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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:

    Molécula inicial: Dos carbonos cada uno con dos grupos R, uno con H y otro con X. Paso 1: flecha del enlace sencillo verde a X. Paso 2: Flecha de B a hidrógeno unido al carbono y flecha del enlace CH al enlace CC. El producto final es un alqueno.

    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.

    Producto inicial: ciclohexanol. Texto apuntando a OH: pobre grupo de salida. Paso A: Flecha de par de préstamo sobre oxígeno a hidrógeno en ácido fosfórico. El OH2+ es un buen grupo de salida y hojas, formando un carbocatión en la etapa 1. Paso 2: Flecha de anión de ácido fosfórico a hidrógeno sobre carbono junto al catión. Forma ciclohexeno y reforma el ácido fosfórico.

    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.

    Ejercicio 14.3.1

    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.

    Producto inicial: ciclohexano con dos grupos metilo uno al lado del otro y una X sobre el mismo carbono que 1 grupo metilo. X deja y forma un carbocatión. Texto: un protón puede ser abstraído de uno de los tres carbonos adyacentes. Tres opciones para productos.

    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.

    Benceno con cadena carbonada con una X. Producto principal E1: trans alqueno. Producto menor E1: cis-alqueno.

    Ejercicio 14.3.2

    Dibujar las estructuras de todos los productos E1 posibles comenzando con los compuestos a continuación, y clasificarlos en orden de mayor a menor abundancia.

    Tres moléculas. Izquierda: ciclopentano con sustituyente 1-bromoetilo. Medio: ciclohexano con sustituyentes cloro y metilo. Derecha: cadena de carbono con grupo tosilato. Texto: grupo tosilato: ver sección 8.4.

    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:

    La base fuerte y el haluro de alquilo reaccionan para formar un alqueno, un alcohol y un anión halógeno. Texto: la rotura de la unión y la formación de enlaces ocurren simultáneamente, sin 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).

    Cyclohexane with bromine. BR group leaves to form cation. Two options. A: Water acts as base and attacks a hydrogen forming a double bond in an elimination reaction. B: Water acts as a nucleophile and attacks the carbocation adding an OH group to the ring in a substitution reaction.

    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.

    1-bromociclohexano con diferentes reactivos. Arriba: Reacciona con I-. Texto: base débil, buen nucleófilo. Producto 1-yodociclohexano. Texto: principalmente producto de sustitución. Segunda fila: Reacciona con cadena O- carbono. Texto: base fuerte, nucleófilo pobre (obstaculizado). Producto 1-ciclohexeno. Texto: principalmente producto de eliminación. Tercera fila: Reacciona con OH-. Texto: base fuerte, buen nucleófilo. Productos: 1-ciclohexanol más 1-ciclohexeno. Texto: mezcla de productos. Abajo: Reacciona con agua. Texto: base débil, nucleófilo pobre. Productos: 1-ciclohexanol más 1-ciclohexeno. Texto: mezcla de productos.

    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).

    Top: 1-bromopropane reacts with CH3O-. Text: primary. Product: bromine replaced by OCH3. Text: substitution only. Bottom: 1-bromocyclohexane reacts with CH3O-. Text: secondary. Products: 1-cyclohexene and cyclohexane with OCH3 instead of bromine. Text: mixture of products.

    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.

    Ejercicio 14.3.3

    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.

    1. bromociclopentano más etóxido
    2. 1-clorohexano más CH3S-
    3. 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:

    Material de partida: histidina. Flecha de OH a Hidrógeno sobre HA y flecha de enlace a A. Va a carbocatión con carga positiva sobre carbono y un alqueno con carga positiva sobre nitrógeno. Texto: carbocatión estabilizado por resonancia. Flecha de base a hidrógeno en carbocatión. Va al alqueno con alcohol que está en equilibrio con el carbonilo. Texto: tautomerización.

    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):

    Aminoácido aromático con grupo OP unido al sustituyente. Flecha que indica un PI de salida. El producto no tiene grupo OP y un grupo CH2 de doble enlace.

    Ejercicio 14.3.4

    Dibuja un mecanismo completo para la reacción anterior. Mostrar cómo el carbocatión intermedio se estabiliza por resonancia.

    Ejercicio 14.3.5

    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.

    Aminoácido aromático con grupo PO y un doble enlace va al corismato (sin sustituyente PO y dos dobles enlaces). La flecha indica dejar PI.

    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:

    Cadena carbonada con sustituyente X y sustituyente CO2-. Texto: X=Dejando grupo. La flecha indica X saliendo. Forma un catión. Flecha de O sobre CO2 y flecha de enlace CC a catión. Texto: descarboxilación en lugar de desprotonación. Productos: alqueno, X- y CO2.

    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).

    Molécula inicial: Difosfato de isopentenilo. OP deja y forma un catión. Flecha de O- a carbonilo. Flecha del carbonilo al catión. Productos: alqueno, CO2 y PI.

    Ejercicio 14.3.6

    Una reacción de descarboxilación conjugada/eliminación E1 (EC 4.2.1.51) ocurre en la ruta de biosíntesis de fenilalanina.

    Molécula inicial: fenilalanina. Flecha que indica la salida de H2O y CO2.

    1. Predecir el producto y dibujar un mecanismo.
    2. ¿Qué dos factores principales contribuyen a la 'fuerza impulsora' para esta reacción?

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