Выход из группы - Leaving group

В химии , А уходящая группа , представляет собой молекулярный фрагмент , который отходит с парой электронов в гетеролитическом разрыве связи . Уходящие группы могут быть анионами , катионами или нейтральными молекулами, но в любом случае важно, чтобы уходящая группа была способна стабилизировать дополнительную электронную плотность, которая возникает в результате гетеролиза связей. Обычными анионными уходящими группами являются галогениды, такие как Cl - , Br - и I - , и сложные эфиры сульфоновой кислоты, такие как тозилат (TsO - ). Фторид (F - ) действует как уходящая группа в газе зарин нервно-паралитического действия . Обычными уходящими группами нейтральных молекул являются вода и аммиак . Оставляя группы также могут быть положительно заряженные катионы (например, Н + выделяется при нитровании из бензола ); они также известны как электробурги .

Возможность выхода из группы

Физическое проявление способности покидать группу - это скорость, с которой происходит реакция. Хорошие уходящие группы дают быструю реакцию. Согласно теории переходного состояния , это означает, что реакции с участием хороших уходящих групп имеют низкие активационные барьеры, ведущие к относительно стабильным переходным состояниям.

Полезно рассмотреть концепцию способности уходящей группы в случае первой стадии реакции S N 1 / E1 с анионной уходящей группой (ионизация), помня при этом, что эту концепцию можно обобщить на все реакции, которые включают уходящие группы. Поскольку уходящая группа несет больший отрицательный заряд в переходном состоянии (и продуктах), чем в исходном материале, хорошая уходящая группа должна быть способна стабилизировать этот отрицательный заряд, то есть образовывать стабильные анионы . Хороший показатель стабильности аниона является рКа анионом в сопряженной кислоте , и оставляя группу способность действительно в целом соответствует этой тенденции, с более низкой рК Н, связанным с более уходящей способностью группы.

В реакции ионизации, как и во всех реакциях, которые включают уход уходящей группы, уходящая группа несет больший отрицательный заряд в переходном состоянии и продуктах, чем в исходных материалах.

Однако корреляция между pK a H и способностью покидать группу не идеальна. Способность уходящей группы представляет собой разницу в энергии между исходными материалами и переходным состоянием (ΔG ), а различия в способности уходящей группы отражаются в изменениях этой величины (ΔΔG ). Однако величина pK a H представляет собой разницу в энергии между исходными материалами и продуктами (ΔG) с различиями в кислотности, отраженными в изменениях этого количества (ΔΔG). Также исходные материалы в этих случаях разные. В случае pK a «уходящая группа» связана с протоном в исходном материале, тогда как в случае способности уходящей группы уходящая группа связана (обычно) с углеродом. Принимая во внимание эти важные предостережения, нужно рассматривать pK a H как отражение способности выхода из группы, но, тем не менее, тенденции в каждом из них имеют тенденцию хорошо коррелировать друг с другом. В соответствии с этой картиной, сильные основания , такие как ОН - , OR - и NR 2 - как правило, делают бедные уходящие группы, из - за их неспособности стабилизировать отрицательный заряд.

Уходящие группы упорядочены примерно по мере уменьшения возможности выхода
R – N 2 + диазот
R – OR ' 2 + диалкиловый эфир
Р – ОСО 2 Р Ф перфторалкилсульфонаты (например, трифлат )
Р – ОТ, Р – ОМ и т. Д. тозилаты , мезилаты и аналогичные сульфонаты
R – I йодид
R – Br бромид
R – OH 2 + , R'– OHR + вода , спирты
R – Cl хлористый
Р – ОНО 2 , Р – ОПО (ИЛИ ') 2 нитраты , фосфаты и другие неорганические эфиры
R-SR» 2 + тиоэфир
R – NR ' 3 + , R – NH 3 + амины , аммиак
R – F фторид
R – OCOR карбоксилат
Рев феноксиды
R – OH, R – OR гидроксид , алкоксиды
R – NR 2 амиды
R – H гидрид
R – R ' аренид, алканид

Что составляет разумную группу ухода, зависит от контекста. Для реакций S N 2 типичные синтетически полезные уходящие группы включают Cl - , Br - , I - , - OT, - OM, - OTf и H 2 O. Субстраты, содержащие уходящие группы фосфата и карбоксилата, с большей вероятностью будут реагировать путем конкурентного добавления -элиминирование, в то время как соли сульфония и аммония обычно образуют илиды или подвергаются элиминированию E2, когда это возможно. Феноксиды ( - ОАР) образуют нижний предел для того, что это возможно , как S N 2 уходящие группы: очень сильные нуклеофилами , как Ph 2 P - или Ets - были использованы для demethylate анизола производных через S N 2 смещения в метильной группе. Гидроксид, алкоксиды, амиды, гидрид и алкиланионы не служат уходящими группами в реакциях S N 2.

С другой стороны, когда анионные или дианионные тетраэдрические интермедиаты коллапсируют, высокая электронная плотность соседнего гетероатома способствует вытеснению уходящей группы. Таким образом, в случае гидролиза сложного эфира и амида в основных условиях алкоксиды и амиды обычно предлагаются в качестве уходящих групп. Аналогичным образом, реакции E1cb с участием гидроксида в качестве уходящей группы не являются редкостью (например, при альдольной конденсации ). Чрезвычайно редко группы, такие как H - ( гидриды ) и R 3 C - ( алкильные анионы , R = алкил или H), уходят с парой электронов из-за высокой энергии этих частиц. Реакция Чичибабина представляет собой пример гидрида в качестве уходящей группы, в то время как реакции Вольфа-Kishner и реакция Галлера-Bauer особенности заходов карбаниона уходящих групп.

Контекстные различия в способностях выхода из группы

Важно отметить, что приведенный выше список является качественным и описывает тенденции . Возможность группы уйти зависит от контекста. Например, в реакциях S N Ar скорость обычно увеличивается, когда уходящей группой является фторид по сравнению с другими галогенами. Этот эффект обусловлен тем фактом, что переходное состояние с наивысшей энергией для этого двухэтапного процесса присоединения-отщепления происходит на первом этапе, где большая способность фторида к отрыву электронов по сравнению с другими галогенидами стабилизирует развивающийся отрицательный заряд на ароматическом кольце. Уход уходящей группы происходит быстро из этого высокоэнергетического комплекса Мейзенгеймера , и, поскольку уход не участвует в стадии ограничения скорости, он не влияет на общую скорость реакции. Этот эффект является общим для сопряженных исключений оснований.

Даже когда уход уходящей группы связан с этапом реакции, ограничивающим скорость, все же могут существовать контекстные различия, которые могут изменить порядок выхода из группы способности. При алкилировании Фриделя-Крафтса нормальный порядок уходящей группы галогена меняется на противоположный, так что скорость реакции соответствует RF> RCl> RBr> RI. Этот эффект обусловлен их большей способностью образовывать комплекс с катализатором на основе кислоты Льюиса, и фактическая группа, которая уходит, представляет собой «съеденный» комплекс между кислотой Льюиса и уходящей уходящей группой. Эта ситуация в широком смысле определяется как активация выхода из группы .

Все еще могут существовать контекстные различия в способности уходящей группы в чистом виде, то есть когда фактическая группа, которая уходит, не зависит от условий реакции (протонированием или комплексообразованием с кислотой Льюиса), и уход уходящей группы происходит при определении скорости шаг. В ситуации, когда другие переменные остаются постоянными (природа алкилэлектрофила, растворитель и т.д.), изменение нуклеофила может привести к изменению порядка реакционной способности уходящих групп. В приведенном ниже случае тозилат является лучшей уходящей группой, когда этоксид является нуклеофилом, но йодид и даже бромид становятся лучше уходящими группами в случае тиолатного нуклеофила.

Относительные скорости уходящих групп ( k X / k Br ) в каждой реакции
Выход из группы (X)
Пропилгалогенид толуолтиолат response.png
Этилгалогенид этоксид response.png
Cl 0,0074 0,0024 (при 40 ° С)
Br 1 1
я 3.5 1.9
ОТ 0,44 3,6

Активация

Обычно в реакциях E1 и S N 1 плохая уходящая группа превращается в хорошую в результате протонирования или комплексообразования с кислотой Льюиса . Таким образом, именно за счет протонирования перед отлетом молекула может формально потерять такие плохо уходящие группы, как гидроксид.

Тот же принцип работает в реакции Фриделя-Крафтса . Здесь сильная кислота Льюиса требуется для образования либо карбокатиона из алкилгалогенида в реакции алкилирования Фриделя-Крафтса, либо иона ацилия из ацилгалогенида.

Активация группы выхода комплексообразованием с кислотой Льюиса png.png

В подавляющем большинстве случаев реакции, которые включают активацию уходящей группы, генерируют катион на отдельной стадии перед нуклеофильной атакой или отщеплением. Например, реакции S N 1 и E1 могут включать стадию активации, тогда как реакции S N 2 и E2 обычно не включают .

В сопряженных основаниях исключения

Требование хорошей уходящей группы ослабляется в реакциях отщепления конъюгированных оснований. Эти реакции включают потерю уходящей группы в β-положении енолята, а также регенерацию карбонильной группы из тетраэдрического промежуточного соединения при нуклеофильном ацильном замещении. В условиях принудительного воздействия даже амиды могут подвергаться основному гидролизу, процессу, который включает в себя удаление крайне слабой уходящей группы R 2 N - . Еще более драматично, декарбоксилирование бензоат-анионов может происходить при нагревании с медью или Cu 2 O, что приводит к потере арильного аниона. Этой реакции способствует тот факт, что уходящая группа, скорее всего, представляет собой соединение арилмеди, а не гораздо более основную соль щелочного металла.

Это резкое отклонение от нормальных требований уходящей группы происходит в основном в области образования двойной связи C = O, где образование очень прочной двойной связи C = O может привести к развитию неблагоприятных в противном случае реакций. Требование хорошей уходящей группы все еще ослабляется в случае образования связи C = C посредством механизмов E1cB, но из-за относительной слабости двойной связи C = C реакция все еще проявляет некоторую чувствительность к уходящей группе. Примечательно, что изменение идентичности уходящей группы (и готовность уйти) может изменить природу механизма реакции элиминации. При плохих уходящих группах механизм E1cB предпочтителен, но по мере изменения способности уходящей группы реакция смещается от скорости, определяющей потерю уходящей группы из карбанионного промежуточного соединения B через TS BC , на этап депротонирования, определяющий скорость через TS AB (не изображено) к согласованному устранению E2. В последней ситуации уходящая группа X стала достаточно хорошей, чтобы первое переходное состояние, соединяющее промежуточные соединения B и C , стало ниже по энергии, чем B , которая больше не является стационарной точкой на поверхности потенциальной энергии для реакции. Поскольку только одно переходное состояние связывает исходный материал A и продукт C , реакция теперь согласованная (хотя и очень асинхронная в изображенном случае) из-за увеличения способности X уходить из группы.

E1cB response.png
Устранение континуума.png

"Супер" и "гипер" уходящие группы

Типичная уходящая супер группа является трифлатной , и этот термин стал обозначать любую уходящую группу со сравнимыми способностями. Соединения, в которых потеря супер уходящей группы может привести к образованию стабильного карбокатиона, обычно очень реакционноспособны и нестабильны. Таким образом, наиболее часто встречающимися органическими трифлатами являются метилтрифлат и алкенил- или арилтрифлаты, все из которых не могут образовывать стабильные карбокатионы при ионизации, что делает их относительно стабильными. Было отмечено , что стероидный алкильный nonaflates (другую супер уходящей группа) , полученный из спиртов и фторида perfluorobutanesulfonyl не выдел емый как таковые , но сразу же формируются продукты либо устранения или замещения с помощью фторида , порожденного реагента. Смешанные ацил-трифторметансульфонилангидриды плавно подвергаются ацилированию по Фриделю-Крафтсу без катализатора, в отличие от соответствующих ацилгалогенидов, для которых требуется сильная кислота Льюиса. Однако метилтрифлат не участвует в реакциях алкилирования Фриделя-Крафтса электронно-нейтральными ароматическими кольцами.

Помимо супер уходящих групп в реактивности находятся «гипер» уходящие группы. Важное место среди них Л 3 -iodanes , которые включают в себя диарилйодония соли и другие ионы галониевых . В одном исследовании было проведено количественное сравнение этих и других уходящих групп. По отношению к хлориду (k отн = 1) реакционная способность увеличивалась в следующем порядке: бромид (k отн = 14), йодид (k отн = 91), тозилат (k отн = 3,7 x 10 4 ), трифлат (k отн = 1,4 x 10 8 ), тетрафторборат фенилиодония (PhI + BF 4 - , k отн = 1,2 · 10 14 ). Наряду с критерием того, что гипер уходящая группа является более сильной уходящей группой, чем трифлат, является необходимость того, чтобы уходящая группа подвергалась восстановительному удалению. В случае ионов галония это включает восстановление от трехвалентного галония до одновалентного галогенида в сочетании с высвобождением анионного фрагмента. Отчасти исключительная реакционная способность соединений с гипер уходящими группами приписывается энтропийной благоприятности расщепления одной молекулы на три.

Способность гипер уходящих групп усиливается энтропийными факторами.

Ионы диалкилгалогония также были выделены и охарактеризованы для простых алкильных групп. Эти соединения, несмотря на их крайнюю реакционную способность по отношению к нуклеофилам, могут быть получены в чистом виде в твердом состоянии с очень слабонуклеофильными противоионами, такими как SbF. -
6
и CHB 11 Cl 11 - . Сильно электрофильная природа этих соединений, обусловленная их присоединением к чрезвычайно лабильным уходящим группам RX (R = алкил, X = Cl, Br, I), иллюстрируется их склонностью к алкилированию очень слабых нуклеофилов. Нагревание чистых образцов (CH 3 ) 2 Cl + [CHB 11 Cl 11 ] - при пониженном давлении привело к метилированию очень слабонуклеофильного карборан-аниона с сопутствующим изгнанием уходящей группы CH 3 Cl. Соли гексафторантимоната диалкилгалогения алкилируют избыток алкилгалогенидов с образованием продуктов обмена. Их сильно электрофильная природа, наряду с нестабильностью первичных карбокатионов, образующихся в результате ионизации их алкильных групп, указывает на их возможное участие в химии алкилирования Фриделя-Крафтса. Порядок увеличения лабильности этих уходящих групп равен RI <R-Br <R-Cl.

Смотрите также

Рекомендации