Jelaskan Latar belakang dari Efek isotop kinetik

Efek isotop kinetik dianggap sebagai salah satu alat yang paling penting dan sensitif untuk studi mekanisme reaksi, pengetahuan yang memungkinkan peningkatan kualitas yang diinginkan dari reaksi yang sesuai. Misalnya, efek isotop kinetik dapat digunakan untuk mengungkapkan apakah reaksi substitusi nukleofilik mengikuti jalur reaksi unimolekuler (SN1) atau bimolekuler (SN2).

Dalam reaksi metil bromida dan sianida (diperlihatkan dalam pendahuluan), efek isotop kinetik karbon metil yang diamati menunjukkan suatu mekanisme SN2. Bergantung pada jalurnya, berbagai strategi dapat digunakan untuk menstabilkan keadaan transisi dari tahap penentu laju dari reaksi dan meningkatkan laju reaksi serta selektivitasnya, yang penting untuk aplikasi industri.

Perubahan laju isotop paling jelas ketika perubahan massa relatif mengalami peningkatan, karena efeknya terkait dengan frekuensi vibrasi ikatan yang terpengaruh. Misalnya, mengubah atom hidrogen (H) menjadi isotopnya deuterium (D) mewakili peningkatan 100% massa, sedangkan dalam mengganti karbon-12 dengan karbon-13, massa meningkat hanya 8 persen. Laju reaksi yang melibatkan ikatan C–H biasanya 6–10 kali lebih cepat dari ikatan C–D terkait, sedangkan reaksi 12C hanya 4 persen lebih cepat dari reaksi 13C terkait (meskipun, dalam kedua kasus, isotopnya lebih berat satu satuan massa atom).

Substitusi isotop dapat mengubah laju reaksi dalam berbagai cara. Dalam banyak kasus, perbedaan kecepatan dapat dirasionalisasi dengan mencatat bahwa massa atom mempengaruhi frekuensi vibrasi dari ikatan kimia yang terbentuk, bahkan jika energi potensial permukaan untuk reaksinya hampir identik. Isotop yang lebih berat akan (secara klasik)) mengarah pada frekuensi vibrasi yang lebih rendah, atau, dilihat mekanika kuantum, akan memiliki lebih rendah energi titik nol. Dengan energi titik nol yang lebih rendah, lebih banyak energi harus disediakan untuk memutus ikatan, sehingga menghasilkan energi aktivasi yang lebih tinggi, untuk pembelahan ikatan, yang pada gilirannya menurunkan laju yang terukur (lihat, misalnya, persamaan Arrhenius).