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Reaktivität: Potenzial-Energiehyperflächen

Reaktionskoordinaten

Reaktionskoordinate
Um den energetisch günstigsten Weg für die Umwandlung des Ausgangszustandes in das Endprodukt zu ermitteln, berechnet man die Energie in Abhängigkeit von allen sich während der Reaktion verändernden Bindungsparametern (Potenzial-Energiehyperfläche). Der energetisch günstigste Funktionsverlauf (Reaktionskoordinate) kann - bei kleiner Anzahl der Bindungsparameter - in der graphischen Darstellung der Potential-Hyperfläche leicht erkannt werden.
Beispiel für eine Potezial-Energiehyperfläche

(Abb. 1) zeigt eine mit Hilfe des SCF-MO-Verfahrens berechnete 3-dimensionale Darstellung der Energiehyperfläche für die nucleophile Substitution am Methylchlorid durch ein Fluorid-Ion (Finkelstein-Reaktion). Es wird dabei angenommen, dass sich während der Reaktion nur die Kohlenstoff-Chlor-Bindungslänge R(C...Cl) und die Kohlenstoff-Fluor-Bindungslänge R(C...F) ändern.

Abb.1
Potenzial-Energiehyperfläche für die nucleophile Substitution am Methylchlorid durch ein Fluorid-Ion

Im Verlauf des Films (Abb. 1) wird die Energiehyperfläche in einer zweidimensionalen "Höhenlinien"-Darstellung, also in einer Draufsicht, dargestellt, die Positionen des Ausgangszustandes und des Endproduktes markiert und der Energieverlauf entlang charakteristischer Wanderungspfade aufgezeigt. Schnitte durch die Energiehyperfläche parallel zur R(C...F)-Achse bei R(C...Cl)=180 pm bzw. parallel zur R(C...Cl)-Achse bei R(C...F)=140 pm liefern die gleichzeitig dargestellten Morse-Kurven. Die Reaktion vom Methylchlorid zum Methylfluorid verläuft entlang der Talsohle der Energiehyperfläche. Trägt man die Energie des Reaktionskomplexes gegen den auf der Talsohle zurückgelegten Weg - den so genannten Reaktionskoordinaten - auf, so erhält man das Reaktionsprofil. Dabei steigt die Energie vom Ausgangszustand bis zum Übergangszustand an und nimmt zwischen Übergangszustand und Endprodukt wieder ab.

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