Reaktionspfaden

Reaktionspfad, auch Reaktionsweg genannt, beschreibt in der Chemie die Folge von Umwandlungen, die ein Reaktant durchläuft, um Produkte zu bilden. Er entspricht dem Verlauf auf der potenziellen Energieoberfläche entlang einer Reaktionskoordinate, wobei Zwischenstufen, Übergangszustände und Energiedifferenzen entscheidend sind.

Grundlegende Unterscheidungen betreffen den Mechanismus: ein einstufiger, konzertierter Weg und mehrstufige, schrittweise Mechanismen mit Zwischenprodukten. Der langsamste Teil des Pfades bestimmt oft die Geschwindigkeit des Gesamtreaktionswegs (Rate-determining step).

Die Orientierung eines Reaktionspfads hängt von Thermodynamik und Kinetik ab. Thermodynamische Kontrolle begünstigt das stabilste Produkt, kinetische Kontrolle dasjenige mit der niedrigsten Aktivierungsbarriere. Reaktivität wird durch Faktoren wie Lösungsmittel, Temperatur und Katalyse beeinflusst. Reaktionspfade können konkurrieren und zu unterschiedlichen Produkten führen.

Experimentell werden Pfade durch Kinetik, Isotopenmarkierung und Temperaturabhängigkeit untersucht; theoretisch durch Berechnungen der potenziellen Energieoberfläche, Übergangszustände und Reaktionskoordinaten. Typische Werkzeuge sind DFT-Berechnungen, Übergangszustand-Suchen, Nudged Elastic Band-Methoden und IRC (intrinsic reaction coordinate).

Häufige Beispiele sind konventionelle Mechanismen wie SN1 versus SN2 oder radikalische Kettenprozesse. Das Curtin-Hammett-Prinzip beschreibt, wie Produktverhältnisse auftreten, wenn schnelle Umwandlungen zwischen Zwischenprodukten stattfinden.

Anwendungen des Reaktionspfadkonzepts reichen von der Planung neuer Synthesen und der Mechanismusaufklärung bis zur Optimierung katalytischer Reaktionen. Der Begriff umfasst die Gesamtheit der möglichen Wege von Reaktanten zu Produkten und deren energetische und kinetische Merkmale.