Реакция элиминирования E1cB
Реакция элиминирования E1cB представляет собой тип реакции элиминирования , которая происходит в основных условиях, когда удаляемый водород является относительно кислым, а уходящая группа (например, -ОН или -OR) является относительно бедной. Обычно присутствует база от умеренной до сильной. E1cB представляет собой двухэтапный процесс, первый этап которого может быть или не быть обратимым. Во-первых, основание отрывает относительно кислый протон, образуя стабилизированный анион . Неподеленная пара электронов аниона затем перемещается к соседнему атому, вытесняя таким образом уходящую группу и образуя двойную или тройную связь . [1] Название механизма – E1cB – расшифровывается E limination U нимолекулярный конъюгат Base как . Элиминирование относится к тому факту, что механизм представляет собой реакцию элиминирования и приводит к потере двух заместителей. Унимолекулярность означает тот факт, что стадия, определяющая скорость этой реакции, включает только одно молекулярное вещество . Наконец, сопряженное основание относится к образованию промежуточного карбаниона , который является сопряженным основанием исходного материала.
E1cB следует рассматривать как находящийся на одном конце непрерывного спектра, который включает механизм E1 на противоположном конце и механизм E2 в середине. Механизм E1 обычно имеет противоположные характеристики: уходящая группа хорошая (например, -OTs или -Br), тогда как водород не является особенно кислотным и сильное основание отсутствует. Таким образом, в механизме Е1 уходящая группа уходит первой, образуя карбокатион. Из-за наличия пустой p-орбитали после ухода уходящей группы водород на соседнем углероде становится намного более кислым, что позволяет затем удалить его слабым основанием на втором этапе. В реакции E2 наличие сильного основания и хорошей уходящей группы позволяет отщеплению протона основанием и уходу уходящей группы происходить одновременно, что приводит к согласованному переходному состоянию в одностадийном процессе.
Механизм
[ редактировать ]
Существует два основных требования для того, чтобы реакция протекала по механистическому пути E1cB. Соединение должно иметь кислый водород на β-углероде и относительно бедную уходящую группу на α-углероде . Первым этапом механизма E1cB является депротонирование β-углерода, приводящее к образованию анионного переходного состояния, такого как карбанион. Чем выше стабильность этого переходного состояния, тем больше механизм будет отдавать предпочтение механизму E1cB. Это переходное состояние можно стабилизировать посредством индукции или делокализации электронов неподеленной пары посредством резонанса . В целом можно утверждать, что электроноакцепторная группа на подложке, сильное основание, плохая уходящая группа и полярный растворитель запускают механизм E1cB. Пример механизма E1cB, имеющего стабильное переходное состояние, можно увидеть в разложении этиофенкарба — карбаматного инсектицида , имеющего относительно короткий период полураспада в атмосфере Земли. При депротонировании амина образуется амид . относительно стабилен, поскольку сопряжен с соседним карбонилом . Помимо содержания кислого водорода на β-углероде, также необходима относительно бедная уходящая группа. Плохая уходящая группа необходима, потому что хорошая уходящая группа уйдет до ионизации молекулы. В результате соединение, вероятно, будет действовать по пути E2 . Некоторыми примерами соединений, которые содержат плохие уходящие группы и могут подвергаться механизму E1cB, являются спирты и фторалканы .Было также высказано предположение, что механизм E1cB более распространен среди алкенов, отщепляющихся до алкинов, чем от алкана к алкену. [2] Одним из возможных объяснений этого является то, что sp 2 гибридизация создает немного более кислые протоны. Хотя этот механизм не ограничивается удалением углерода . Это наблюдалось с другими гетероатомами , такими как азот, при удалении производного фенола из этиофенкарба . [3]
Отличие реакций элиминирования E1cB от реакций элиминирования E1 и E2
[ редактировать ]Все реакции элиминирования включают удаление двух заместителей из пары атомов соединения. алкены, алкины или подобные варианты гетероатомов (такие как карбонил и циано Образуются ). Механизм E1cB является лишь одним из трех типов реакции элиминирования. Две другие реакции элиминирования — это реакции E1 и E2. Хотя механизмы схожи, они различаются по времени депротонирования α-углерода и потери уходящей группы. E1 означает мономолекулярное элиминирование, а E2 означает бимолекулярное элиминирование. В механизме E1 молекула содержит хорошую уходящую группу, которая уходит до депротонирования α-углерода. Это приводит к образованию промежуточного карбокатиона. Затем карбокатион депротонируется, что приводит к образованию новой пи-связи. Используемая молекула также должна иметь очень хорошую уходящую группу, такую как бром или хлор, и относительно менее кислый α-углерод.
В реакции элиминирования E2 как депротонирование α-углерода, так и потеря уходящей группы происходят одновременно на одной согласованной стадии. Молекулы, которые подвергаются механизмам элиминирования E2, содержат больше кислых α-углеродов, чем те, которые подвергаются механизмам E1, но их α-углероды не такие кислые, как у молекул, которые подвергаются механизмам E1cB. Ключевое различие между путями E2 и E1cb заключается в отдельном карбанионе промежуточном , а не в одном согласованном механизме. Исследования показали, что пути различаются в зависимости от использования разных галогена уходящих групп . используется В одном примере хлор как лучший стабилизирующий галоген для аниона , чем фтор . [4] что делает фтор , уходящей группой хотя хлор является гораздо лучшей уходящей группой. [5] Это свидетельствует о том, что карбанион образуется потому, что образование продуктов невозможно посредством наиболее стабильного согласованного механизма E2 . В следующей таблице суммированы ключевые различия между тремя реакциями элиминирования; однако лучший способ определить, какой механизм играет ключевую роль в конкретной реакции, предполагает применение химической кинетики .
| Е1 | Е2 | E1cB |
|---|---|---|
| Ступенчатая реакция | Согласованная реакция | Ступенчатая реакция |
| Карбокатионный промежуточный продукт | Одновременное удаление протона, образование двойной связи и потеря уходящей группы. | Карбанионный промежуточный продукт |
| Сильнокислая среда | Нет предпочтений | Сильно базовые медиа |
| Хорошие уходящие группы | Выход из группы | Бедные покидающие группы |
| Менее кислая ЧД | Кислый BH | Более кислый BH |
Химическая кинетика механизмов элиминирования E1cB
[ редактировать ]При попытке определить, следует ли реакция механизму E1cB, важное значение имеет химическая кинетика . Лучший способ идентифицировать механизм E1cB предполагает использование скоростных законов и кинетического изотопного эффекта . Эти методы также могут помочь дополнительно дифференцировать реакции элиминирования E1cB, E1 и E2.
Закон о ставках
[ редактировать ]При попытке экспериментально определить, следует ли реакция механизму E1cB, важное значение имеет химическая кинетика . Лучшие способы идентификации механизма E1cB включают использование скоростных законов и кинетического изотопного эффекта.
Закон скорости, который управляет механизмами E1cB, относительно легко определить. Рассмотрим следующую схему реакции.
Предполагая, что в механизме существует стационарная концентрация карбаниона, можно получить скоростной закон для механизма E1cB.
![{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\ce {d[P]}}{{\ce {d}}t}}&={\frac {k_{1}k_{2}{\ce {[субстрат][основание]}}}{k_{-1}[{\ce {конъюгат\кислота}}]+k_{2}}}\\{\ce {скорость}}&=k_{\ce { obs}}{\ce {[подложка][база]}}\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9fcaecea886d403f885d43b58cfb946af0778938 "Закон скорости и наблюдаемая скорость механизма элиминирования E1cB в предыдущем примере, где основанием является этоксид.")
Из этого уравнения ясно, что кинетика второго порядка . будет проявляться [6] Кинетика механизмов E1cB может незначительно варьироваться в зависимости от скорости каждого этапа. В результате механизм E1cB можно разбить на три категории: [7]
- E1cB Анион возникает, когда карбанион стабилен и/или в избытке субстрата используется сильное основание, что делает депротонирование необратимым, за которым следует определяющая скорость потеря уходящей группы (k 1 [основание] ≫ k 2 ).
- E1cB rev - это когда первый этап обратим, но образование продукта происходит медленнее, чем реформирование исходного материала, это опять-таки является результатом медленного второго этапа (k -1 [сопряженная кислота] ≫ k 2 ).
- E1cB irr – это когда первый этап протекает медленно, но как только образуется анион, продукт быстро следует за ним (k 2 ≫ k -1 [сопряженная кислота]). Это приводит к необратимому первому этапу, но, в отличие от E1cB аниона , скорость определяет депротонирование.
Кинетический изотопный эффект
[ редактировать ]Дейтерий
[ редактировать ] дейтерия Дейтериевый обмен и кинетический изотопный эффект могут помочь отличить E1cB rev , E1cB анион и E1cB irr . Если растворитель протонный и содержит дейтерий вместо водорода (например, CH 3 OD), то можно контролировать обмен протонов в исходном материале. Если восстановленное исходное вещество содержит дейтерий, то реакция, скорее всего, протекает по механизму типа E1cB rev . Напомним, что в этом механизме протонирование карбаниона (либо сопряженной кислотой, либо растворителем) происходит быстрее, чем потеря уходящей группы. Это означает, что после образования карбаниона он быстро удалит протон из растворителя, образуя исходный материал.
Если реагент содержит дейтерий в β-положении, первичный кинетический изотопный эффект указывает на то, что скорость определяет депротонирование. Из трех механизмов E1cB этот результат согласуется только с механизмом E1cB irr , поскольку изотоп уже удален в E1cB анионе , а уход уходящей группы определяет скорость в E1cB rev .
Фтор-19 и углерод-11
[ редактировать ]Другой способ, с помощью которого кинетический изотопный эффект может помочь различить механизмы E1cB, заключается в использовании 19 F. Фтор — относительно бедная уходящая группа, и он часто используется в механизмах E1cB. Кинетические изотопные эффекты фтора также применяются при маркировке радиофармацевтических препаратов и других соединений в медицинских исследованиях. Этот эксперимент очень полезен для определения того, является ли потеря уходящей группы стадией, определяющей скорость в механизме, и может помочь различить E1cB irr и E2. механизмы 11 C также можно использовать для исследования природы структуры переходного состояния. Использование 11 C можно использовать для изучения образования карбаниона, а также изучения его времени жизни, что может не только показать, что реакция представляет собой двухэтапный механизм E1cB (в отличие от согласованного механизма E2), но также может учитывать время жизни и стабильность структуры переходного состояния, которая позволяет дополнительно различать три различных типа механизмов E1cB. [8]
Альдольные реакции
[ редактировать ]Наиболее известной реакцией элиминирования E1cB является реакция альдольной конденсации в основных условиях. Это включает депротонирование соединения, содержащего карбонильную группу, что приводит к образованию енолята . Енолят представляет собой очень стабильное сопряженное основание исходного материала и является одним из промежуточных продуктов реакции. Этот енолят затем действует как нуклеофил и может атаковать электрофильный альдегид. Альдольный продукт затем депротонируется с образованием другого енолята с последующим удалением воды в реакции дегидратации E1cB . Альдольные реакции являются ключевой реакцией в органической химии, поскольку они обеспечивают возможность образования углерод-углеродных связей, позволяющих синтезировать более сложные молекулы. [9]
Фотоиндуцированный E1cB
[ редактировать ]О фотохимической версии E1cB сообщили Lukeman et al. [10] В этом отчете фотохимически индуцированная реакция декарбоксилирования приводит к образованию промежуточного карбаниона, который впоследствии удаляет уходящую группу. Реакция уникальна по сравнению с другими формами E1cB, поскольку для образования карбаниона не требуется основание. Стадия образования карбаниона необратима и поэтому ее следует классифицировать как E1cB irr .
В биологии
[ редактировать ]Реакция элиминирования E1cB является важной реакцией в биологии. Например, предпоследний этап гликолиза включает механизм E1cB. Этот этап включает превращение 2-фосфоглицерата в фосфоенолпируват , чему способствует фермент енолаза .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гроссман, РБ (2008). Искусство написания разумных органических механизмов . Нью-Йорк: Спрингер. стр. 53–56 . ISBN 978-0-387-95468-4 .
- ^ Смит, Майкл (2007). Реакции, механизмы и структура продвинутой органической химии марта (6-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley-Interscience. стр. 1488–1493. ISBN 978-1-61583-842-4 .
- ^ Уэртани, Ранда; Эль Атраче, Латифа Латроус; Хамида, Неджиб Бен (2013). «Щелочной гидролиз этиофенкарба: кинетическое исследование и механизм разложения». Международный журнал химической кинетики . 45 (2): 118–124. дои : 10.1002/кин.20748 . ISSN 0538-8066 .
- ^ Хайн, Джек; Бурск, Норберт В.; Хайн, Милдред; Лэнгфорд, Пол Б. (1957). «Относительные скорости образования карбанионов галоформами1». Журнал Американского химического общества . 79 (6): 1406–1412. дои : 10.1021/ja01563a037 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Бачокки, Энрико; Руццикони, Ренцо; Себастьяни, Джованни Витторио (1 августа 1982 г.). «Согласованные и ступенчатые механизмы удаления 1,2-дигалогенаценафтенов, которым способствуют трет-бутоксид калия и этоксид калия в соответствующих спиртах». Журнал органической химии . 47 (17): 3237–3241. дои : 10.1021/jo00138a007 .
- ^ МакЛеннан, диджей (1967). «Карбанионный механизм удаления олефинобразователей». Ежеквартальные обзоры, Химическое общество . 21 (4): 490. doi : 10.1039/qr9672100490 . ISSN 0009-2681 .
- ^ Смит, Майкл (2007). Реакции, механизмы и структура продвинутой органической химии марта (6-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley-Interscience. стр. 1488–1493. ISBN 978-1-61583-842-4 .
- ^ Матссон, Олле; Макмиллар, Сюзанна (сентябрь 2007 г.). «Изотопные эффекты фтора-18 и углерода-11 в изучении механизмов реакций». Журнал меченых соединений и радиофармпрепаратов . 50 (11–12): 982–988. дои : 10.1002/jlcr.1443 .
- ^ Уэйд, LG (2005). Органическая химия . Нью-Джерси: Прентис Холл. стр. 1056–1066. ISBN 0-13-236731-9 .
- ^ Люкман, Мэтью; Скайано, Хуан К. (2005). «Фотоклетки, опосредованные карбанионами: быстрое и эффективное фотовысвобождение с водной совместимостью». Журнал Американского химического общества . 127 (21): 7698–7699. дои : 10.1021/ja0517062 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 15913358 .