln % 4,54 4,45 4,33 414 3,96 3,73
t (h) 1,38 3 6 8,6 12 17
Calcular el Ln del porcentaje de homatropina remanente y representar:
Ln
porcentaje
homatropina
Tiempo (h)
y = -0,0525x+4,61
m=
Ln63,1- Ln93,4
8,6 -1,38
=
-0,39
7,22
= -0,054
Calculo de la pendiente:
Determinación constante de velocidad:
Ka=0,054 h-1
t1/2 =
Ln2
ka
=
Ln2
0,054
=12,76h
Determinación vida media:
31
ÍNDICE
- Cinética
o Integración de ecuaciones cinéticas
▪ Reacciones de orden cero
▪ Reacciones de orden uno
▪ Reacciones de orden dos
o Reacciones enzimáticas
▪ Ecuación de Michaelis-Menten
▪ Parámetros Km y Vmax
o Estrategias para la obtención experimental de ecuaciones cinéticas
▪ Método de integración
▪ Método de aislamiento
o Influencia de la temperatura
▪ Ecuación de Arrhenius
▪ Estabilidad térmica de fármacos
o Mecanismos de reacción
▪ Aproximación de la etapa limitante
▪ Aproximación del estado estacionario
▪ Ejemplos
32
Velocidad
[s]
✓ Al principio la velocidad se incrementa con el aumento de [S]
✓ Al final se va estabilizando hasta dar un valor constante mediante un
comportamiento de tipo asintótico (Vmax)
✓ Hipérbola rectangular
v=
vmax ·[S]
KM +[S]
Ecuación Michaelis-Menten
33
La ecuación de Michaelis-Menten se puede reordenar para adecuarla a una recta:
Lineweaver Burk Eadie-Hofstee Hanes
- Más utilizada
- Distribuye los puntos de manera
poco uniforme
- Tiende a dar más importancia a los
puntos de menor concentración
(más inexactos)
- Distribución más uniforme
- Más aconsejable
- Detecta posibles desviaciones de la
linealidad
- No distribuye los puntos tan
uniformemente como Eadie-Hofstee
pero lo hace mejor que Lineweaver-
Burk
- Da más importancia a los puntos de
mayor concentración (más exactos)
1
v
=
1
vmax
+
km
vmax
1
[S]
v= vmax -km
v
[S]
[S]
v
=
km
vmax
+
1
vmax
[S]
34
Actividad de aula 5. La enzima α-quimotripsina es secretada por el
páncreas en mamíferos y escinde los enlaces peptídicos entre ciertos
aminoácidos. Se han preparado varias disoluciones que contienen el péptido
N-glutaril-L-fenilalanina-p-nitroanilina a diferentes concentraciones y se ha
añadido una pequeña cantidad de la enzima. Se han obtenido los siguientes
datos de velocidades iniciales. Determine los valores de la velocidad máxima
y la constante de Michaelis para la reacción.
[S]o/(mmol/L) 0,334 0,450 0,667 1,00 1,33 1,67
V (mmol/L·s) 0,152 0,201 0,269 0,417 0,505 0,667
35
[S]o/(mmol/L) 0,334 0,450 0,667 1,00 1,33 1,67
V (mmol/L·s) 0,152 0,201 0,269 0,417 0,505 0,667
1/[S]o 2,99 2,22 1,50 1,00 0,75 0,60
1/V 6,58 4,98 3,72 2,40 1,98 1,50
y = 2,0926x + 0,3629
R² = 0,9964
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50
1/v
1/[S]
Lineweaver-Burk:
Vmax= 2,76 mmol/L·s
Km=5,76 mmol/L
36
ÍNDICE
- Cinética
o Integración de ecuaciones cinéticas
▪ Reacciones de orden cero
▪ Reacciones de orden uno
▪ Reacciones de orden dos
o Reacciones enzimáticas
▪ Ecuación de Michaelis-Menten
▪ Parámetros Km y Vmax
o Estrategias para la obtención experimental de ecuaciones cinéticas
▪ Método de integración
▪ Método de aislamiento
o Influencia de la temperatura
▪ Ecuación de Arrhenius
▪ Estabilidad térmica de fármacos
o Mecanismos de reacción
▪ Aproximación de la etapa limitante
▪ Aproximación del estado estacionario
▪ Ejemplos
37
Se realizan representaciones gráficas y se selecciona aquella que tenga un mejor ajuste lineal
Orden cero Orden uno Orden dos
Orden tres Orden n
v= k· A
[ ]
n
Método de integración
Primera serie Segunda serie Serie n
Determinar valor α Determinar valor β Determinar valor λ
Exceso de [B] y [C] Exceso de [A] y [C] Exceso de [A] y [B]
Reacción de pseudoorden α Reacción de pseudoorden β Reacción de pseudoorden λ
38
aA +bB + cC productos
Se basa en aislar uno de los reactivos, colocando los demás en gran exceso.
Se determina el orden de reacción respecto a ese componente.
v= k·[A]a
[B]b
[C]g
k´= k·[B]b
[C]g
v= k´· A
[ ]
a
k´´= k·[A]a
[C]g
v= k´´·[B]b
k´´´= k· A
[ ]
a
[B]b
v= k´´´·[C]g
Método de aislamiento
39
ÍNDICE
- Cinética
o Integración de ecuaciones cinéticas
▪ Reacciones de orden cero
▪ Reacciones de orden uno
▪ Reacciones de orden dos
o Reacciones enzimáticas
▪ Ecuación de Michaelis-Menten
▪ Parámetros Km y Vmax
o Estrategias para la obtención experimental de ecuaciones cinéticas
▪ Método de integración
▪ Método de aislamiento
o Influencia de la temperatura
▪ Ecuación de Arrhenius
▪ Estabilidad térmica de fármacos
o Mecanismos de reacción
▪ Aproximación de la etapa limitante
▪ Aproximación del estado estacionario
▪ Ejemplos
k= A·e
-
Ea
RT
✓ Ea es la energía de activación de Arrhenius
✓ e^(-Ea/RT) es el factor de Boltzman, que representa la fracción de
moléculas que tienen una energía mayor o igual a la Ea
✓ A: factor de frecuencia
✓ R es la constante de los gases ideales (8,314 J/K·mol)
✓ T es la temperatura
Lnk= LnA-
Ea
R·T
40
Ecuación de Arrhenius
41
Arrhenius también pensó que la influencia de la temperatura en la constante (k) sería del
mismo tipo que en las constantes de equilibrio:
DHo
RT2
=
dLnkp
dT
dT
dLnk
RT
E
2
a = 
 = 2
a
T
dT
R
E
dLnk LnA
RT
E
Lnk a +
−
=
Si se integra:
k= A·e
-
Ea
RT
➢ Una reacción Ea grande → K pequeña → reacción lenta
➢ Una reacción Ea pequeña→ K grande→ reacción rápida
➢ Una reacción Ea grande → K aumenta rápidamente con T
➢ Una reacción Ea pequeña → K aumenta lentamente con T
Ln
k2
k1
=-
Ea
R
1
T2
-
1
T1
é
ë
ê
ù
û
ú
42
A partir de la ecuación de Arrhenius, se pueden relacionar dos constantes
cinéticas con dos temperaturas diferentes:
Al restar…
Relación de dos constantes cinéticas con dos temperaturas
diferentes
Actividad de aula 6. Los siguientes datos fueron determinados para las
constantes de acidez catalíticas específicas de un fármaco antiinflamatorio.
Determine gráficamente:
a) La constante de velocidad de catálisis ácida a 25ºC
b) La energía de activación
43
T (ºC) k (L/mol·s)
95 8150
90 4850
85 2760
75 1020
65 290
44
y = -13700x + 46,213
R² = 0,9991
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
0,0027 0,0028 0,0028 0,0029 0,0029 0,0030 0,0030
Ln
K
1/T
T (ºC) T (K) k (L/mol·s) Ln K 1/T
95 368,15 8150 9,0058 0,0027
90 363,15 4850 8,4867 0,0028
85 358,15 2760 7,9230 0,0028
75 348,15 1020 6,9276 0,0029
65 338,15 290 5,6699 0,0030
k25= 1,30 L/mol·s
Ea=113,9 kJ/mol
LnA
RT
E
Lnk a +
−
=
45
Cuanto mayor es la T mayor es la
frecuencia de los choques
intermoleculares y mayor es su energía,
lo que explica que la velocidad de
reacción aumente con la T.
+
Reactivos Complejo
activo
Productos
Interpretación de Ea
48
ÍNDICE
- Cinética
o Integración de ecuaciones cinéticas
▪ Reacciones de orden cero
▪ Reacciones de orden uno
▪ Reacciones de orden dos
o Reacciones enzimáticas
▪ Ecuación de Michaelis-Menten
▪ Parámetros Km y Vmax
o Estrategias para la obtención experimental de ecuaciones cinéticas
▪ Método de integración
▪ Método de aislamiento
o Influencia de la temperatura
▪ Ecuación de Arrhenius
▪ Estabilidad térmica de fármacos
o Mecanismos de reacción
▪ Aproximación de la etapa limitante
▪ Aproximación del estado estacionario
▪ Ejemplos
Physical chemistry. Atkins; de Paula. . A. Freeman and Company. 2006
49
A B
k1
K-1
C
k2
K-2
D
k3
K-3
✓ El mecanismo consta de una o más reacciones reversibles cercanas al equilibrio seguidas de una etapa
limitante relativamente lenta
✓ Existe un cuello de botella
✓ La ecuación cinética observada dependerá de la naturaleza del equilibrio que precede la etapa limitante
y esta propia etapa
50
A B
k1
K-1
C
k2
K-2
D
k3
K-3
Etapa limitante B → C
k-1 >> k2
✓ ¿Cómo será la velocidad de B a C comparada
con B a A?
✓ ¿Qué les ocurren a las constantes k3, k2 y k-2?
✓ ¿Quién es el cuello de botella?
53
Aproximación de la etapa lenta
También se llama etapa limitante. Esta aproximación se aplica a
mecanismo que cumplan las siguientes condiciones.
•Formado por etapas elementales reversibles que están en equilibrio la
mayor parte del tiempo
•Esas etapas van seguidas de una etapa lenta que determina la
velocidad de la reacción global
•La etapa lenta va seguida de una o varias etapas rápidas
•La única premisa indispensable es la 2, las 1 y 3 pueden omitirse.
¿Cómo obtener la ecuación cinética de una reacción a partir de su
mecanismo de reacción?
54
¿Cómo obtener la ecuación cinética de una reacción a partir de su
mecanismo de reacción?
Aproximación del estado estacionario
En los mecanismos de reacción, generalmente aparecen especies
intermedias que no aparecen en las ecuaciones globales y son muy
reactivas, tal y como se forman tienden a reaccionar y no se acumulan
en cantidades importantes a lo largo de la reacción. La velocidad de
reacción del intermedio reactivo se desprecia.
t (s)
[] (mol/l)
[Producto]
[Reactivo]
[Intermedio]
55
Propuesta de mecanismos de reacción
Reglas de ayuda en la propuesta de mecanismo
Si aplicamos la aproximación de la etapa lenta:
1.- Si la ecuación de velocidad es     


=


B
A
k
v
y , ,··· son números enteros positivos, la composición total de los reactivos, es
decir, el número total de los átomos de reactivos de cada tipo y su carga, en la
etapa limitante o lenta de velocidad es A+B+····. No conocemos cómo se
agrupan esos átomos pero sí el número total.
2.- Si la ecuación de velocidad es
   
    




N
M
B
A
k
v



=
y , , , ··· son números enteros positivos, la composición total de los
reactivos, es decir, el número total de los átomos de reactivos de cada
tipo y su carga, en la etapa limitante o lenta de velocidad es A+B-M-
N ···· y además, las especies químicas M y N son los productos de
equilibrio de la etapa anterior a la etapa lenta.
56
Propuesta de mecanismos de reacción
3.- Si en la ecuación de velocidad aparece la concentración de un reactivo con
orden parcial ½, en el mecanismo, la especie ha de desdoblarse en dos sustancias
en una reacción anterior a la lenta.
4.- Si en una reacción química, el coeficiente estequiométrico de un reactivo es
mayor que el orden parcial de ése reactivo en la ecuación cinética de velocidad, el
mecanismo de reacción ha de tener como mínimo una etapa después de la etapa
lenta, donde el reactivo actuará como el propio reactivo de la etapa elemental.
57
Propuesta de mecanismos de reacción
Si aplicamos la aproximación del estado estacionario:
Si la ecuación cinética tiene un denominador con sumas y no podemos deducir
cuál es el orden con respecto a las distintas especies, es mucho mejor aplicar la
aproximación del estado estacionario que la de la etapa lenta. Una suma de
términos en el denominador indica que el mecanismo tiene uno o varios
intermedios.
58
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
ELECTRÓFILO: sustancia capaz de aceptar densidad electrónica (ganas de
electrones, de densidad de carga -) o ceder protones. Ácido de Lewis
NUCLEÓFILO: sustancia capaz de aceptar protones (ganas de protones, de
densidad de carga +) o ceder densidad electrónica. Base de Lewis
Organic Chemistry, 7th Ed.
L.G. Wade
59
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
C C
H
GS:-
Nuc
C C
H
GS:-
Nuc
C C
H
GS
Nuc:-
-
+
+
Centro electrófilo
ELIMINACIÓN
SUSTITUCIÓN
60
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
CH3CH2CH2CH2Br + NaI CH3CH2CH2CH2I + NaBr
?
?
?
Algunas reacciones …
y
y
61
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
S-adenosilmetionina (SAM)
O
O
–
S
CH3
NH3
+
metionina
grupo saliente
O
O
H OH
N
N
N
N
NH2
S
+
C
H3
O
N
H3
+
OH
P O
–
O
–
O
O
P
O
–
O
P
O
–
O
O
O
O
H
OH
N
N
N N
NH2
62
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
O
O
H OH
N
N
N
N
NH2
S
+
C
H3
O
N
H3
+
OH
O
O
H
OH
N
N
N N
NH2
S
+
C
H3
O
N
H3
+
OH
O
H
O
H
NH2
OH
O
H
O
H
N
H
OH
CH3
SAM
SAM
Noradrenalina
Adrenalina
+ SAM
63
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
O
O
H OH
N
N
N
N
NH2
S
+
C
H3
O
N
H3
+
OH
SAM
O
O
H
OH
N
N
N N
NH2
S
+
C
H3
O
N
H3
+
OH
N
H2 NH
O
–
O
NH
N
H2 N
O
–
O
NH
C
H3
Glicociamina
Creatina
+ SAM
64
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
SN2
Las evidencias experimentales indican que la reacción transcurre en un solo paso, es decir,
concertada.
Al duplicar la concentración de alguno de los reactivos, la velocidad de reacción se duplica.
La ecuación de velocidad para esta reacción es en este caso proporcional a la
concentración de ambos reactivos.
  
−
= OH
I
CH
k
v 3
Evidencia experimental. Mecanismo y velocidad de reacción
65
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
Organic Chemistry, 7th Ed.
L.G. Wade
66
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
SN1
Las evidencias experimentales indican que la reacción transcurre en varios pasos
intermedios
Como productos de reacción se obtienen tercbuil metil eter, catión metiloxonio y
anión bromuro
Los disolventes de elevada constante dieléctrica favorecen la reacción
La ecuación de velocidad para esta reacción es en este caso proporcional a la
concentración de haluro de alquilo.
 
CBr
CH
k
v 3
3 )
(
=
C
H3
CH3
CH3
Br + C
H3 OH
67
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
SN1
( )
 
CBr
CH
k
v 3
=
Importante: la suma de las etapas elementales da lugar a la reacción global
Organic Chemistry, 7th Ed.
L.G. Wade
68
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
Comparación de la energía del estado de transición entre los dos mecanismos
69
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
Experimentalmente se ha comprobado que la reacción de sustitución de un haluro de
alquilo por un nucleófilo es más lenta cuando el haluro de alquilo es secundario que si
es primario. Además, si no hay disolventes polares en el reactor, no funciona en
absoluto si el haluro de alquilo es terciario.
Competencia de mecanismos entre las reacciones de sustitución
70
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
Organic Chemistry, 7th Ed.
L.G. Wade
71
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
Energía del estado de transición en una reacción SN2 dependiendo del tipo
de haluro de alquilo
72
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
Haluro de alquilo terciario
Haluro de alquilo primario
SN2
SN1
SN1
SN2
Organic Chemistry, 7th Ed.
L.G. Wade
73
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
Organic Chemistry, 7th Ed.
L.G. Wade
Dependiendo de las condiciones de reacción y de los reactivos podrá tener lugar
la reacción de eliminación de primer orden (E1) o de segundo orden (E2).
74
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
Reacciones de eliminación unimolecular E1:
Simultáneas a la SN1
75
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
Mecanismo E1
76
EJEMPLOS
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN
Mecanismo E2: En el estado de transición ni el grupo saliente ni el H han salido
completamente del sustrato ni se ha formado el doble enlace aun.
La velocidad de reacción es similar al mecanismo SN2.
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  • 1. Dra. Laura Culleré Dra. Beatriz Giner Curso 22-23 Tema 5. Cinética de las reacciones Material elaborado parcialmente por Dra. Lomba
  • 2. 2 ÍNDICE o Integración de ecuaciones cinéticas ▪ Reacciones de orden cero ▪ Reacciones de orden uno ▪ Reacciones de orden dos o Reacciones enzimáticas ▪ Ecuación de Michaelis-Menten ▪ Parámetros Km y Vmax o Estrategias para la obtención experimental de ecuaciones cinéticas ▪ Método de integración ▪ Método de aislamiento o Influencia de la temperatura ▪ Ecuación de Arrhenius ▪ Estabilidad térmica de fármacos o Mecanismos de reacción ▪ Aproximación de la etapa limitante ▪ Aproximación del estado estacionario ▪ Ejemplos
  • 3. 3 ÍNDICE - Cinética o Integración de ecuaciones cinéticas ▪ Reacciones de orden cero ▪ Reacciones de orden uno ▪ Reacciones de orden dos o Reacciones enzimáticas ▪ Ecuación de Michaelis-Menten ▪ Parámetros Km y Vmax o Estrategias para la obtención experimental de ecuaciones cinéticas ▪ Método de integración ▪ Método de aislamiento o Influencia de la temperatura ▪ Ecuación de Arrhenius ▪ Estabilidad térmica de fármacos o Mecanismos de reacción ▪ Aproximación de la etapa limitante ▪ Aproximación del estado estacionario ▪ Ejemplos
  • 4. Es un área de la fisicoquímica que estudia el mecanismo por el cual un proceso químico alcanza su estado final desde el estado inicial y la velocidad con la que esta reacción se produce. En Biomedicina tiene repercusión en: 4 ❑ Las reacciones que se llevan a cabo en el organismo ❑ Enzimas y reacciones enzimáticas
  • 5. 5 Para pensar… 1 2 Crutzen, Molina y Rowland, Nobel 1995 https://static.euronews.com/articles/stories/06/09/12/52/808x269_cmsv2_423cccc8-c11c-5aad-aec5-67e719910b0b-6091252.jpg http://www.100ciaquimica.net/temas/tema12/punto3b.htm 3
  • 6. 6 Para que una reacción tenga lugar… energía de reactivos y productos, teoría de colisiones y estado de transición. Además CINETICA DE LA REACCIÓN (puede tener lugar pero ser muy lenta, EA muy elevada) http://agrega.juntadeandalucia.es/repositorio/30042010/e9/es-an_2010043013_9115511/ODE-1c405141-ad4e-39e4-93f6-2935d376f892/4_energa_en_las_reacciones_qumicas.html https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fchemamartin.files.wordpress.com%2F2020%2F12%2Ftema-3_20_21-1.pdf&psig=AOvVaw0VnTJLB8-fLYwBv-unS9- X&ust=1668721969255000&source=images&cd=vfe&ved=0CBAQjRxqFwoTCKDH5fjXs_sCFQAAAAAdAAAAABAS Estado de transición Estado de transición Estado de transición
  • 7. 7 Ejemplo de estado de transición: Organic Chemistry, 7th Ed. L.G. Wade
  • 8. 8 En los sistemas biológicos, las reacciones aumentan considerablemente su velocidad de reacción gracias a las enzimas Modifican el mecanismo de reacción: estados de transición de menor energía
  • 9. 9 v= - 1 a d[A] dt = - 1 b d[B] dt = 1 e d[E] dt = 1 F d[F] dt Velocidad de reacción: aA + bB + …. → eE +fF+…… Reacción homogénea unidades : mol/L·s ¿qué significan los signos negativos? https://www.google.com/url?sa=i&url=http%3A%2F%2Fwww.webquestcreator2.com%2Fmajwq%2Fver%2Fver%2F41487&psig=AOvVaw2iSaVqiS3MW_HFr9s3wd1 8&ust=1668724319571000&source=images&cd=vfe&ved=0CBAQjRxqFwoTCLCh9Nfgs_sCFQAAAAAdAAAAABAc
  • 10. 10 Actividad de aula 1. Proponer la expresión de la velocidad de reacción para las siguientes reacciones N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) 2NOBr(g) → 2NO(g) + Br2(g)
  • 11. 11 ✓ Es una expresión de la velocidad en función de las concentraciones a una temperatura dada ✓ Se determina experimentalmente ✓ Se debe escribir la constante y las concentraciones de los reactivos Constante cinética o coeficiente de velocidad. Depende de la T fundamentalmente. Sus unidades dependerán del orden de la reacción. v= k A [ ] a B [ ] b C [ ] g Ordenes parciales. Generalmente números enteros o semienteros. Se dice la reacción respecto a uno de los reactivos. NO coinciden, en general, con los coeficientes estequiométricos. En caso de hacerlo estamos ante una reacción elemental. El orden total de la reacción es la suma de los órdenes parciales
  • 12. 12 Actividad de aula 2. Deduce cuál es el orden respecto de cada reactivo y el orden global de la reacción en cada uno de los siguientes casos: 3NO (g) → N2O(g) + NO2(g) v= k NO [ ] 2 H2O2 (ac) + 3I- (ac) +2H+(ac) → 2H2O(l) + I3 - v= k H2O2 [ ] I- é ë ù û 2NO (g) + O2 (g) → 2 NO2(g) v= k NO [ ] 2 O2 [ ]
  • 13. 13 Actividad de aula 3: La ecuación de velocidad v=k[NH4 +][NO2 -] corresponde a la reacción: NH4+ (ac) + NO2 - (ac) → N2 (g) + 2H2O(l) Calcula la velocidad de la reacción a 25ºC cuando [NH4 +]=0,026 mol·L-1 y [NO2 -]=0,08 mol·L-1, sabiendo que la constante de velocidad, K, a esa temperatura vale 3·10-4 L·mol-1·s-1
  • 14. 14 Reacción simple (elemental) Reacción compleja Una etapa Varias etapas (mecanismo de reacción) Órdenes parciales = coeficientes estequiométricos Intermedios de reacción
  • 15. 15 ✓ Es el número de moléculas de reactivo que participan en una reacción elemental ✓ Pueden ser uni, bi o trimoleculares Unimoleculares Bimoleculares Trimoleculares A® B+C A® B A+ B® C A+ B® C+ D 2A® B 3A® C A+ B+C ® D 2A+ B® C
  • 16. 16 Ejemplos de reacciones unimoleculares C H3 CH2 CH3NC CH3CN 2 C2H4 C2H5· C2H4 + H·
  • 17. 17
  • 18. 18 v= A [ ] 2 B [ ] A + B → P Si [B]>>>>[A], la [B] será constante a lo largo de la reacción y por lo tanto se puede incluir dentro de una constante por lo que la reacción sería de pseudoorden 2. v= k´ A [ ] 2 k´= k B [ ]
  • 19. 19 ▪ Reacciones de orden cero ▪ Reacciones de orden uno Integración de las ecuaciones cinéticas [A]-[A]0 = -ka·t aA productos v= - 1 a · d[A] dt v= k La ecuación de velocidad será: - 1 a · d[A] dt = k d[A]= -a·k·dt d[A] [A]0 [A] ò = - ka·dt 0 t ò Orden 0 Los productos se forman en cantidades constantes e independientes de [Reactivos]
  • 20. 20 [A]-[A]0 = -ka·t [A]0 2 -[A]0 = -ka·t1/2 - [A]0 2 = -ka·t1/2 t1/2 = [A]0 2·ka Tiempo que tarda la concentración de reactivo en reducirse a la mitad de su valor inicial Depende de la concentración inicial (directamente proporcional) Orden 0 Tiempo de vida media (reducción a la mitad)
  • 21. 21 ✓ Parches transdérmicos ✓ Administración anestésicos vía inhalatoria (halotano) Procesos dependientes de liberación (EV) Orden 0 Procesos
  • 22. 22 Physicochemical principles of pharmacy.. A. Florence and D. Attwood. 4º Ed. Pharmaceutical Press. 2009 Ejemplo: Hidrólisis de suspensión de ácido acetilsalicílico Orden 0
  • 23. 23 Orden 1 aA productos v= - 1 a · d[A] dt v= k· A [ ] La ecuación de velocidad será: - 1 a · d[A] dt = k· A [ ] d[A] A [ ] = -a·k·dt d[A] A [ ] [A]0 [A] ò = - ka·dt 0 t ò Ln[A]- Ln[A]0 = -ka·t [A]=[A]0 e-ka ·t
  • 24. 24 t1/2 = Ln2 ka Ln[A]- Ln[A]0 = -ka·t Tiempo que tarda la concentración de reactivo en reducirse a la mitad de su valor inicial NO depende de la concentración inicial Ln [A]0 2 - Ln[A]0 = -ka·t1/2 Ln 1 2 = -ka·t1/2 t1/2 = 0,693 ka Orden 1 Tiempo de vida media (reducción a la mitad)
  • 25. 25 Difusión pasiva de fármacos Velocidad de crecimiento de microorganismos Descomposición fase sólida o en suspensión Orden 1 Procesos de primer orden
  • 26. 26 Tipo 1: Reacción: aA Productos Integración de las ecuaciones de velocidad REACCIONES DE SEGUNDO ORDEN    2 1 A k t A a v =   − =     t k A A a + = 0 1 1   A 1  0 1 A Pendiente = ka   A 1  0 1 A Pendiente = ka   A 1  0 1 A Pendiente = ka
  • 27. 27 Tipo 1: Reacción: aA Productos Integración de las ecuaciones de velocidad REACCIONES DE SEGUNDO ORDEN     2 0 A A =     2 / 1 0 0 1 2 t k A A a + =  0 2 1 1 A k t a =
  • 28. 28 aA + bB Productos t=0 [A]0 [B]0 t [A]0 – x [B]0 – (b/a)x Tipo 2: Reacción: aA +bB Productos Integración de las ecuaciones de velocidad REACCIONES DE SEGUNDO ORDEN      B A k t A a v =   − = 1
  • 29. 29 Actividad de aula 4. Se obtuvieron los siguientes datos para la hidrólisis de la homatropina en 0,226 M de HCl a 90ºC. Determine la constante de velocidad y el tiempo de reducción a la mitad (sabiendo que es un proceso de orden 1) Porcentaje de homatropina remanente 93,4 85,2 75,9 63,1 52,5 41,8 t (h) 1,38 3 6 8,6 12 17
  • 30. 30 Porcentaje de homatropina remanente 93,4 85,2 75,9 63,1 52,5 41,8 Ln % 4,54 4,45 4,33 414 3,96 3,73 t (h) 1,38 3 6 8,6 12 17 Calcular el Ln del porcentaje de homatropina remanente y representar: Ln porcentaje homatropina Tiempo (h) y = -0,0525x+4,61 m= Ln63,1- Ln93,4 8,6 -1,38 = -0,39 7,22 = -0,054 Calculo de la pendiente: Determinación constante de velocidad: Ka=0,054 h-1 t1/2 = Ln2 ka = Ln2 0,054 =12,76h Determinación vida media:
  • 31. 31 ÍNDICE - Cinética o Integración de ecuaciones cinéticas ▪ Reacciones de orden cero ▪ Reacciones de orden uno ▪ Reacciones de orden dos o Reacciones enzimáticas ▪ Ecuación de Michaelis-Menten ▪ Parámetros Km y Vmax o Estrategias para la obtención experimental de ecuaciones cinéticas ▪ Método de integración ▪ Método de aislamiento o Influencia de la temperatura ▪ Ecuación de Arrhenius ▪ Estabilidad térmica de fármacos o Mecanismos de reacción ▪ Aproximación de la etapa limitante ▪ Aproximación del estado estacionario ▪ Ejemplos
  • 32. 32 Velocidad [s] ✓ Al principio la velocidad se incrementa con el aumento de [S] ✓ Al final se va estabilizando hasta dar un valor constante mediante un comportamiento de tipo asintótico (Vmax) ✓ Hipérbola rectangular v= vmax ·[S] KM +[S] Ecuación Michaelis-Menten
  • 33. 33 La ecuación de Michaelis-Menten se puede reordenar para adecuarla a una recta: Lineweaver Burk Eadie-Hofstee Hanes - Más utilizada - Distribuye los puntos de manera poco uniforme - Tiende a dar más importancia a los puntos de menor concentración (más inexactos) - Distribución más uniforme - Más aconsejable - Detecta posibles desviaciones de la linealidad - No distribuye los puntos tan uniformemente como Eadie-Hofstee pero lo hace mejor que Lineweaver- Burk - Da más importancia a los puntos de mayor concentración (más exactos) 1 v = 1 vmax + km vmax 1 [S] v= vmax -km v [S] [S] v = km vmax + 1 vmax [S]
  • 34. 34 Actividad de aula 5. La enzima α-quimotripsina es secretada por el páncreas en mamíferos y escinde los enlaces peptídicos entre ciertos aminoácidos. Se han preparado varias disoluciones que contienen el péptido N-glutaril-L-fenilalanina-p-nitroanilina a diferentes concentraciones y se ha añadido una pequeña cantidad de la enzima. Se han obtenido los siguientes datos de velocidades iniciales. Determine los valores de la velocidad máxima y la constante de Michaelis para la reacción. [S]o/(mmol/L) 0,334 0,450 0,667 1,00 1,33 1,67 V (mmol/L·s) 0,152 0,201 0,269 0,417 0,505 0,667
  • 35. 35 [S]o/(mmol/L) 0,334 0,450 0,667 1,00 1,33 1,67 V (mmol/L·s) 0,152 0,201 0,269 0,417 0,505 0,667 1/[S]o 2,99 2,22 1,50 1,00 0,75 0,60 1/V 6,58 4,98 3,72 2,40 1,98 1,50 y = 2,0926x + 0,3629 R² = 0,9964 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 1/v 1/[S] Lineweaver-Burk: Vmax= 2,76 mmol/L·s Km=5,76 mmol/L
  • 36. 36 ÍNDICE - Cinética o Integración de ecuaciones cinéticas ▪ Reacciones de orden cero ▪ Reacciones de orden uno ▪ Reacciones de orden dos o Reacciones enzimáticas ▪ Ecuación de Michaelis-Menten ▪ Parámetros Km y Vmax o Estrategias para la obtención experimental de ecuaciones cinéticas ▪ Método de integración ▪ Método de aislamiento o Influencia de la temperatura ▪ Ecuación de Arrhenius ▪ Estabilidad térmica de fármacos o Mecanismos de reacción ▪ Aproximación de la etapa limitante ▪ Aproximación del estado estacionario ▪ Ejemplos
  • 37. 37 Se realizan representaciones gráficas y se selecciona aquella que tenga un mejor ajuste lineal Orden cero Orden uno Orden dos Orden tres Orden n v= k· A [ ] n Método de integración
  • 38. Primera serie Segunda serie Serie n Determinar valor α Determinar valor β Determinar valor λ Exceso de [B] y [C] Exceso de [A] y [C] Exceso de [A] y [B] Reacción de pseudoorden α Reacción de pseudoorden β Reacción de pseudoorden λ 38 aA +bB + cC productos Se basa en aislar uno de los reactivos, colocando los demás en gran exceso. Se determina el orden de reacción respecto a ese componente. v= k·[A]a [B]b [C]g k´= k·[B]b [C]g v= k´· A [ ] a k´´= k·[A]a [C]g v= k´´·[B]b k´´´= k· A [ ] a [B]b v= k´´´·[C]g Método de aislamiento
  • 39. 39 ÍNDICE - Cinética o Integración de ecuaciones cinéticas ▪ Reacciones de orden cero ▪ Reacciones de orden uno ▪ Reacciones de orden dos o Reacciones enzimáticas ▪ Ecuación de Michaelis-Menten ▪ Parámetros Km y Vmax o Estrategias para la obtención experimental de ecuaciones cinéticas ▪ Método de integración ▪ Método de aislamiento o Influencia de la temperatura ▪ Ecuación de Arrhenius ▪ Estabilidad térmica de fármacos o Mecanismos de reacción ▪ Aproximación de la etapa limitante ▪ Aproximación del estado estacionario ▪ Ejemplos
  • 40. k= A·e - Ea RT ✓ Ea es la energía de activación de Arrhenius ✓ e^(-Ea/RT) es el factor de Boltzman, que representa la fracción de moléculas que tienen una energía mayor o igual a la Ea ✓ A: factor de frecuencia ✓ R es la constante de los gases ideales (8,314 J/K·mol) ✓ T es la temperatura Lnk= LnA- Ea R·T 40 Ecuación de Arrhenius
  • 41. 41 Arrhenius también pensó que la influencia de la temperatura en la constante (k) sería del mismo tipo que en las constantes de equilibrio: DHo RT2 = dLnkp dT dT dLnk RT E 2 a =   = 2 a T dT R E dLnk LnA RT E Lnk a + − = Si se integra: k= A·e - Ea RT ➢ Una reacción Ea grande → K pequeña → reacción lenta ➢ Una reacción Ea pequeña→ K grande→ reacción rápida ➢ Una reacción Ea grande → K aumenta rápidamente con T ➢ Una reacción Ea pequeña → K aumenta lentamente con T
  • 42. Ln k2 k1 =- Ea R 1 T2 - 1 T1 é ë ê ù û ú 42 A partir de la ecuación de Arrhenius, se pueden relacionar dos constantes cinéticas con dos temperaturas diferentes: Al restar… Relación de dos constantes cinéticas con dos temperaturas diferentes
  • 43. Actividad de aula 6. Los siguientes datos fueron determinados para las constantes de acidez catalíticas específicas de un fármaco antiinflamatorio. Determine gráficamente: a) La constante de velocidad de catálisis ácida a 25ºC b) La energía de activación 43 T (ºC) k (L/mol·s) 95 8150 90 4850 85 2760 75 1020 65 290
  • 44. 44 y = -13700x + 46,213 R² = 0,9991 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 0,0027 0,0028 0,0028 0,0029 0,0029 0,0030 0,0030 Ln K 1/T T (ºC) T (K) k (L/mol·s) Ln K 1/T 95 368,15 8150 9,0058 0,0027 90 363,15 4850 8,4867 0,0028 85 358,15 2760 7,9230 0,0028 75 348,15 1020 6,9276 0,0029 65 338,15 290 5,6699 0,0030 k25= 1,30 L/mol·s Ea=113,9 kJ/mol LnA RT E Lnk a + − =
  • 45. 45 Cuanto mayor es la T mayor es la frecuencia de los choques intermoleculares y mayor es su energía, lo que explica que la velocidad de reacción aumente con la T. + Reactivos Complejo activo Productos Interpretación de Ea
  • 46. 48 ÍNDICE - Cinética o Integración de ecuaciones cinéticas ▪ Reacciones de orden cero ▪ Reacciones de orden uno ▪ Reacciones de orden dos o Reacciones enzimáticas ▪ Ecuación de Michaelis-Menten ▪ Parámetros Km y Vmax o Estrategias para la obtención experimental de ecuaciones cinéticas ▪ Método de integración ▪ Método de aislamiento o Influencia de la temperatura ▪ Ecuación de Arrhenius ▪ Estabilidad térmica de fármacos o Mecanismos de reacción ▪ Aproximación de la etapa limitante ▪ Aproximación del estado estacionario ▪ Ejemplos
  • 47. Physical chemistry. Atkins; de Paula. . A. Freeman and Company. 2006 49 A B k1 K-1 C k2 K-2 D k3 K-3 ✓ El mecanismo consta de una o más reacciones reversibles cercanas al equilibrio seguidas de una etapa limitante relativamente lenta ✓ Existe un cuello de botella ✓ La ecuación cinética observada dependerá de la naturaleza del equilibrio que precede la etapa limitante y esta propia etapa
  • 48. 50 A B k1 K-1 C k2 K-2 D k3 K-3 Etapa limitante B → C k-1 >> k2 ✓ ¿Cómo será la velocidad de B a C comparada con B a A? ✓ ¿Qué les ocurren a las constantes k3, k2 y k-2? ✓ ¿Quién es el cuello de botella?
  • 49. 53 Aproximación de la etapa lenta También se llama etapa limitante. Esta aproximación se aplica a mecanismo que cumplan las siguientes condiciones. •Formado por etapas elementales reversibles que están en equilibrio la mayor parte del tiempo •Esas etapas van seguidas de una etapa lenta que determina la velocidad de la reacción global •La etapa lenta va seguida de una o varias etapas rápidas •La única premisa indispensable es la 2, las 1 y 3 pueden omitirse. ¿Cómo obtener la ecuación cinética de una reacción a partir de su mecanismo de reacción?
  • 50. 54 ¿Cómo obtener la ecuación cinética de una reacción a partir de su mecanismo de reacción? Aproximación del estado estacionario En los mecanismos de reacción, generalmente aparecen especies intermedias que no aparecen en las ecuaciones globales y son muy reactivas, tal y como se forman tienden a reaccionar y no se acumulan en cantidades importantes a lo largo de la reacción. La velocidad de reacción del intermedio reactivo se desprecia. t (s) [] (mol/l) [Producto] [Reactivo] [Intermedio]
  • 51. 55 Propuesta de mecanismos de reacción Reglas de ayuda en la propuesta de mecanismo Si aplicamos la aproximación de la etapa lenta: 1.- Si la ecuación de velocidad es        =   B A k v y , ,··· son números enteros positivos, la composición total de los reactivos, es decir, el número total de los átomos de reactivos de cada tipo y su carga, en la etapa limitante o lenta de velocidad es A+B+····. No conocemos cómo se agrupan esos átomos pero sí el número total. 2.- Si la ecuación de velocidad es              N M B A k v    = y , , , ··· son números enteros positivos, la composición total de los reactivos, es decir, el número total de los átomos de reactivos de cada tipo y su carga, en la etapa limitante o lenta de velocidad es A+B-M- N ···· y además, las especies químicas M y N son los productos de equilibrio de la etapa anterior a la etapa lenta.
  • 52. 56 Propuesta de mecanismos de reacción 3.- Si en la ecuación de velocidad aparece la concentración de un reactivo con orden parcial ½, en el mecanismo, la especie ha de desdoblarse en dos sustancias en una reacción anterior a la lenta. 4.- Si en una reacción química, el coeficiente estequiométrico de un reactivo es mayor que el orden parcial de ése reactivo en la ecuación cinética de velocidad, el mecanismo de reacción ha de tener como mínimo una etapa después de la etapa lenta, donde el reactivo actuará como el propio reactivo de la etapa elemental.
  • 53. 57 Propuesta de mecanismos de reacción Si aplicamos la aproximación del estado estacionario: Si la ecuación cinética tiene un denominador con sumas y no podemos deducir cuál es el orden con respecto a las distintas especies, es mucho mejor aplicar la aproximación del estado estacionario que la de la etapa lenta. Una suma de términos en el denominador indica que el mecanismo tiene uno o varios intermedios.
  • 54. 58 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN ELECTRÓFILO: sustancia capaz de aceptar densidad electrónica (ganas de electrones, de densidad de carga -) o ceder protones. Ácido de Lewis NUCLEÓFILO: sustancia capaz de aceptar protones (ganas de protones, de densidad de carga +) o ceder densidad electrónica. Base de Lewis Organic Chemistry, 7th Ed. L.G. Wade
  • 55. 59 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN C C H GS:- Nuc C C H GS:- Nuc C C H GS Nuc:- - + + Centro electrófilo ELIMINACIÓN SUSTITUCIÓN
  • 56. 60 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN CH3CH2CH2CH2Br + NaI CH3CH2CH2CH2I + NaBr ? ? ? Algunas reacciones … y y
  • 57. 61 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN S-adenosilmetionina (SAM) O O – S CH3 NH3 + metionina grupo saliente O O H OH N N N N NH2 S + C H3 O N H3 + OH P O – O – O O P O – O P O – O O O O H OH N N N N NH2
  • 58. 62 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN O O H OH N N N N NH2 S + C H3 O N H3 + OH O O H OH N N N N NH2 S + C H3 O N H3 + OH O H O H NH2 OH O H O H N H OH CH3 SAM SAM Noradrenalina Adrenalina + SAM
  • 59. 63 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN O O H OH N N N N NH2 S + C H3 O N H3 + OH SAM O O H OH N N N N NH2 S + C H3 O N H3 + OH N H2 NH O – O NH N H2 N O – O NH C H3 Glicociamina Creatina + SAM
  • 60. 64 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN SN2 Las evidencias experimentales indican que la reacción transcurre en un solo paso, es decir, concertada. Al duplicar la concentración de alguno de los reactivos, la velocidad de reacción se duplica. La ecuación de velocidad para esta reacción es en este caso proporcional a la concentración de ambos reactivos.    − = OH I CH k v 3 Evidencia experimental. Mecanismo y velocidad de reacción
  • 61. 65 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN Organic Chemistry, 7th Ed. L.G. Wade
  • 62. 66 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN SN1 Las evidencias experimentales indican que la reacción transcurre en varios pasos intermedios Como productos de reacción se obtienen tercbuil metil eter, catión metiloxonio y anión bromuro Los disolventes de elevada constante dieléctrica favorecen la reacción La ecuación de velocidad para esta reacción es en este caso proporcional a la concentración de haluro de alquilo.   CBr CH k v 3 3 ) ( = C H3 CH3 CH3 Br + C H3 OH
  • 63. 67 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN SN1 ( )   CBr CH k v 3 = Importante: la suma de las etapas elementales da lugar a la reacción global Organic Chemistry, 7th Ed. L.G. Wade
  • 64. 68 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN Comparación de la energía del estado de transición entre los dos mecanismos
  • 65. 69 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN Experimentalmente se ha comprobado que la reacción de sustitución de un haluro de alquilo por un nucleófilo es más lenta cuando el haluro de alquilo es secundario que si es primario. Además, si no hay disolventes polares en el reactor, no funciona en absoluto si el haluro de alquilo es terciario. Competencia de mecanismos entre las reacciones de sustitución
  • 66. 70 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN Organic Chemistry, 7th Ed. L.G. Wade
  • 67. 71 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN Energía del estado de transición en una reacción SN2 dependiendo del tipo de haluro de alquilo
  • 68. 72 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN Haluro de alquilo terciario Haluro de alquilo primario SN2 SN1 SN1 SN2 Organic Chemistry, 7th Ed. L.G. Wade
  • 69. 73 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN Organic Chemistry, 7th Ed. L.G. Wade Dependiendo de las condiciones de reacción y de los reactivos podrá tener lugar la reacción de eliminación de primer orden (E1) o de segundo orden (E2).
  • 70. 74 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN Reacciones de eliminación unimolecular E1: Simultáneas a la SN1
  • 71. 75 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN Mecanismo E1
  • 72. 76 EJEMPLOS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y ELIMINACIÓN Mecanismo E2: En el estado de transición ni el grupo saliente ni el H han salido completamente del sustrato ni se ha formado el doble enlace aun. La velocidad de reacción es similar al mecanismo SN2.