4. R E A K C J E E L I M I N A C J I

A. Kołodziejczyk 2010. 02

Związki organiczne zawierające dobrą grupę odchodzącą mogą ulegać reakcji eliminacji, w wyniku czego powstają alkeny.

B^-

R-CH₂-CH₂-X _→ R-CH=CH₂ + BX

Grupami odchodzącymi są te same jony lub cząsteczki, które zostały omówione w reakcjach substytucji, a więc halogenki, reszta tosylanowa, alkoksylanowa czy woda. Reakcje eliminacji zachodzą pod wpływem zasad, a ponieważ odczynniki zasadowe wykazują zwykle również właściwości nukleofilowe, reakcje substytucji i eliminacji są wzajemnie konkurencyjne i zwykle współbieżne.

Nu^-

R-CH₂-CH₂-X ___→ R-CH=CH₂ + R-CH₂-CH₂-Nu

- NuX, - X^-

↑ ↑

eliminacja substytucja

Kierunek reakcji zależy zarówno od właściwości związku organicznego, właściwości odczynnika (im bardziej zasadowy tym większa tendencja do eliminacji) i warunków reakcji.

Reakcje eliminacji, podobnie jak substytucji mogą biec wg mechanizmu dwucząsteczkowego E2, jak i jednocząsteczkowego E1.

4.1 Reakcje eliminacji typu E2

R-CH₂-CH₂-X + B^- _→ R-CH=CH₂ + HB + X^-

W reakcjach eliminacji biegnących wg mechanizmu E2 szybkość reakcji zależy od stężenia obu reagentów.

v = k[R-CH₂-CH₂-X]^.[B^-]

4.1.1.Reguła Zajcewa

Reakcje eliminacji są regiospecyficzne, a ich kierunek określa reguła Zajcewa, która brzmi: w produktach reakcji eliminacji halogenowodoru (HX) z halogenków alkilowych przeważa bardziej rozgałęziony alken.

2-bromobutan but-2-en (81%) but-1-en (19%)

2-bromo-2-metylobutan 2-metylobut-2-en (70%) 2-metylobut-1-en (30%)

Reakcje E2 zachodzą pod wpływem silnej zasady. Odrywa ona proton z atomu węgla w pozycji , czyli z atomu sąsiadującego z atomem C do którego przyłączona jest grupa odchodząca.

stan przejściowy reakcji E2

W stanie przejściowym, który zaistniał w wyniku ataku zasady (EtO^-) na atom wodoru związany z C_ dochodzi do rozluźnienia wiązania pomiędzy H-C_ i C_-Br i utworzenia częściowo podwójnego wiązania pomiędzy C_-C_ (zaznaczone linią przerywaną).

Warto zwrócić uwagę, że proton jest odrywany wyłącznie wtedy, gdy znajduje się w pozycji s-trans w stosunku do grupy odchodzącej, tzn. że atom wodoru i grupa odchodząca muszą być do siebie w konformacji antyperiplanarnej (naprzemianległej). Tylko w tej konformacji jest możliwość nakładania się orbitali wiążących atomu wodoru oraz grupy odchodzącej i utworzenia wiązania częściowo podwójnego, co znacznie zmniejsza energię stanu przejściowego. W stanie przejściowym osie orbitali  tworzącego się wiązania podwójnego muszą znaleźć się w jednej płaszczyźnie z osiami orbitali sp³ wiązania atomu wodoru i grupy odchodzącej. Dodatkowo w tej konformacji odrywany proton zajmuje pozycję najbardziej oddaloną od grupy odchodzącej, a tym samym zasada (EtO^-) ma ułatwione warunki do zbliżenia się do niego; w każdej innej konformacji zasada jest mocniej odpychana przez elektrostatycznie działanie ujemnie naładowanej grupy odchodzącej.

Energia stanu przejściowego decyduje o kierunku eliminacji i racjonalnie tłumaczy regułę Zajcewa. W reakcji 2-bromo-2-metylobutanu z etanolanem sodu jest możliwość utworzenia dwóch struktur stanu przejściowego, w wyniku ataku zasady na proton przy C1 lub C3.

Schemat reakcji eliminacji typu E2. Zgodnie z regułą Zajcewa preferowane jest tworzenie się alkenu bardziej rozgałęzionego, ponieważ stan przejściowy A jest stabilizowany przez 3 grupy alkilowe (zaznaczone kolorem niebieskim), a B tylko przez dwie

Utworzenie stanu przejściowego B wymaga większej energii aktywacji, jest więc mniej prawdopodobne.

4.1.2 Przykłady reakcji eliminacji (orientacja reakcji dehydrohalogenacji

Na wydajność określonego alkenu w produktach reakcji eliminacji wpływa nie tylko trwałość produktu pośredniego (tym samym danego alkenu), ale również liczba i reaktywność (kwasowość) atomów H ulegających oderwaniu.

Reaktywność atomów wodoru w reakcjach eliminacji Tabela 4.1

Substrat _→ produkt	Względna szybkość	Względna szybkość w przeliczeniu na 1 atom H
H-CH2CH2Br → CH2=CH2	1,0	1,0 (trzy H)
CH3CHHCH2Br → CH3CH=CH2	3,3 :2/3	5,0 (dwa H)
H-CH2CHBrCH3 → CH3CH=CH2	9,4 :2	4,7 (sześć H)
(CH3)2CBr(CH2H)	120 :3	40 (dziewięć H)

Wraz ze wzrostem rzędowości atomów C, z którymi związany jest halogen rośnie kwasowość atomów wodoru na sąsiadujących atomach węgla, a tym samym ich reaktywność w reakcjach eliminacji E2, równocześnie ten czynnik (rzędowość atomów C) sprzyja powstawaniu bardziej rozgałęzionych alkenów.

Reaktywność halogenków alkilowych w reakcjach dehydrohalogenacji rośnie wraz ze wzrostem ich rzędowości: 1^o < 2^o < 3^o.

4.1.3 Reakcje eliminacji halogenowodorów ze związków chiralnych - Stereochemia reakcji E2

Podobnie jak S_N2, tak i reakcje eliminacji biegnące mechanizmem E2 są stereospecyficzne. Produkty reakcji eliminacji bromowodoru z 1-bromo-1,2-difenylopropanu zależą od konfiguracji substratu. Ze stereoizomerów (1R,2R) i (1S,2S) otrzymuje się cis-1,2-difenylopropen, podczas gdy z (1S,2R) i (1R,2S) powstaje trans-1,2-difenylopropen.

Powyższa zależność wynika z preferencji konformacyjnej stanu pośredniego reakcji E2. Zwykle, ze względów energetycznych dwa największe podstawniki w cząsteczce organicznej znajdują się w pozycji antyperiplanarnej (s-trans). Natomiast reakcja E2 wymaga, żeby to atom H zajął pozycję s-trans, a więc najbardziej oddaloną od grupy odchodzącej -X. Taki układ ułatwia atak zasady, ponieważ ujemnie naładowana zasada może zbliżyć się do cząsteczki organicznej jedynie od przeciwnej strony do grupy odchodzącej (ma ona też ładunek cząstkowy ujemny i działa na zasadę odpychająco).

Konformacja substratu w stanie przejściowym reakcji eliminacji typu E2

Mechanizm reakcji E2

Powyższe wyjaśnienia ułatwiają zrozumienie, dlaczego z (1S,2R)- i z (1R,2S)-1-bromo-1,2-difenylopropanu powstaje (E)-1,2-difenylopropen, a z (1R,2R)- i z (1S,2S)-1-bromo-1,2-difenylopropanu tworzy się (Z)-1,2-difenylopropen.

W projekcji perspektywicznej cząsteczki widać wyraźnie, że eliminacja cząsteczki HBr z (1S,2R)-1-bromo-1,2-difenylopropanu prowadzi do izomeru E. Ten sam produkt powstaje w trakcie eliminacji cząsteczki HBr z jego enancjomeru - (1R,2S).

Z enancjomerów (1R,2R) i (1S,2S)-1-bromo-1,2-difenylopropanu powstaje izomer (Z).

4.2 Reakcje eliminacji typu E1

Z chlorku t-butylu w roztworze wodnym zawierającym etanol (dla ułatwienia rozpuszczenia substratu) powstaje zarówno t-butanol jak i 2-metylopropen. Wiadomo, że alkohol powstaje wg mechanizmu S_N1, a jak tworzy się alken, jeżeli w środowisku nie ma silnej zasady?

chlorek tert-butylu (2-chloro-2-metylopropan) alkohol tert-butylowy (2-metylopropan-2-ol) 2-metylopropen

Dla obu produktów szybkość reakcji zależy jedynie od stężenia chlorku t-butylu, a więc 2-metylopropen powstaje wg mechanizmu reakcji eliminacji jednocząsteczkowej, określanej typem E1.

v = k[R-X]

4.2.1 Mechanizm reakcji

Do eliminacji typu E1 dochodzi w środowisku niezbyt zasadowym, a ulegają jej przede wszystkim halogenki 3^o, wolniej, ale również 2^o. W obecności silnych zasad 3^o halogenki ulegają także E2, pod warunkiem, że spełniają wymogi stereochemiczne, czyli możliwość ułożenia się atomu H i grupy odchodzącej w konformacji antyperiplanarnej.

Taka sytuacja występuje w trakcie eliminacji HCl z chlorku mentylu. Grupa izopropylowa tego związku wymusza znaczną przewagę konformeru, w którym izopropyl zajmuje pozycję ekwatorialną. W tej pozycji nie ma możliwości antyperiplanarnego ułożenia się H i Cl, wobec czego eliminacja HCl biegnie bardzo wolno. Jest ona możliwa tylko dla nielicznie reprezentowanej populacji konformerów, w których izopropyl zajmuje pozycję akcjalną.

Eliminacja HCl z chlorku mentylu pod wpływem stężonej zasady zachodzi wg mechanizmu E2 i biegnie bardzo wolno, ponieważ możliwa jest tylko dla niekorzystnej energetycznie konformacji; przyspieszyć ją można przez podwyższenie temperatury reakcji

W stereoizomerycznym chlorku neomentylu reakcja eliminacji jest znacznie szybsza, ponieważ w uprzywilejowanym konformerze atomy H i Cl znajdują się w ułożeniu antyperyplanarnym. Głównym produktem eliminacji jest ment-3-en, ponieważ bardziej kwaśny atom H przy C4 niż przy C2, jest bardziej podatny na oderwanie przez zasadę.

Eliminacja cząsteczki HCl z chlorku neomentylu biegnie szybko mechanizmem E2

W lekko zasadowym środowisku eliminację HCl z chlorku mentylu też się obserwuje, biegnie ona jednak mechanizmem E1 (szybkość reakcji zależy jedynie od stężenia chlorku mentylu); jest ona bardzo wolna, a w produktach znajdują się zarówno ment-2-en, jak i ment-3-en. Reakcja wg E1 zachodzi dwuetapowo, przy czym w pierwszym etapie po dysocjacji Cl^- powstaje karbokation przy C3, a ten z kolei stabilizuje się przez oderwanie protonu od C2 lub C4. Atom H przy C4 (3^o) jest bardziej ruchliwy (b. kwaśny) i dlatego głównym produktem, zgodnie z regułą Zajcewa, jest ment-3-en.

Eliminacja HCl z chlorku mentylu w środowisku słabo zasadowym biegnie wg mechanizmu E1

Dowodem na tworzenie się karbokationu jako produktu pośredniego podczas eliminacji E1 są produkty jego przegrupowania, ponieważ karbokation ma tendencję do przekształcania się w trwalsze ugrupowanie 3^o, jeżeli istnieje taka możliwość.

Zadanie: wyjaśnij pochodzenie produktów powstających w reakcji przedstawionej na powyższym schemacie

Eliminacja typu E1 zaczynająca się dysocjacją Cl^- nie ma specjalnych wymagań konformacyjnych.

4.3 Reakcja dehydratacji

Alkohole mogą ulegać dehydratacji (odwodnieniu), przy czym w tej reakcji zwykle równowagowej, powstają alkeny. Równowaga reakcji dehydratacji jest najczęściej przesunięta na korzyść alkoholi, ale poprzez usuwanie wody lub alkenu (w zależności od temperatury wrzenia reagentów) można otrzymywać alkeny z dużą wydajnością. Często w takiej reakcji wykorzystuje się stężony kwas siarkowy lub fosforowy, które wiążą wodę.

Zadanie: zaproponuj mechanizm dehydratacji 2-pentanolu pod wpływem kwasu siarkowego.

4.4 Porównanie reakcji substytucji nukleofilowej i eliminacji

Reakcje substytucji nukleofilowej S_N i eliminacji E są reakcjami konkurencyjnymi. Znaczący wpływ na kierunek reakcji ma moc użytej zasady. Im silniejsza zasada, tym większy udział eliminacji biegnącej wg mechanizmu E2. Ponadto o kierunku reakcji decyduje:

- budowa związku organicznego (rzędowość atomu C w centrum reakcji),

- właściwości odczynnika reagującego (nukleofilowość/zasadowość),

- rodzaj rozpuszczalnika i inne warunki reakcji.

Pierwszorzędowe halogenki alkilowe reagują głównie wg mechanizmu S_N2 i E2 ponieważ:

- w ataku odczynnika nie przeszkadzają duże podstawniki;

- trudno ulegają dysocjacji do karbokationu.

Na kierunek reakcji decydujący wpływ ma nukleofilowość odczynnika; z silnie nukleofilowymi dochodzi głównie do substytucji, a silne zasady wymuszają eliminację.

Rys. 4.7 Bromek n-butylu w zależności od reagenta ulega reakcji S_N2 z NaCN (silnym nukleofilem) lub E2 z t-BuOK (silna zasadą)

Drugorzędowe halogenki alkilowe ulegają substytucji nukleofilowej i to zarówno wg mechanizmu S_N2 i S_N1 oraz eliminacji, także wg obu mechanizmów E2 i E1, ponieważ mają pośrednie właściwości pomiędzy halogenkami 1^o i 3^o.

Rys. 4.8 Bromek izopropylu w reakcji z etanolanem sodu (silnej zasady, ale słabszej od t-BuOK) ulega głównie eliminacji, a w mniejszym stopniu substytucji do eteru, natomiast z silnym nukleofilem, jakim jest octan sodu zachodzi wyłącznie substytucja

Trzeciorzędowe halogenki alkilowe w zależności od reagentów i warunków ulegają substytucji S_N1 lub eliminacji, przy czym może to być eliminacja E1 lub E2. W reakcji eliminacji 3^o halogenków nie przeszkadza zawada przestrzenna przy atomie C związanym z halogenem, ponieważ zasada odrywa proton z sąsiedniego atomu węgla. Silne zasady w reakcji z 3^o halogenkami alkilowymi wymuszają eliminację, przy czym biegnie ona zarówno wg mechanizmu E1, jak i E2; im silniejsza zasada tym większy udział eliminacji typu E2.

Trzeciorzędowy halogenek, jakim jest bromek t-butylu pod działaniem etanolanu sodu ulega głównie reakcji eliminacji (E2); w samym alkoholu przeważa substytucja S_N1, której towarzyszy eliminacja E1, ale reakcja jest wolna; wymaga ogrzewania w celu zwiększenia jej szybkości.

Porównanie reaktywności halogenków alkilowych Tabela 4.2

Rzędowość R-X	Typ reakcji
		SN1	SN2	E1	E2
1^o	-	główny proces pod wpływem silnych nukleofili	-	główny proces pod wpływem silnych zasad
2^o	zachodzi podczas solwolizy w polarnym rozpuszczalniku	główny proces pod wpływem silnych nukleofili, w polarnym aprotycznym rozpuszczalniku	zachodzi podczas solwolizy w polarnym rozpuszczalniku	główny proces pod wpływem silnych zasad
3^o	główny proces pod wpływem silnych nukleofili, będących słabymi zasadami, biegnie w rozpuszczalnikach polarnych	-	zachodzi podczas solwolizy	główny proces pod wpływem silnych zasad

Objętościowo duże zasady, np. t-BuOK, diizopropyloamina i podobne ułatwiają eliminację typu E2, a utrudniają substytucję S_N2.

8

---