6.7 : Reacción SN2: Cinética

Estudios cinéticos y significado.

En una reacción química, existe una relación entre la concentración de reactivos y la velocidad a la que se desarrolla la reacción. El estudio para medir esta relación se conoce como cinética de una reacción química. Los estudios cinéticos se utilizan para deducir la ley de velocidad de una reacción química, que proporciona información sobre las especies involucradas durante el estado de transición del paso determinante de la velocidad. Por tanto, los estudios cinéticos ayudan a derivar el mecanismo de una reacción.

Estudios cinéticos: ¿cómo medir la tasa?

Una reacción química se desarrolla a cierta velocidad a una temperatura, presión y disolvente determinados. La velocidad de una reacción sólo puede identificarse experimentalmente. Para ello se mide la velocidad a la que desaparecen los reactivos o la velocidad a la que aparecen los productos en la mezcla de reacción. En intervalos de tiempo específicos, se retiran alícuotas de la mezcla de reacción y se analizan para determinar la concentración de los reactivos o los productos formados. Además, mientras se mantienen iguales la temperatura y las condiciones del disolvente, se varía la concentración inicial de la reacción para observar el efecto sobre la velocidad de la reacción.

Reacciones y cinética de sustitución nucleofílica

En la década de 1930, los químicos británicos Sir Christopher Ingold y Edward D. Hughes estudiaron la cinética de velocidad de varias reacciones de sustitución para comprender el probable mecanismo de las reacciones de sustitución nucleofílica. Observaron que una reacción de sustitución nucleofílica de un haluro de alquilo se producía mediante dos mecanismos posibles: en un solo paso o en dos pasos.

Para reacciones específicas, como el clorometano y el hidróxido de sodio, la velocidad de reacción dependía de la concentración tanto del nucleófilo como del haluro de alquilo. En concreto, observaron que cuando se duplicaba la concentración de cualquiera de los reactivos, la velocidad de reacción se duplicaba. Además, cuando se duplicó la concentración de ambos reactivos, la tasa aumentó cuatro veces, como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. Estudio de velocidad de la reacción entre clorometano e iones hidróxido a 60 °C

Tableau 1. Étude de vitesse de la réaction entre le chlorométhane et les ions hydroxyde à 60 °C

Número de experimento	Inicial      [CH3Cl]	Initial      [HO−]	Tarifa inicial (mol L−1s−1)
1	0.0010	1.0	4.9 × 10⁻7
2	0.0020	1.0	9.8 × 10⁻7
3	0.0010	2.0	9.8 × 10⁻7
4	0.0020	2.0	19.6 × 10⁻7

Por lo tanto, se encontró que la ecuación de tasa era:

Tasa ∝ [CH₃Cl][HO⁻]

Esto muestra que la tasa es de primer orden con respecto a la concentración de cada reactivo y de segundo orden en general.

Reacciones y cinética del S_N2

• La cinética de la reacción anterior sugiere que para que se produzca la sustitución, el nucleófilo y el haluro de alquilo chocan en un solo paso para formar el producto.
• Se dice que la molecularidad de tales reacciones es bimolecular, ya que en el paso limitante de la velocidad intervienen dos especies.
• Por lo tanto, la reacción entre el clorometano y el hidróxido de sodioes una reacción S_N2, donde S significa sustitución, N significa nucleófila y 2 significa reacción bimolecular.