KONTROL KINETIKA DAN KONTROL TERMODINAMIKA DALAM SINTESIS SENYAWA ORGANIK

Dalam beberapa situasi, reaksi dapat berlanjut ke dua atau lebih jalur membentuk dua produk yang berbeda. Meskipun sedikit sulit untuk dipahami, namun ada keuntungan tertentu dari reaksi yang memiliki beberapa jalur reaksi. Dimana kita dapat memanipulasi suhu lingkungan reaksi untuk mendukung satu produk pada satu suhu, dan produk lain pada suhu yang berbeda, memungkinkan hasil reaksi yang lebih beragam.

Kinetika mengacu pada laju reaksi atau seberapa cepat reaksi akan berlangsung. Kinetika tidak memberi tahu berapa banyak produk yang dihasilkan.  Termodinamika mengacu pada energi relatif reaktan dan produk atau konsentrasi reaktan dan produk pada kesetimbangan Termodinamika tidak akan memberi tahu laju reaksi. Ketika reaksi memiliki dua jalur yang bersaing, satu produk adalah produk termodinamika dan yang lainnya adalah produk kinetik. Produk termodinamika lebih stabil tetapi membutuhkan energi aktivasi yang lebih besar untuk diproduksi. Produk kinetiknya kurang stabil tetapi memiliki energi aktivasi yang lebih rendah.

Hasil potensial dari suatu reaksi biasanya dipengaruhi oleh dua faktor:

• 1.     stabilitas relatif produk (yaitu faktor termodinamika)
• 2.     laju pembentukan produk (yaitu faktor kinetik)

Dalam reaksi yang ditunjukkan, jalur untuk menghasilkan C+D disukai secara kinetik. Lebih disukai secara kinetik karena energi yang dibutuhkan untuk membentuk C+D lebih rendah daripada energi untuk membentuk E+F. Karena energi aktivasi yang dibutuhkan untuk dari C+D lebih kecil maka laju pembentukan C+D lebih besar dari E+F.  E+F disukai secara termodinamika karena C+D berada pada energi potensial yang lebih rendah

Jadi, untuk sebagian besar reaksi kita dapat mengatakan bahwa laju pembentukan produk yang lebih stabil akan lebih cepat daripada pembentukan produk yang kurang stabil Hal ini karena produk yang lebih stabil mengikuti jalur yang memiliki keadaan transisi energi lebih rendah yang lebih stabil dan akan  memiliki penghalang energi atau energi aktivasi yang lebih kecil

Apa yang terjadi pada rasio produk jika penghalang energi untuk membentuk produk yang lebih stabil lebih besar daripada penghalang energi untuk membentuk produk yang kurang stabil?

Perhatikan baik-baik reaksi ini dan dua jalur dalam reaksi kesetimbangan ini. E+F disukai secara kinetik karena memiliki daya aktivasi yang lebih tinggi. Dan jalur untuk menghasilkan C+D secara termodinamika disukai karena produk C+D memiliki energi potensial yang lebih rendah.

Sangat menarik bahwa ketika kita melakukan eksperimen ini pada suhu yang lebih rendah, produk utamanya adalah E+F. Pada suhu yang lebih tinggi, produk utamanya adalah C+D. Pada suhu yang lebih rendah.  lebih sedikit molekul memiliki energi kinetik yang cukup untuk mengatasi energi aktivasi untuk menghasilkan C+D oleh karena itu reaksi untuk menghasilkan E+F lebih disukai karena memiliki energi aktivasi yang lebih rendah Kondisi ini menghasilkan lebih banyak produk E+F yang kurang stabil secara termodinamika. Reaksi ini dikatakan berada di bawah kendali kinetik.

C+D diproduksi dalam hasil yang lebih besar pada suhu yang lebih tinggi, meskipun produk E+F akan terbentuk lebih cepat, beberapa molekul A+B juga akan memiliki energi kinetik yang cukup untuk mengatasi energi aktivasi yang lebih tinggi, yang mengarah pada pembentukan beberapa produk C+D yang lebih stabil.  energi aktivasi untuk reaksi balik pembentukan C+D sangat besar, sehingga sekali C+D terbentuk kemungkinan tidak akan diubah kembali menjadi A+B. Di sisi lain, energi aktivasi untuk reaksi balik dalam pembentukan E+F tidak sebesar itu dan, oleh karena itu, reaksi balik akan mudah terjadi pada suhu yang lebih tinggi. Jadi, dari waktu ke waktu pada suhu yang lebih tinggi.  konsentrasi kesetimbangan akan tercapai yang mendukung pembentukan C+D. Reaksi ini dikatakan berada di bawah kendali termodinamika.

Berdasarkan rumus konstanta laju reaksi, energi aktivasi berbanding terbalik dengan laju reaksi. Ketika suatu reaksi memiliki energi aktivasi lebih sedikit, produk kinetik akan terbentuk lebih cepat daripada produk termodinamika. Namun, untuk sementara produk termodinamika terbentuk lebih lambat, karena energinya jauh lebih rendah daripada produk kinetik. Ketika molekul memiliki energi yang lebih rendah, molekul tersebut jauh lebih stabil dan kecil kemungkinannya untuk kembali menjadi reaktanatau irreversible. Singkatnya, kita dapat mengatakan bahwa produk kinetik terbentuk lebih cepat, tetapi produk termodinamika lebih stabil dan tahan lama.

Kita sekarang perlu mempertimbangkan bagaimana hasil dari situasi ini berubah dengan reaksi bersaing dari bahan awal saat kita mengubah suhu reaksi dan oleh karena itu energi rata-rata molekul berubah.

1. Pada suhu rendah, energi rata-rata molekul rendah dan lebih banyak molekul memiliki energi aktivasi silang yang cukup energi EA1 daripada EA2. Oleh karena itu reaksi lebih disukai berlangsung di sepanjang jalur hijau ke P1. Reaksi tidak reversibel karena molekul kekurangan energi yang cukup untuk membalikkan ke SM, yaitu ireversibel, sehingga rasio produk reaksi ditentukan oleh laju pembentukan P1 dan P2, k1: k2.

2. Pada suhu yang sedikit lebih tinggi, reaksi 1 akan menjadi reversibel ketika molekul yang memiliki energi yang cukup untuk melintasi penghalang reaksi balik untuk reaksi 1, sedangkan reaksi 2 tetap ireversibel. Jadi meskipun P1 mungkin terbentuk pada awalnya, seiring waktu ia akan kembali ke SM dan bereaksi untuk memberikan P2 yang lebih stabil.

3. Pada suhu tinggi, kedua reaksi 1 dan 2 adalah reversibel dan rasio produk dari reaksi ditentukan oleh konstanta kesetimbangan untuk P1 dan P2, K1 : K2.

Berdasarkan hal tersebut, kita dapat melakukan manipulasi kondisi reaksi sehingga mendapatkan produk yang kita inginkan. Ingat bahwa produk kinetik memiliki energi aktivasi yang lebih rendah untuk terbentuk, sehingga pembentukan produk ini relatif menguntungkan dalam kondisi energi rendah. Produk termodinamika memiliki energi aktivasi yang lebih tinggi, sehingga pembentukan produk ini relatif menguntungkan dalam kondisi energi tinggi. Kita dapat mendukung pembentukan produk kinetik dengan mengurangi energi sistem reaksi, yang dapat dicapai dengan mengurangi suhu reaksi. Sebaliknya, dengan menjalankan reaksi pada suhu yang lebih hangat, lebih banyak energi ditambahkan ke dalam sistem dan memungkinkan keadaan transisi energi tinggi produk termodinamika dapat diatasi.

Sebagai contoh :

Setiap reaksi dimulai dengan diena A, dan kemudian berlangsung melalui keadaan transisi (B) untuk membentuk karbokation stabil resonansi C. , yang mengalami serangan melalui keadaan transisi D untuk menghasilkan produk akhir E.

Ketinggian setiap langkah dalam proses terkait dengan energi keseluruhannya.

Ketika suhu rendah, ada cukup energi untuk membentuk produk 1,2 – dan hanya itu. Rasio produk ditentukan oleh laju reaksi (yaitu ketinggian keadaan transisi D). Reaksi seperti itu dikatakan berada di bawah kendali kinetik.

Ketika suhu tinggi, ada cukup energi untuk membentuk produk 1,2- dan 1,4. Selanjutnya, reaksi untuk membentuk produk adalah reversibel (yaitu ada energi yang cukup untuk berpindah dari E → D dan kemudian kembali ke C. Dalam hal ini rasio produk ditentukan oleh stabilitas termodinamika relatif (yaitu ketinggian E). suatu reaksi dikatakan berada di bawah kendali termodinamika.

Permasalahan 

1. Berdasarkan contoh yang saya berikan dapat diketahui bahwa kontrolnya itu berkaitan dengan suhu, kenapa kontrol kinetika dan termodimika ini memiliki keterkaitan dengan suhu?

2. Bila dalam suatu kasus dimana bahan awal dapat mengalami dua reaksi berbeda yang tidak dapat dibalik/irreversible. Maka produk dengan kontrol seperti apa yang lebih melimpah?

3. Pada sintesis ester dari asam oksalat dan alkohol apakah reaksi pembentukan ester merupakan reaksi kesetimbangan? Lalu apakah dengan menggeser kesetimbangan kearah tertentu dapat membuat hasil yang diperoleh lebih tinggi?

Berikut ini link YouTube pemabahasan dari kelompok kami, yaitu Kelompok 2 :

https://youtu.be/j2L3av-rEQA

1.