Reacción de eliminación

Una reacción de eliminación es un tipo de reacción orgánica en la que se eliminan dos sustituyentes de una molécula en un mecanismo de uno o dos pasos. ^[2] El mecanismo de un paso se conoce como reacción E2 y el mecanismo de dos pasos se conoce como reacción E1 . Los números no se refieren al número de pasos del mecanismo, sino a la cinética de la reacción: E2 es bimolecular (de segundo orden) mientras que E1 es unimolecular (de primer orden). En los casos en los que la molécula puede estabilizar un anión pero posee un grupo saliente pobre, existe un tercer tipo de reacción, E1 _CB . Finalmente, la pirólisis de los ésteres de xantato y acetato se realiza a través de un mecanismo de eliminación "interno", el mecanismo E _i .

El mecanismo E2, donde E2 significa eliminación bimolecular , implica un mecanismo de un solo paso en el que los enlaces carbono-hidrógeno y carbono-halógeno se rompen para formar un enlace doble ( enlace C=C Pi ).

Los detalles de la reacción son los siguientes:

• E2 es una eliminación de un solo paso, con un solo estado de transición .
• Generalmente lo experimentan haluros de alquilo sustituidos primarios, pero es posible con algunos haluros de alquilo secundarios y otros compuestos.
• La velocidad de reacción es de segundo orden , porque está influenciada tanto por el haluro de alquilo como por la base (bimolecular).
• Debido a que el mecanismo E2 da como resultado la formación de un enlace pi, los dos grupos salientes (a menudo un hidrógeno y un halógeno ) deben ser antiperiplanares . Un estado de transición antiperiplanar tiene una conformación escalonada con menor energía que un estado de transición sinperiplanar , que está en conformación eclipsada con mayor energía. El mecanismo de reacción que implica una conformación escalonada es más favorable para las reacciones E2 (a diferencia de las reacciones E1).
• El E2 normalmente utiliza una base fuerte . Debe ser lo suficientemente fuerte como para eliminar un hidrógeno débilmente ácido.
• Para que se cree el enlace pi, la hibridación de los carbonos debe reducirse de sp ³ a sp ² .
• El enlace CH se debilita en el paso de determinación de la velocidad y, por lo tanto, se observa un efecto isotópico de deuterio primario mucho mayor que 1 (comúnmente 2-6).
• E2 compite con el mecanismo de reacción S _N 2 si la base también puede actuar como nucleófilo (lo cual es cierto para muchas bases comunes).

Un ejemplo de este tipo de reacción en el esquema 1 es la reacción del bromuro de isobutilo con etóxido de potasio en etanol . Los productos de reacción son isobuteno , etanol y bromuro de potasio .

E1 es un modelo para explicar un tipo particular de reacción de eliminación química. E1 significa eliminación unimolecular y tiene las siguientes especificaciones

• Es un proceso de eliminación de dos pasos: ionización y desprotonación .
  • Ionización : el enlace carbono-halógeno se rompe para dar un carbocatión intermedio.
  • desprotonación del carbocatión.
• La E1 generalmente ocurre con haluros de alquilo terciarios , pero es posible con algunos haluros de alquilo secundarios.
• La velocidad de reacción se ve influida únicamente por la concentración del haluro de alquilo, ya que la formación del carbocatión es el paso más lento, conocido como el paso determinante de la velocidad . Por lo tanto, se aplica la cinética de primer orden (unimolecular).
• La reacción generalmente ocurre en ausencia total de una base o en presencia de sólo una base débil (condiciones ácidas y alta temperatura).
• Las reacciones E1 compiten con las reacciones S _N 1 porque comparten un intermedio carbocatiónico común.
• Se observa un efecto isotópico secundario de deuterio ligeramente mayor que 1 (comúnmente 1 - 1,5).
• No existe ningún requisito antiperiplanar. Un ejemplo es la pirólisis de un determinado éster sulfonado de mentol :

Sólo el producto de reacción A resulta de la eliminación antiperiplanar. La presencia del producto B es una indicación de que se está produciendo un mecanismo E1. ^[3]

• Se acompaña de reacciones de reordenamiento carbocatiónico.

Un ejemplo en el esquema 2 es la reacción de bromuro de terc-butilo con etóxido de potasio en etanol.

Las eliminaciones de E1 ocurren con haluros de alquilo altamente sustituidos por dos razones principales.

• Los haluros de alquilo altamente sustituidos son voluminosos, lo que limita el espacio para el mecanismo de un solo paso E2; por lo tanto, se favorece el mecanismo de dos pasos E1.
• Los carbocationes altamente sustituidos son más estables que los cationes metilo o sustituidos primariamente. Esta estabilidad da tiempo para que se produzca el mecanismo E1 de dos pasos.

Si las vías _SN 1 y E1 están compitiendo, la vía E1 puede verse favorecida aumentando el calor.

Características específicas:

1. Reordenamiento posible
2. Independiente de la concentración y basicidad de la base

La velocidad de reacción está influenciada por la reactividad de los halógenos , siendo el yoduro y el bromuro los más favorecidos. El fluoruro no es un buen grupo saliente, por lo que las eliminaciones con fluoruro como grupo saliente tienen velocidades más lentas que otros halógenos. Existe un cierto nivel de competencia entre la reacción de eliminación y la sustitución nucleofílica . Más precisamente, existen competencias entre E2 y S _N 2 y también entre E1 y S _N 1. Generalmente, la eliminación se favorece sobre la sustitución cuando

• El impedimento estérico alrededor del carbono α aumenta.
• Se utiliza una base más fuerte.
• La temperatura aumenta (aumenta la entropía )
• La base es un nucleófilo pobre . Las bases con volumen estérico (como el terc-butóxido de potasio ) suelen ser nucleófilos pobres.

Por ejemplo, cuando un haloalcano 3° reacciona con un alcóxido, debido al fuerte carácter básico del alcóxido y a la falta de reactividad del grupo 3° hacia S _N 2, solo se observa la formación de alquenos por eliminación de E2. Por lo tanto, la eliminación por E2 limita el alcance de la síntesis de éteres de Williamson (una reacción de S _N 2) esencialmente a solo haloalcanos 1°; los haloalcanos 2° generalmente no dan rendimientos sintéticamente útiles, mientras que los haloalcanos 3° fallan completamente.

Con bases fuertes, los haloalcanos de 3° dan lugar a la eliminación por E2. Con bases débiles, se forman mezclas de productos de eliminación y sustitución mediante la competencia de las vías S _N 1 y E1.

El caso de los haloalcanos de 2° es relativamente complejo. Para los nucleófilos fuertemente básicos (p K _aH > 11, p. ej., hidróxido, alcóxido, acetiluro), el resultado es generalmente la eliminación por E2, mientras que las bases más débiles que aún son buenos nucleófilos (p. ej., acetato, azida, cianuro, yoduro) darán principalmente S _N 2. Finalmente, las especies débilmente nucleófilas (p. ej., agua, alcoholes, ácidos carboxílicos) darán una mezcla de S _N 1 y E1.

En el caso de los haloalcanos de 1° con ramificación β, la eliminación de E2 sigue siendo generalmente preferida en lugar de S _N 2 para los nucleófilos fuertemente básicos. Los haloalcanos de 1° sin impedimentos favorecen S _N 2 cuando el nucleófilo también está sin impedimentos. Sin embargo, los nucleófilos fuertemente básicos y con impedimentos favorecen E2.

En general, con la excepción de las reacciones en las que E2 es imposible porque los hidrógenos β no están disponibles (por ejemplo, haluros de metilo, alilo y bencilo), ^[4] la sustitución limpia de S _N 2 es difícil de lograr cuando se utilizan bases fuertes, ya que los productos de alqueno que surgen de la eliminación casi siempre se observan en algún grado. Por otro lado, la E2 limpia se puede lograr simplemente seleccionando una base estéricamente impedida (por ejemplo, terc -butóxido de potasio). De manera similar, los intentos de efectuar la sustitución por S _N 1 casi siempre dan como resultado una mezcla de productos contaminada por algún producto E1 (de nuevo, con la excepción de los casos en los que la falta de hidrógenos β hace imposible la eliminación). ^[5]

En un estudio ^[6] se determinó el efecto isotópico cinético (EIC) para la reacción en fase gaseosa de varios haluros de alquilo con el ion clorato . De acuerdo con una eliminación E2, la reacción con cloruro de t-butilo da como resultado un EIC de 2,3. La reacción con cloruro de metilo (solo es posible S _N 2 ) por otro lado tiene un EIC de 0,85 consistente con una reacción S _N 2 porque en este tipo de reacción los enlaces CH se estrechan en el estado de transición. Los EIC para los análogos de etilo (0,99) e isopropilo (1,72) sugieren competencia entre los dos modos de reacción.

La β-eliminación, con pérdida de la electrófuga y la nucleófuga en los átomos de carbono vecinos, es por lejos el tipo de eliminación más común. La capacidad de formar un producto estable que contenga un enlace C=C o C=X, así como las consideraciones de alineación orbital, favorecen fuertemente la β-eliminación sobre otros procesos de eliminación. ^[7] Sin embargo, se conocen otros tipos, generalmente para sistemas donde la β-eliminación no puede ocurrir.

El siguiente tipo más común de reacción de eliminación es la α-eliminación. Para un centro de carbono, el resultado de la α-eliminación es la formación de un carbeno, que incluye "carbenos estables" como el monóxido de carbono o los isocianuros . Por ejemplo, la α-eliminación de los elementos de HCl del cloroformo (CHCl ₃ ) en presencia de una base fuerte es un enfoque clásico para la generación de diclorocarbeno , :CCl ₂ , como intermediario reactivo. Por otro lado, el ácido fórmico sufre una α-eliminación para producir los productos estables agua y monóxido de carbono en condiciones ácidas. La α-eliminación también puede ocurrir en un centro metálico, un resultado particularmente común de la cual es la reducción tanto del estado de oxidación del metal como del número de coordinación en 2 unidades en un proceso conocido como eliminación reductora . (De manera confusa, en la terminología organometálica, los términos α-eliminación y α-abstracción se refieren a procesos que resultan en la formación de un complejo metal-carbeno. ^[8] En estas reacciones, es el carbono adyacente al metal el que sufre α-eliminación).

En ciertos casos especiales, también es posible realizar eliminaciones γ y superiores para formar anillos de tres miembros o más grandes en procesos orgánicos y organometálicos. Por ejemplo, ciertos complejos de Pt(II) experimentan una eliminación γ y δ para dar metalociclos. ^[9] Más recientemente, se ha utilizado la eliminación γ-silílica de un tosilato de sililociclobutilo para preparar sistemas bicíclicos deformados. ^[10]

Muchos de los conceptos y terminología relacionados con las reacciones de eliminación fueron propuestos por Christopher Kelk Ingold en la década de 1920.

• Reacción de eliminación de E1cB

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