En química , el estado de transición de una reacción química es una configuración particular a lo largo de la coordenada de reacción . Se define como el estado correspondiente a la energía potencial más alta a lo largo de esta coordenada de reacción. [1] A menudo se marca con el símbolo de doble daga (‡).
A modo de ejemplo, el estado de transición que se muestra a continuación ocurre durante la reacción S N 2 del bromoetano con un anión hidróxido :
El complejo activado de una reacción puede referirse tanto al estado de transición como a otros estados a lo largo de la coordenada de reacción entre reactivos y productos , especialmente aquellos cercanos al estado de transición. [3]
Según la teoría del estado de transición , una vez que los reactivos han pasado por la configuración del estado de transición, siempre continúan formando productos. [3]
El concepto de estado de transición ha sido importante en muchas teorías sobre la velocidad a la que se producen las reacciones químicas . Esto comenzó con la teoría del estado de transición (también conocida como teoría del complejo activado), que fue desarrollada por primera vez alrededor de 1935 por Eyring , Evans y Polanyi , e introdujo conceptos básicos en la cinética química que todavía se utilizan en la actualidad. [ cita requerida ]
Una colisión entre moléculas reactivas puede o no dar como resultado una reacción exitosa . El resultado depende de factores como la energía cinética relativa , la orientación relativa y la energía interna de las moléculas. Incluso si los componentes de la colisión forman un complejo activado , no están obligados a continuar y formar productos , y en cambio el complejo puede desintegrarse y volver a formar los reactivos. [ cita requerida ]
Debido a que la estructura del estado de transición es un punto de silla de primer orden a lo largo de una superficie de energía potencial , la población de especies en una reacción que están en el estado de transición es insignificante. Dado que estar en un punto de silla a lo largo de la superficie de energía potencial significa que una fuerza está actuando a lo largo de los enlaces a la molécula, siempre habrá una estructura de energía inferior en la que el estado de transición puede descomponerse. Esto a veces se expresa afirmando que el estado de transición tiene una existencia fugaz , y las especies solo mantienen la estructura del estado de transición durante la escala de tiempo de las vibraciones de los enlaces químicos (femtosegundos). Sin embargo, las técnicas espectroscópicas manipuladas inteligentemente pueden acercarnos tanto como lo permita la escala de tiempo de la técnica. La espectroscopia IR femtoquímica se desarrolló por esa razón, y es posible sondear la estructura molecular extremadamente cerca del punto de transición. A menudo, a lo largo de la coordenada de reacción, los intermediarios reactivos están presentes no mucho más abajo en energía que un estado de transición, lo que hace difícil distinguir entre los dos.
Las estructuras de estados de transición se pueden determinar mediante la búsqueda de puntos de silla de primer orden en la superficie de energía potencial (PES) de las especies químicas de interés. [4] Un punto de silla de primer orden es un punto crítico de índice uno, es decir, una posición en la PES que corresponde a un mínimo en todas las direcciones excepto una. Esto se describe con más detalle en el artículo sobre optimización de la geometría .
El postulado de Hammond-Leffler establece que la estructura del estado de transición se asemeja más a los productos o al material de partida, dependiendo de cuál tenga mayor entalpía . Un estado de transición que se asemeja más a los reactivos que a los productos se dice que es temprano , mientras que un estado de transición que se asemeja más a los productos que a los reactivos se dice que es tardío . Por lo tanto, el postulado de Hammond-Leffler predice un estado de transición tardío para una reacción endotérmica y un estado de transición temprano para una reacción exotérmica.
Se puede utilizar una coordenada de reacción adimensional que cuantifique la tardanza de un estado de transición para probar la validez del postulado de Hammond-Leffler para una reacción particular. [5]
El principio de correlación estructural establece que los cambios estructurales que ocurren a lo largo de la coordenada de reacción pueden revelarse en el estado fundamental como desviaciones de las distancias y ángulos de enlace con respecto a los valores normales a lo largo de la coordenada de reacción . [6] Según esta teoría, si una longitud de enlace particular al alcanzar el estado de transición aumenta, entonces este enlace ya es más largo en su estado fundamental en comparación con un compuesto que no comparte este estado de transición. Una demostración de este principio se encuentra en los dos compuestos bicíclicos que se muestran a continuación. [7] El de la izquierda es un biciclo[2.2.2]octeno, que, a 200 °C, extruye etileno en una reacción retro-Diels-Alder .
En comparación con el compuesto de la derecha (que, al carecer de un grupo alqueno , no puede dar esta reacción), se espera que la longitud del enlace carbono-carbono de la cabeza de puente sea más corta si la teoría se cumple, porque al acercarse al estado de transición este enlace adquiere carácter de doble enlace. Para estos dos compuestos , la predicción se cumple según la cristalografía de rayos X.
Una forma en que se lleva a cabo la catálisis enzimática es estabilizando el estado de transición a través de la electrostática . Al reducir la energía del estado de transición, se permite que una mayor cantidad de material de partida alcance la energía necesaria para superar la energía de transición y avanzar hacia el producto.