E1cB-реакция элиминирования - E1cB-elimination reaction

Пример механизма реакции E1cB при деградации гемикеталя в основных условиях.

Реакция удаления E1cB представляет собой тип реакции элиминирования , которое происходит в щелочных условиях, в которых водород должны быть удалено является относительно кислым, в то время как уходящая группа (например, -OH или -OR) является относительно бедным. Обычно присутствует база от умеренной до сильной. E1cB - это двухэтапный процесс, первый шаг которого может быть или не быть обратимым. Во-первых, основание отводит относительно кислый протон с образованием стабилизированного аниона . Неподеленная пара электронов на анионе затем перемещается к соседнему атому, вытесняя уходящую группу и образуя двойную или тройную связь . Название механизма - E1cB - расшифровывается как E limination U nimolecular c onjugate B ase. Отщепление относится к тому факту, что механизм представляет собой реакцию отщепления, при которой теряются два заместителя. Унимолекулярный относится к тому факту, что на стадии, определяющей скорость этой реакции, участвует только одно молекулярное соединение . Наконец, конъюгированное основание относится к образованию промежуточного карбаниона , который является конъюгированным 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 является хорошей (как -OTs или -Br), в то время как водород не является особенно кислым и сильное основание отсутствует. Таким образом, в механизме E1 уходящая группа уходит первой с образованием карбокатиона. Из-за наличия пустой p-орбитали после ухода уходящей группы водород на соседнем атоме углерода становится намного более кислым, что позволяет ему затем удаляться слабым основанием на второй стадии. В реакции E2 присутствие сильного основания и хорошей уходящей группы позволяет отрыву протона основанием и уходу уходящей группы происходить одновременно, что приводит к согласованному переходному состоянию в одноэтапном процессе.

Механизм

Отнесения α и β в молекуле с уходящей группой LG.

Есть два основных требования, чтобы реакция протекала по механистическому пути E1cB. Соединение должно иметь кислый водород на β-углероде и относительно плохую уходящую группу на α-углероде . Первым шагом 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 может быть стабилизирована за счет индукции или делокализации из электронов неподеленной пары через резонанс . В целом можно утверждать, что электроноакцепторная группа на подложке, сильное основание, плохо уходящая группа и полярный растворитель запускают механизм E1cB. Пример механизма E1cB, который имеет стабильное переходное состояние, можно увидеть в разложении этиофенкарба - инсектицида карбамата, который имеет относительно короткий период полураспада в атмосфере Земли. После депротонирования амина образующийся амид относительно стабилен, поскольку он конъюгирован с соседним карбонилом . В дополнение к содержанию кислого водорода на β-углероде также необходима относительно плохая уходящая группа. Плохая уходящая группа необходима, потому что хорошая уходящая группа уйдет до ионизации молекулы. В результате соединение, вероятно, будет проходить по пути E2 . Некоторыми примерами соединений, которые содержат плохо уходящие группы и могут подвергаться механизму E1cB, являются спирты и фторалканы . Также было высказано предположение, что механизм E1cB более распространен среди алкенов, отщепляющихся до алкинов, чем от алкана до алкена. Одно из возможных объяснений этого состоит в том, что гибридизация sp ² создает несколько более кислые протоны. Хотя этот механизм не ограничивается выбросами на основе углерода . Это наблюдалось с другими гетероатомами , такими как азот, при отщеплении производного фенола от этиофенкарба .

Разложение этиофенкарба, иллюстрирующее присутствие стабильного аниона из-за резонанса между амидной функциональной группой и карбонильной группой.

Отличие реакций элиминирования E1cB от реакций элиминирования E1 и E2

Все реакции элиминирования включают удаление двух заместителей из пары атомов в соединении. Образуются алкены, алкины или аналогичные варианты гетероатомов (такие как карбонил и циано ). Механизм E1cB - лишь один 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 обозначает мономолекулярное отщепление, а E2 обозначает бимолекулярное отщепление. 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. Участвующая молекула также должна иметь очень хорошую уходящую группу, такую ​​как бром или хлор, и она должна иметь относительно менее кислый α-углерод.

Пример предпочтительного элиминирования фтора в реакции E1cB-элиминирования.

В реакции E2-элиминирования как депротонирование α-углерода, так и потеря уходящей группы происходят одновременно на одной согласованной стадии. Молекулы, которые подвергаются механизмам удаления E2, имеют более кислые α-углероды, чем те, которые подвергаются механизмам E1, но их α-атомы углерода не такие кислые, как у молекул, которые подвергаются механизмам E1cB. Ключевое различие между путями E2 и E1cb - это отдельный карбанионный промежуточный продукт, а не один согласованный механизм. Исследования показали, что пути различаются при использовании разных уходящих групп галогена . Один из примеров используют хлор в качестве стабилизирующего лучше галогена для аниона , чем фтор , что делает фтор в уходящую группу , несмотря на то, хлор гораздо лучше уходящая группа. Это свидетельствует о том, что карбанион образуется из-за невозможности получения продуктов через наиболее стабильный согласованный механизм E2 . В следующей таблице приведены основные различия между тремя реакциями элиминирования; однако лучший способ определить, какой механизм играет ключевую роль в конкретной реакции, - это применение химической кинетики .

Химическая кинетика механизмов элиминации E1cB

При попытке определить, следует ли реакция по механизму E1cB, важна химическая кинетика . Лучший способ идентифицировать механизм E1cB включает использование законов скорости и кинетического изотопного эффекта . Эти методы также могут помочь в дальнейшем различении реакций элиминации E1cB, E1 и E2.

Закон о ставке

При попытке экспериментально определить, следует ли реакция по механизму E1cB, важна химическая кинетика . Наилучшие способы идентифицировать механизм E1cB включают использование законов скорости и кинетического изотопного эффекта.

Закон скорости, который управляет механизмами E1cB, относительно просто определить. Рассмотрим следующую схему реакции.

Пример механизма удаления E1cB с общей уходящей группой, LG, и этоксидом в качестве основания.

Предполагая, что в механизме присутствует установившаяся концентрация карбаниона, закон скорости для механизма E1cB.

${\ Displaystyle {\ begin {align} {\ frac {\ ce {d [P]}} {{\ ce {d}} t}} & = {\ frac {k_ {1} k_ {2} {\ ce {[субстрат] [основание]}}} {k _ {- 1} [{\ ce {сопряженная \ кислота}}] + k_ {2}}} \\ {\ ce {rate}} & = k _ {\ ce { obs}} {\ ce {[подложка] [основа]}} \ end {выравнивается}}}$

Из этого уравнения ясно, что кинетика второго порядка будет демонстрироваться. Кинетика механизмов E1cB может незначительно отличаться в зависимости от скорости каждого шага. В результате механизм E1cB можно разбить на три категории:

1. _Анион E1cB - это когда карбанион является стабильным и / или сильное основание используется в избытке по отношению к субстрату, что делает депротонирование необратимым, за которым следует определяющая скорость потери уходящей группы (k ₁ [основание] ≫ k ₂ ).
2. E1cB _rev - это когда первая стадия обратима, но образование продукта происходит медленнее, чем реформинг исходного материала, это снова является результатом медленной второй стадии (k _-1 [конъюгированная кислота] ≫ k ₂ ).
3. E1cB _IRR , когда первый шаг идет медленно, но как только образуется анион продукт быстро следующим образом (к ₂ »к _-1 [сопряженная кислота]). Это приводит к необратимому первому шагу, но, в отличие от _аниона E1cB , депротонирование определяет скорость.

Кинетический изотопный эффект

Дейтерий

Дейтерообмен и дейтерий кинетический изотопный эффект может помочь различить среди E1cB _оборот , E1cB _аниона и E1cB _IRR . Если растворитель протонный и содержит дейтерий вместо водорода (например, CH ₃ OD), то можно контролировать обмен протонами в исходном материале. Если восстановленный исходный материал содержит дейтерий, то реакция, скорее всего, проходит по механизму типа E1cB _rev . Напомним, что в этом механизме протонирование карбаниона (либо конъюгированной кислотой, либо растворителем) происходит быстрее, чем потеря уходящей группы. Это означает, что после образования карбаниона он быстро удалит протон из растворителя с образованием исходного материала.
Если реагент содержит дейтерий в положении β, первичный кинетический изотопный эффект указывает на то, что депротонирование определяет скорость. Из трех механизмов E1cB, этот результат согласуется только с E1cB _IRR механизма, так как изотоп уже удален в E1cB _аниона и уходящей группы вылета является лимитирующей в E1cB _ред .

Фтор-19 и углерод-11

Другой способ, которым кинетический изотопный эффект может помочь различить механизмы E1cB, включает использование ¹⁹ F. Фтор является относительно плохой уходящей группой, и он часто используется в механизмах E1cB. Кинетические изотопные эффекты фтора также применяются при маркировке радиофармпрепаратов и других соединений в медицинских исследованиях. Этот эксперимент является очень полезным при определении , является ли или не потерей уходящей группы шага определения скорости в механизме и может помочь различать E1cB _IRR и механизмы E2. 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 является двухступенчатым механизмом E1cB (в отличие от согласованного механизма E2), но также может обращаются к сроку службы и стабильности структуры переходного состояния, которая может дополнительно различать три различных типа механизмов E1cB.

Альдольные реакции

Наиболее известной реакцией, при которой происходит отщепление 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. Затем продукт Aldol депротонируется с образованием другого енолята с последующим удалением воды в реакции дегидратации E1cB . Альдольные реакции - ключевая реакция в органической химии, поскольку они обеспечивают средства образования углерод-углеродных связей, позволяющих синтезировать более сложные молекулы.

Реакция альдольной конденсации - один из наиболее распространенных примеров механизма E1cB.

Фотоиндуцированный E1cB

Фотохимическая версия E1cB была описана Lukeman et al. В этом отчете фотохимически индуцированная реакция декарбоксилирования приводит к образованию промежуточного карбаниона, который впоследствии удаляет уходящую группу. Эта реакция отличается от других форм E1cB, поскольку не требует основания для образования карбаниона. Этап формирования карбаниона является необратимым, и , следовательно , должны быть классифицирован как E1cB _IRR .

Механизм реакции E1cB через фотоиндуцированное декарбоксилирование.

В биологии

Реакция элиминирования E1cB - важная реакция в биологии. Например, предпоследняя стадия гликолиза включает механизм E1cB. Этот этап включает превращение 2-фосфоглицерата в фосфоенолпируват , чему способствует фермент енолаза .

Смотрите также

• Реакция элиминации
• Механизм реакции
• Карбокатион
• Карбанион

использованная литература