14.3: Eliminación por el Mecanismo E1
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Eliminación E1 - Una visión general
El reverso de la adición electrofílica se llama eliminación E1. Comenzaremos por observar algunas reacciones E1 no bioquímicas, ya que los mecanismos de E1 en realidad son algo inusuales en las vías bioquímicas.
Eliminación E1:
Una eliminación de E1 comienza con la salida de un grupo lábil (designado 'X' en la figura general anterior) y la formación de un carbocatión intermedio (paso 1). La abstracción de un protón de un carbono adyacente (paso 2) envía dos electrones hacia abajo para llenar el orbital p vacío del carbocatión, formando un nuevo enlace p. La base en esta etapa puede ser el grupo de salida, u otra especie básica en solución.
La eliminación de E1 no ocurre cuando el grupo lábil está unido a un carbono primario, a menos que el carbono esté en posición alílica o bencílica. Recordemos que un carbocatión primario, a menos que se estabilice por resonancia, es altamente inestable y un intermedio de reacción poco probable.
Sin embargo, las eliminaciones de E1 pueden ocurrir en los carbonos secundarios. Si el ciclohexanol se calienta con una cantidad catalítica de ácido fosfórico, la eliminación del agua (deshidratación) da como resultado ciclohexeno como producto. El papel del ácido fosfórico es protonar el alcohol ('paso a' a continuación), convirtiéndolo en un grupo lábil viable.
La reacción es reversible, pero si el ciclohexeno se destila de la mezcla de reacción a medida que se forma, el equilibrio puede conducirse hacia el producto (es posible que desee revisar el principio de Le Chatelier en su libro de texto de Química General). La separación del ciclohexeno (punto de ebullición\(83^{\circ}\)) del ciclohexanol (punto de ebullición\(161^{\circ}\)) es simple debido a la gran diferencia en los puntos de ebullición entre los dos líquidos.
Cuando la reacción de laboratorio descrita anteriormente se lleva a cabo hasta su finalización, generalmente se deja un 'goop' viscoso en el matraz de destilación, que se endurece al enfriarse. Dibuje un mecanismo que muestre cómo se podría formar esta 'goop' y explicar por qué se endurece al enfriarse.
Regioquímica de la eliminación de E1
Las reacciones E1 no enzimáticas a menudo pueden dar como resultado una mezcla de más de un producto alqueno. La eliminación de 'HX' del siguiente compuesto de partida, por ejemplo, podría producir tres posibles productos alquenos diferentes.
Observe en la figura anterior que los tres posibles productos E1 no se forman en igual abundancia. El producto alqueno más abundante es el que está más sustituido: en otras palabras, el alqueno en el que los dos\(sp^2\) carbonos están unidos a la menor cantidad de átomos de hidrógeno. En este caso, el alqueno más sustituido tiene cero sustituyentes hidrógeno. El producto alqueno menos sustituido -y menos abundante- tiene dos sustituyentes de hidrógeno, mientras que el alqueno medio tiene un sustituyente de hidrógeno. Esta tendencia se observa generalmente con reacciones de eliminación de E1 no enzimáticas, y se conoce como regla de Zaitsev después del químico ruso Alexander Zaitsev.
Estereoquímica de la eliminación de E1
Las reacciones E1 no enzimáticas también pueden dar como resultado alquenos cis y trans. Teniendo en cuenta que en general los alquenos trans son más estables que los alquenos cis, podemos predecir que los alquenos trans predominarán en la mezcla del producto.
Dibujar las estructuras de todos los productos E1 posibles comenzando con los compuestos a continuación, y clasificarlos en orden de mayor a menor abundancia.
El mecanismo de eliminación E2
Cuando una base fuerte se combina con un haluro de alquilo (o tosilato/mesilato de alquilo), la eliminación generalmente ocurre por la ruta E2, en la que la abstracción de protones y la pérdida del grupo lábil ocurren simultáneamente, sin un intermedio intermedio de carbocatión:
Al igual que en el\(S_N2\) mechanism, the '2' in the E2 designation refers to the idea that the rate-determining (and only) step of the reaction is a collision between the two reacting molecules, in this case bromocyclohexane and methoxide ion.
Competition between elimination and substitution
Consider a reaction between water and bromocyclohexane. Based on what we have just learned, a likely product would be the alkene formed from an E1 elimination reaction (pathway (a) in red below).
Sin embargo, la reacción podría tomar otro curso: ¿y si la molécula de agua, en lugar de actuar como base, actuara como nucleófilo (vía (b) en azul? Esto debería parecer familiar, es simplemente una\(S_N1\) reacción (sección 8.1). De hecho, la reacción resultaría en una mezcla de productos de eliminación (E1) y sustitución (\(S_N1\)). Este es un tema común: la eliminación y la sustitución suelen competir entre sí.
Sin embargo, cuando son posibles tanto los productos de eliminación como de sustitución, a menudo podemos predecir qué reacción predominará. En general, las bases fuertes y los carbonos obstaculizados favorecen la eliminación, mientras que los nucleófilos potentes y los carbonos sin obstáculos favorecen la sustitución.
Además, los haluros de alquilo primarios son mucho más propensos a sufrir sustitución que eliminación, incluso cuando el nucleófilo también es una base fuerte, debido a que el carbono electrófilo es libre de obstáculos y es accesible para el nucleófilo. Recordemos que la síntesis de éter de Williamson (sección 8.8) es un laboratorio eficiente\(S_N2\) reaction between a primary (or methyl) alkyl halide and an alkoxide. If a secondary alkyl halide is used, a substantial amount of elimination product will form (the electrophilic carbon is more hindered, and the alkoxide will act as a base as well as a nucleophile).
Si bien la competencia entre las vías de sustitución y eliminación es un problema para los químicos que realizan reacciones en el laboratorio, no se puede decir lo mismo de las reacciones bioquímicas, ya que el sitio activo de la arquitectura de las enzimas ha evolucionado para asegurar la formación de un solo producto.
Predecir el producto (s) orgánico principal (s) de las siguientes reacciones. Si se espera que la reacción resulte en una mezcla de producto de eliminación y sustitución, mostrar ambos.
- bromociclopentano más etóxido
- 1-clorohexano más CH3S-
- 2-yodo-2-metilpentano más hidróxido
Reacciones bioquímicas de eliminación E1
Mirando a través de las vías metabólicas en un libro de texto de bioquímica, verá que casi todas las reacciones de eliminación parecen ser del tipo E1cb, ocurriendo en los carbonos en la\(\square \square \square\) posición relativa a un carbonilo o imina. Un número relativamente pequeño de etapas de eliminación, sin embargo, tienen lugar lejos de la influencia atrayente de electrones de un carbonilo o imina, y estos son del carbocatión-intermedio, tipo E1. El mecanismo E2 es muy raro en las vías bioquímicas.
Una reacción en la ruta biosintética de histidina (EC 4.2.1.19) proporciona un ejemplo de una etapa de deshidratación biológica de E1:
Observe que un mecanismo E1cb no es posible aquí - no hay carbonilo o imina adyacentes y por lo tanto no hay posibilidad de un intermedio aniónico estabilizado. En cambio, el primer paso es la pérdida de agua para formar un intermedio de carbocatión estabilizado por resonancia. La desprotonación completa la fase E1 de la reacción para formar un enol, que rápidamente se tautomeriza a una cetona.
Otro ejemplo de una reacción biológica de E1 se encuentra en la ruta de biosíntesis de aminoácidos aromáticos (EC 2.5.1.19):
Dibuja un mecanismo completo para la reacción anterior. Mostrar cómo el carbocatión intermedio se estabiliza por resonancia.
Otro paso (EC 4.2.3.5) en la ruta de biosíntesis de ácidos aromáticos podría denominarse eliminación E1 conjugada de fosfato, el reverso mecanicista de la adición electrófila a un dieno conjugado (sección 14.1 ). Dibujar un mecanismo completo para esta reacción, mostrando dos contribuyentes de resonancia del intermedio de carbocatión.
En la sección 13.3, vimos algunas reacciones de condensación de Claisen en las que el paso habitual de protón-abstracton fue reemplazado por descarboxilación. Algo similar puede suceder con las eliminaciones E1:
El difosfato de isopentenilo, el 'bloque de construcción' para todos los compuestos isoprenoides, es un producto de este tipo de reacción híbrida de descarboxilación/eliminación (EC 4.1.1.33).
Una reacción de descarboxilación conjugada/eliminación E1 (EC 4.2.1.51) ocurre en la ruta de biosíntesis de fenilalanina.
- Predecir el producto y dibujar un mecanismo.
- ¿Qué dos factores principales contribuyen a la 'fuerza impulsora' para esta reacción?