Cinética: Cinética:

6/4/2013
Cinética:
Importancia
Ej. Carbono
A Temperatura y Presión ambiente (298.15 K y 1 atm)
El grafito es termodinámicamente más estable que el diamante
El cambio de fase diamante  grafito es un proceso espontáneo
Entonces….
?
¿
NO, el proceso es tan lento que ni siquiera podemos apreciarlo
Cinética:
Importancia
El DNA sufre daños oxidativos. Los organismos necesitan defensas contra esto.
El sistema de reparación enzimática es muy importante pero tiene 3 desventajas:
1‐ las enzimas reparadoras también pueden sufrir daños oxidativos
2‐ durante enfermedad y envejecimiento estas enzimas pierden su eficiencia reparadora
3‐ el proceso de reparación enzimática puede tomar horas mietras que el tiempo de vida media del DNA dañado puede ser de segundos (reacciones sucesivas, replica)
La reparación enzimática no siempre es suficiente.
Afortunadamente la reparación también puede realizarse químicamente por compuestos naturales o sintéticos (Ej: fenoles, dopamina, anilina, glutatión, etc).
El glutatión
El
glutatión puede reparar al DNA dañando
al DNA dañando
(radical) mediante transferencia de H del grupo tiol a velocidades controladas por
difusión, o sea suficientemente rápido para que ocurra antes de la réplica y porl lo tanto
previniendo daños permanentes al DNA. 1
6/4/2013
Cinética:
Conceptos generales
Para la reacción: A + 3B  2Z
Velocidad de reacción:
A  
d  A
dt
B  
Consumo de reaccionantes
d  B
dt
Z 
d Z 
dt
  k A B  
Formación de productos
1
3
1
2
 A  B  Z
La velocidad de reacción depende de la concentración de los reactivos y de los coeficientes estequeométricos
 No se puede decidir qué reacción es más rápida comparando directamente las
velocidades de reacción (a menos que se hayan llevado a cabo en las mismas
condiciones y que cumplan la misma relación estequeométrica)
Constante de velocidad:
  k  A  B  


No depende de las concentraciones de los reactivos por lo que se puede saber qué reacción es más rápida comparando
directamente las constantes de velocidad, siempre que las
condiciones de P, T sean las mismas.
Cinética:
Unidades:
s-1
m3 mol-1 s-1
L mol-1 s-1
cm3 molécula-1 s-1
Conceptos generales
Reacción elemental:
Ocurre en un solo paso, sin ningún intermediario detectable.
Cuando no se han detectado intermediarios se asume, tentativamente, que la reacción es elemental.
Contraejemplo:
H2 + I2  2HI
Rate Constant
I2  2I
I + H2  HI + H
H + I2  HI +I
((1))
(2)
(3)
Rate Coefficient
Molecularidad:
Número de partículas de reaccionantes (átomos, moléculas, iones o radicales libres)
i l
involucradas
d en cada
d evento
t químico
í i individual
i di id l (reacción
(
ió elemental).
l
t l)
(1) Molecularidad 1
(2) Molecularidad 2
(3) Molecularidad 2
Molecularidades >2 son muy raras y sugieren un mencanismo complejo
(más de una reacción elemental)
2
6/4/2013
Cinética:
Conceptos generales
Mecanismos complejos:
Reacciones Simultáneas o Paralelas:
k1
A+ B 
Y B y C compiten entre si por A, k2
A + C  Z Ambas pueden contribuir significativamente al consumo de A.
ktot = k1 + k2
Mide la desaparición de A
Reacciones Consecutivas:
k
k
1
2
A+ B 
Y
Z
el proceso involucra pasos consecutivos
Si el intermediario (Y) se acumula el paso más lento determinará la velocidad de todo el proceso y su k es la relevante. Si el intermediario (Y) no se acumula se utiliza la aproximación del estado ( )
p
estacionario para encontrar una expresión de la constante aparente. Reacciones en Equilibrio o Reversibles (opposing):
k
A + B 1 Y
el proceso ocurre en ambas direcciones,
No existe una expresión de k aparente
k-1
Y todas las combinaciones posibles entre ellas.
Cinética:
Mecanismos complejos:
Conceptos generales
Reacciones Consecutivas:
k1
k2
A 
 Y 
Z
Aproximación del estado estacionario (steady state):
Establece que en condiciones tales que la concentración del intermediario
sea siempre mucho menor que la concentración de los reaccionantes, [Y]
alcanzará rápidamente un valor que permanecerá prácticamente constante
durante todo el curso de la reacción.
Para k2>>k1:
d Y 
dt
0
Ejemplo:

d  A
 k 1 A
dt
d Y 
 k1  A  k2 Y 
dt
d Z 
 k2 Y 
dt
Estado estacionario:
d Y 
dt
0
0  k1  A  k2 Y 
k1  A  k2 Y 
d Z 
 k 1 A
dt
3
6/4/2013
Cinética:
Dependencia de (k vs. T)
Conceptos generales
k  f T 
Expresiones empíricas:
Ecuación de Arrhenius:
k  Ae  Ea / RT
A li d l
Aplicando logaritmos:
it
A: factor exponencial (depende de la temperatura)
R: constante de los gases (R=8.314472 J mol-1 K-1)
Ea: energía de activación
Gráfico de Arrhenius
Ea
lnk   ln A 
RT
No lineales,
lineales Ea f(T)
k  A´T m e  E0 / RT
A´, m, E0 : parámetros independientes de T
Ea constante
Derivando respecto a 1/T:
d lnk 
Ea

d 1 / T 
R
Svante Arrhenius
(1859-1927)
Premio Nobel, 1903
Ea  E0  mRT
B=E0
Ea varía con T
Cinética:
TST
Teoría del Estado de Transición Convencional (TST)
Eyring / Polanyi, 1935
Henry Eyring
(1901-1981)
Chihuahua, México
Michael Polanyi
(1891-1976)
Filosofía de la Ciencia
Eyring, H.; J. Chem. Phys. 1935, 3, 107.
M. G. Evans, M Polanyi, Trans. Faraday Soc. 1935, 31, 875
4
6/4/2013
Cinética:
Puede desarrollarse en términos macroscópicos:
Formulación termodinámica k
TST
Teoría del Estado de Transición Convencional (TST)
k BT G 0 / R k BT S 0 / R H 0 / RT

e
e
e
h
h
G  0  GTS0  GA0  GB0
O en términos moleculares:
Termodinámica estadística, funciones de partición
E
k
 0
q
k BT

e RT
h q A  qB 
TS = estructura que corresponde al máximo de la curva de mínima energía potencial que une a reaccionantes y productos (imprescindible para calcular barreras de reacción y modelar mecanismos)
E
 0 Para toda r
r
Para todas las r, 2E
 0 excepto una: la r 2
coord. de reacc.
1 cte. De fuerza negativa
1 frecuencia imaginaria
v 
1
2
A
m
Punto de Silla
5
6/4/2013
Punto de Silla
-Punto Estacionario (gradiente =0)
-Matriz de Constantes de Fuerza con un único valor propio
negativo (1 frecuencia imaginaria)
-Punto de mayor E potencial en la línea continua que
conecta reaccionantes y productos
-Punto de mínima E que cumpla las trea anteriores
Punto de
Silla
Cinética:
TS
Hipersuperficie en el espacio de
configuraciones que pasa por el
punto de silla y divide la
hipersuperficie de E potencial de
la reacción:
(Reaccionantes | Productos)
Teoría del Estado de Transición Convencional (TST)
TST
Aproximaciones Fundamentales: 1. Los sistemas moleculares que han superado la barrera energética en
dirección la los productos no pueden regresar a formar moléculas de
reaccionantes nuevamente (reacciones elementales directas).
Bottleneck, non‐recrossing
2. Se asume que aun cuando todo el sistema no esta en equilibrio, la
concentración de los complejos activados que van a convertirse en
productos puede ser calculada usando la teoría del equilibrio (existe un
cuasi‐equilibrio entre los reaccionantes y el complejo activado).
3. Es permisible separar el movimiento del sistema sobre la barrera de
cualquier otro movimiento asociado al complejo activado.
4. Una reacción química puede ser tratada en términos de movimiento
clásico sobre la barrera, ignorando los efectos cuánticos.
5. Las moléculas de reaccionantes se distribuyen en sus estados
energéticos según la distribución de Maxwell‐Boltzmann. El número de
moléculas en un estado de energía ei es proporcional a
e  i / kT
6
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Limitaciones de TST:
1.
Se requiere conocimiento suficientente exacto de la
superficie de energía potencial (PES) (limitacion general)
E
 0
k BT
q
k

e RT
h q A  qB 
Posibles Soluciones:
a) Cálculos de alto nivel
b) Procedimiento B//A
A: Optimización de geometrías y cálculo de
frecuencias
B: Energías (punto simple)
Ejemplo: CCSD(T)/6-311++G(d,p)//BH&HLYP/6-311G(d,p)
Cinética:
TST
Limitaciones de la TST: Aproximacion 1. No se tienen en cuenta los recruzamientos.
TST:
Sobreestima k si hay recruzamiento
Sobreestima el número de trayectorias que contribuyen a la reacción
S
Se considera un límite superior
id
lí i
i
R
e
a
c
c
i
o
n
a
n
t
e
s
P
r
o
d
u
c
t
o
s
7
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Cinética:
TST
Limitaciones de la TST: El retorno al valle de entrada es mucho más probable para aquellas colisiones que
involucran una energía mucho mayor que la requerida para superar la barrera de energía.
Para las reacciones químicas que ocurren en condiciones ordinarias, la mayoría de las
colisiones que llevan a la formación del complejo activado son las que involucran un
pequeño
p
q
exceso de energía
g p
por lo q
que la p
probabilidad de regreso
g
al valle de los
reaccionantes se hace realmente pequeña.
Este error es considerable si las reacciones tienen barreras muy pequeñas u ocurren a
altas temperaturas, pero esto es sólo una generalización, no se cumple siempre.
Solución al recruzamiento:
Incluir coeficiente de transmisión, k =1/2 para PES simétricas.
R li
Realizar el cálculo de la constante de velocidad empleando la teoría l ál l d l
t t d
l id d
l
d l t í
variacional del estado de transición (VTST)
D. G. Truhlar
Si existe el valor experimental para la constante de velocidad de la reacción a estudiar (o de otra de similar naturaleza) y se puede establecer que la kTST no está significativemente sobre‐estimada, esto es un indicio de que TST convencional es suficiente y no es necesario realizar cálculos VTST
Cinética:
TST
Limitaciones de la TST: Aproximación 4. Se asume que el movimiento del sistema sobre la barrera
puede tratarse como un movimiento clásico.
Solución:
kcuántica   kclásica
   tunel   refl
kcuántica   kclásica
 T    T   T 
Coeficiente de Transmisión
TUNELAJE:
Importante cuando la reacción involucra partículas de masa pequeña tunel : tiene en cuenta aquellos sistemas con energía menor que V
: tiene en cuenta aquellos sistemas con energía menor que V0, que pasan de que pasan de
reaccionantes a productos ( tunnel ≥ 1 ) refl : tiene en cuenta aquellos sistemas con energía mayor que V0, que NO pasan de reaccionantes a productos ( 0 < refl ≤ 1) En la mayoría de los casos, se asume =1 y  = 
Evidencias experimentales que sugieren la presencia de efecto túnel:
 Gráficos de Arrhenius que se desvían de la linealidad.
 Factores pre‐exponenciales muy bajos, especialmente a bajas temperaturas.
 Cocientes anormalmente altos entre las constantes de velocidad de sistemas
deuterados y no deuterados (efecto isotópico).
Simplificaciones a la hora de calcular la corrección de tunelaje:
 La barrera de energía potencial se considera unidimensional
 La masa de la partícula (m) es constante durante el proceso.
8
6/4/2013
Cinética:
TST
Correcciones de tunelaje: Barrera Parabólica:
‐Representación realista de la barrera cuando el tunel involucra solamente la parte superior de la misma
‐Permite obtener una expression exacta para el cálculo de la permeabilidad:
1
G
1 e
V0 W
hv 
‐Esta expresión puede integrarse sobre una distribución de Boltzmann para dar expresiones correspondientes a la corrección de tunelaje
‐El tratamiento de la coordenada de reacción como independiente de los otros movimientos es legítimo en la misma región donde la parábola aproxima aproxima a la PES unidimensional (en la vecindad del TS).
Cinética:
TST
Correcciones de tunelaje: Corrección de Wigner: Caso particular de barrera parabólica
1  h c  
 T   1  

24  k BT 
h : constante de Planck
v : frecuencia imaginaria del TS
kB : constante de Boltzman
T : temperatura (K)
Solo depende de ν≠ y T
- La energía potencial está definida por:
A - curvatura de la barrera:
Parábola Infinita
1
V ( x )   Ax 2
2
- Frecuencia imaginaria:
 
1
2
A
m
Ventaja: Aproximación simple.
Desventajas: En general subestima las correcciones de tunelaje
La forma de la barrera no es realista
9
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Cinética:
TST
Correcciones de tunelaje: V ( s) 
Corrección de Eckart:
ay

by
c
1  y  1  y 2
donde: a  V ( s   )  V ( s  )
b   2V0  a   2 V0 V0  a 
c   ERe act
s  s0
ye

Depende de ν≠ y T, pero también de m y V0
V0 : altura de la barrera (ZPE)
 ab
s0    ln 

ba
 
EReact : energía ZPE de cada reaccionante
≠ : frecuencia imaginaria del TS
2V0 V0  a 
    b
μ : masa reducida
a, b y  : parámetros
2
s0 : ubicación
bi ió del
d l máximo
á i
de
d V(s)
V( ) a lo
l largo
l
del eje x (se suele ubicar en x=0)
Ventajas: La forma de la barrera es realista (la primera)
Suficientemente buena en la mayoría de los casos.
Sólo necesita información de los puntos estacionarios de la MEP.
Desventajas: Aproximación no tan simple (requiere integración numérica y cómputo).
Correcciones sobre‐estimadas a bajas temperaturas.
Cinética:
TST
Correcciones de tunelaje: Multidimensional Tunneling (MT):
• Incluyen cuantización de la E de todos los modos vibracionales a lo largo del camino de
tunelaje (las frecuencias vibracionales correspondientes son funciones de la coordenada
de reacción)
Esto cambia la forma del potencial efectivo para el tunel.
• Incluyen cortes de esquina (corner cutting)
Esto hace al camino de tunelaje más corto que si siguiera estrictamente la MEP
El camino de tunelaje óptimo involucra un compromiso entre el largo del camino y el
potencial efectivo a lo largo de este.
Como consecuencia el camino de tunelaje óptimo queda en la parte cóncava de la MEP
(corta las esquinas)
ZCT (ZPE)
Small Curvature Tunneling (SCT)
Large Curvature Tunneling (LCT)
Corner cutting
10
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Cinética:
Correcciones de tunelaje: TST
Small Curvature Tunneling (SCT):
Los caminos de tunelaje están suficientemente cerca de la MEP por lo que sólo se necesitan puntos sobre ésta (pero no sólo los puntos estacionarios sino además
puntos no estacionarios.
Large Curvature Tunneling (LCT):
Involucra tunelaje en una
en una región ancha del espacio
del espacio de coordenadas
de coordenadas (llamado the
reaction swath) y requiere de información de E potencial en regiones lejanas a la MEP.
Cinética:
Correcciones de tunelaje: Small Curvature Tunneling (SCT):
Large Curvature Tunneling (LCT):
•información de la PES más allá de los estados estacionarios (VTST)
•en general es necesario realizar l
l
cálculos IRC •reconocer los puntos relevantes (relacionados con los cambios de curvatura) •realizar cálculos de frecuencia para esos puntos
•es necesario utilizar códigos especializados para su cálculo debido a la complejidad matemática de las ecuaciones que se generan • información más allá de la PES, especialmente de la parte cóncava
• en general es necesario realizar l
l
cálculos IRC y puntos extra en la “banda de reacción”
• realizar cálculos de frecuencia para esos puntos
• es necesario utilizar códigos especializados para su cálculo debido a la complejidad matemática de las l
l d d
á
d l
ecuaciones que se generan •es el computacionalmente más costoso
TST
Con ambas se obtiene el coeficiente de transmisión (no sólo el tunelaje)
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6/4/2013
Cinética:
Correcciones de tunelaje: TST
Dism
minuye el tun
nelaje
Transferencia de H
Metano‐zeolita
Reacciones en solución (Ej. Antioxidantes):
QM--ORSA
QM
I. Identificación de los principales mecanismos de reacción involucrados en la actividad depuradora de radicales libres de antioxidantes primarios, tomando en cuenta la polaridad del medio (lípido, agua) y el pH en solución acuosa.
II Cuantificación doble y separada de la actividad antioxidante, II.
C
tifi ió d bl
d d l
ti id d ti id t
i:e. en ambientes polares (agua) y no polares (lípido).
III. Dos escalas de cuantificación diferentes (absoluta y relativa).
IV. Cuantificación absoluta, en cada medio, basada en la cinética (coeficientes de velocidad globales).
V. Cuantificación relativa, en cada medio, usando Trolox como compuesto de referencia
de referencia.
VI. Identificación de tendencias en las capacidades antioxidantes primarias de differentes compuestos (en cada medio).
VII. Identificación de los antioxidantes primarios más eficientes en cada medio, para ayudar en el diseño de estrategias farmacológicas contra el OS.
12
6/4/2013
QM--ORSA
QM
Computational Details
1)‐ Usar siempre el mismo método de cálculo. Usamos y recomendamos el 1)‐
funcional M05‐‐2X en combinación con los conjuntos de funciones de base 6
funcional M05
2X en combinación con los conjuntos de funciones de base 6‐‐
31+G(d) to 6‐311++G(d,p) y con el modelo de solvatación continuo SMD.
31+G(d) to 6‐
M05‐2X
M05‐
2X: híbrido meta GGA, diseñado para termoquímica, cinética e interacciones no covalentes, altamente no local (56% HF), barreras de reacción incluídas en la covalentes, altamente no local (56% HF), barreras de reacción incluídas
en la
parametrización. Ha demostrado ser eficiente para cinética y se encuentra dentro de los de mejor desempeño para radicales libres. Otros funcionales con buen desempeño para cinética: MPWB1K, M06‐2X, M08‐HF y BMK (lo importante es usar el mismo para comparaciones). Hemos recopilado cuantiosa información con este funcional, por lo que continuamos usándolo para no introducir incertidumbres asociadas al cambio de método.
Bases
Bases: al menos doble Z incluyendo funciones de polarización y difusas para átomos 
y
p
y
p
H (difusas, muy importantes para las formas aniónicas de los antioxidantes)
SMD: (densidad de carga del soluto interactuando con solvente continuo) SMD
Parametrizado usando una amplia variedad de datos de solvatación, incluyendo 112 energías libres de solvatación de iones en agua, y 91 solventes diferentes (agua + 90). Se usaron cálculos M05‐2X en la parametrización de SMD, por lo que es de esperar que la combinación SMD/M05‐2X sea particularmente exitosa.
QM--ORSA
QM
Computational Details
2)‐‐ Considerar todos los 2)
los mecanismos
mecanismos y sitios
y sitios de reacción
de reacción
MECANISMOS: Radical Adduct formation (RAF):
Hydrogen atom transfer (HAT):
Single electron transfer (SET):
Scav   R  Scav  R
Scav   R  Scav   H   HR

(a) Scav   R  Scav  R 
(b) Scav   R  Scav  R 
Sequential Electron & Proton Transfer :
SEPT (a) Scav   R  Scav  R   Scav   H   HR
SPET (b)
 Scav   H    R  Scav   H   HR
Proton Coupled Electron Transfer (PCET):


Scav   R  Scav   H   HR

13
6/4/2013
Computational Details
QM--ORSA
QM
SITIOS: 23 HT, 6 RAF
Computational Details
QM--ORSA
QM
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6/4/2013
QM--ORSA
QM
Computational Details
3)‐‐ Modelar las reacciones con el mismo
3)
con el mismo radical libre
radical libre. . No usar radicales muy reactivos como el •OH
Usar radicales de reactividad intermedia a baja (ROO•, RO•). Esto amplia la separación de diferencias entre compuestos a comparar.
Relevancia biológica y pueden interceptarse eficientemente por antioxidantes
Relevancia biológica y pueden interceptarse eficientemente por antioxidantes
Ejemplo HOO•
Es el más simple de los ROO •
Puede reaccionar por diferentes mecanismos.
En solución acuosa el principal mecanismo de reacción es: ‐ SPLET (ácido cafeico)
‐ RAF (melatonina)
‐ HT (glutatión)
Deseable: Un estudio más amplio incluyendo mayor variedad de radicales libres, por Deseable
ejemplo: alcoxilo (•OCH3), peroxilo y alcoxilo halogenados (CCl3OO•, CH2ClO•), nitrogenados (NO2•, N3•), etc. IMPORTANTE: comparaciones entre antioxidantes siempre con el mismo radical y que sea IMPORTANTE
diferente de •OH (alta reactividad).
QM--ORSA
QM
Computational Details
4)‐‐ Teoría del 4)
del estado
estado de transición
de transición (TST) (TST) para
para constantes de de velocidad
velocidad. . Usar TST convencional (sólo necesita información de los puntos estacionarios). Ventaja importante en la medida en que aumenta el tamaño de los sistemas a estudiar.
kact 
k BT  G   / RT
e
h
Para RAF y HT:
G   G TS    G  React 
Si hiciera falta una teoría mas sofisticada (TST variacional) se recomienda la Variational Transition‐
State Theory by Mapping (IVTST‐M), ya que necesita geometrías, energías, gradientes y Hesianos
sólo de un pequeño número de puntos no estacionarios sobre la MEP (además de los estacionarios). 5)‐‐ Usar la 5)
la teoría
teoría de Marcus de Marcus para
para calcular las barreras de reacción
de reacción SET.
SET: no está controlada por movimientos nucleares por lo que no se puede localizar un TS con métodos de estructura electrónica.
Para calcular la barrera se usa:

GET
0

  GET
 1 

 
4
2
Energía de reorganización:
0
  EET  GET
Nelsen SF, Black SC, Kim Y. J Am Chem Soc 1987; 109, 677–682.
15
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QM--ORSA
QM
Computational Details
6)‐‐ Incluir la 6)
la degeneración
degeneración de caminos
de caminos de de reacción
reacción ( ).
La degeneración de caminos de reacción (factor estadístico de la reacción) cuenta el número de caminos de reacción equivalentes. Laidler
Laidler: Se puede obtener imaginando y etiquetando todos los átomos idénticos y contando el número de arreglos diferentes pero equivalentes que pueden obtenerse por g
p
q
q p
p
rotación.
Pollak and Pechukas
and Pechukas: es igual al cociente del número de simetría de los reactivos divido por el número de simetría del TS. 
R
 TS
n
 R   R
i
i1
Cuidado de no sobre‐contar si se usan restricciones de simetría en los cálculos
Computational Details
QM--ORSA
QM
7)‐‐ Incluir correcciones de tunelaje
7)
de tunelaje, ,  (T).
Son correcciones a posteriori para incluir efectos cuánticos (la TST es una derivación clásica). Es la forma más usada para incluir efectos cuánticos en las constantes de velocidad (penetración de la barrera).
Es posible hacer un tratamiento más sofisticado incluyendo además recruzamientos. Formas de calcular  (T)
‐ Wigner
Wigner: necesita sólo la frecuencia imaginaria del TS (subestima a T<500 K).
‐ Eckart
Eckart: necesita energías de puntos estacionarios (reactivos, TS, productos). Sobrestima a bajas T, buenos valores a T ambiente (o cuerpo)
(
p )
‐ ZCT
ZCT: necesita geometrías, energías, gradientes y Hessianos de puntos estacionarios. Subestima (mucho, menos que Wigner), T<500K
‐SCT
SCT: necesita geometrías, energías, gradientes y Hessianos de puntos estacionarios y algunos puntos no estacionarios sobre la MEP (mínimo 3 a cada lado del TS)
‐Eckart y ZCT recomendado a T ambiente, cuando se usa TST convencional.
16
6/4/2013
QM--ORSA
QM
Computational Details
(6+7) Incluir
(6+7) Incluir degeneración de caminos
de caminos de de reacción
reacción y correcciones
y correcciones de tunelaje
de tunelaje
kact    T 
k BT  G   / RT
e
h
8)‐‐ Usar
8)
U estado
t d estándard
tá d d 1 M.
1M
Los resultados producidos por códigos computacionales como Gaussian, corresponden a estado estándar 1 atm. Para reacciones bimoleculares hay que cambiar a estado estándar 1M al calcular G (ó G de reacciones RAF) para comparar directamente con el experimento (Kc).
K P  K C VM 
K C  K PVM
e
G1 M

RT
e
n
(bi l l )
(bimolecular)
G1 atm

RT
VM
G1M  G1atm  RT ln VM 
Para una reacción bimolecular a 298.15 K, disminuye en 1.89
1.89 kcal/mol.
No hacerlo disminuye k k artificialmente en un factor de 24.3
24.3
QM--ORSA
QM
Computational Details
9)‐‐ Tener en cuenta
9)
en cuenta el efecto
el efecto caja del del solvente
solvente..
Reduce la pérdida de entropía asociada a cualquier reacción RAF o formación de TS, para reacciones con molecularidad  2.
Para una reacción bimolecular
a 298.15 K, disminuye en 2.55
2.55
kcal/mol.
Si los grado de libertad traslacionales se tratan en Si
l
d d lib
d
l i
l
solución como en fase gas, el costo asociado a su pérdida (conversion en grados de libertad vibracionales cuando 2 ó más moléculas forman un sistema único) es sobreestimado artificialmente (la presencia del solvente reduce la libertad de movimiento de las especies en solución, comparadas al vacío)

No hacerlo disminuye k k artificialmente 74.0 74.0 veces

2n2
G sol  G gas  RT ln  n10     n  1
Benson, S. W.; The
Foundations of Chemical
Kinetics; Krieger: Florida,
1982.
Ignorar simultáneamente la conversión a estado estándar 1M y el efecto caja del solvente, causaría una k caja del solvente, causaría una k subestimada artificialmente subestimada artificialmente 
 1800 veces
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QM--ORSA
QM
Computational Details
10)‐‐ Incluir correcciones para reacciones
10)
para reacciones controladas por difusión
difusión..
kapp 
k D k act
k D  kact
Collins, F. C.; Kimball, G. E. J. Colloid Sci.
1949, 4, 425–437.
k D  4 RAB DAB N A
DAB  DA  DB
Di 
kBT
6 ai
Smoluchowski, M. Z. Phys. Chem. 1917,
92, 129–168.
Truhlar, D. G. J. Chem. Ed., 1985, 62, 104–106.
Einstein, A. Ann. Phys. (Leipzig) 1905, 17, 549-560
SET: suma de los radios de los reactivos
SET: RAB
RAF: RAF: distancia
en el TS a la que se encuentran los átomos a enlazarse
HT: HT: distancia
en el TS a la que se encuentran los átomos
involucrados en la trasnferencia de H.
Computational Details
QM--ORSA
QM
11) Calcular
11) Calcular coeficientes de velocidad
de velocidad totales
La suma de las constantes de velocidad de todos los mecanismos y sitios de reacción
ktot  k SET  k HT  k RAF
2a
3a
4
5
5a
6
6a
k HT  kapp
 kapp
 kapp
 kapp
 kapp
 kapp
 kapp
1
2
3
k RAF  kapp
 kapp
 kapp
Simplificando en base a consideraciones termodinámicas:
ktot  k HT  k RAF
2a
3a
4
k HT  kapp
 kapp
 kapp
3
k RAF  kapp
18
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QM--ORSA
QM
Computational Details
12) Calcular
12) Calcular coeficientes de velocidad
de velocidad globales
QM--ORSA
QM
Computational Details
koverall  f  H 2 Asc  ktotH 2 Asc  f  HAsc  
HAsc 
ktotHAsc  f  Asc 2   ktotAsc

koverall  f  HEDA  ktotHEDA  f  EDA  ktotEDA

Caf
koverall  f  HCaf   ktotHCaf  f  Caf 2  ktot

2
2
f ~ 7% (13 veces menos abundante)
k ~ 6000 veces mayor
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QM--ORSA
QM
Computational Details
13)‐ Comparar separadamente medio polar y no‐
13)‐
polar y no‐polar.
Influye en la reactividad de las especies (un mismo compuesto puede ser buen antioxidante en agua y pobre en lípido o viceversa) y en la importancia relativa de los diferentes mecanismos de reacción. Ejemplo SET
14)‐‐ Comparar en base a 14)
en base a criterios cinéticos
en base a criterios
cinéticos..
Representa un criterio más completo (permite comparaciones directas entre mecanismos diferentes, incluir fracciones molares y por tanto pH, es relevante para establecer efecto de concentraciones, etc.)
15)‐‐ Usar Trolox como antioxidante de referencia
15)
de referencia..
frs
koveral
r  Trolox
koveral
T
Es el más usado experimentalmente para este propósito.
16)‐ Usar un valor umbral
16)‐
un valor umbral para para identificar
identificar compuestos eficientes como
antioxidantes
Usamos la constante de velocidad correspondiente al daño causado por OOH a ácidos grasos poli‐insaturados (1.18‐3.05103 M‐1s‐1)
De Grey, ADNJ (2002) J DNA Cell Biol 21, 251–257.
Validación
QM--ORSA
QM
Una kcalc10 veces menor (o
mayor) que kexp se considera un
buen resultado en la literatura
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Validación
QM--ORSA
QM
Aplicación
QM--ORSA
QM
Actividad Comparativa:
REACCIONES CON •OOH:
k (298.15 K, M-1s-1)
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QM--ORSA
QM
Aplicación
Actividad Comparativa:
REACCIONES CON •OOH:
k (298.15 K, M-1s-1)
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QM--ORSA
QM
Aplicación
Mecanismos predominantes
Ej. Melatonina
•OH
•OOH
•OOR
•OOCCl
3
Polar
SET
RAF
HT
RAF, HT
No polar
HT, RAF
RAF
HT
RAF
Polar
RA F
RAF
RAF
No polar
RAF, HT
RAF
RAF
Ej Cafeína
Ej.
•OH
•OOH
•OCH
3
QM--ORSA
QM
Aplicación
Mecanismos predominantes
Ej. Ácido sinápinico
•OH
•OOH
•OCCl
3
•OOCCl
3
Polar
SET
SPET
SET
SET
No polar
HT
Ej Canolol
Ej.
•OH
•OOH
•OCH
3
Polar
RA F
RAF
RAF
No polar
RAF, HT
RAF
RAF
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QM--ORSA
QM
Aplicación
Mecanismos predominantes
Ej. Edaravone
•OH
Polar
SEPT
No polar
RAF
Ej. Sesamol
Polar
SEPT, HT, RAF
•OOH
SPET
•OOCCl
SEPT,
, SPET
3
•OH
No polar
HT, RAF
HT
HT
Ej. Glutatión
•OH
•OOH
Polar (sólo HT)
Todos los sitios
≈ 100% por el SH
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