Reacciones de eliminación

Generalidades:

- Sustratos Halogenuros R-X Alcoholes R-OH y

sus ésteres R-OSO2R’

- Reactivos Bases - aniones: RO-

- Disolventes Disolventes próticos (ROH)

Disolventes apróticos

Otros ( R-NR3, R-SR2 ) – sales “onios” + +

amonio sulfonio

E E

Gsal

G’sal

α – Eliminación (Eliminación 1,1)

β – Eliminación (Eliminación 1,2)

γ – Eliminación (Eliminación 1,3)

Etc..

Producto de partida

Producto final

Reacciones de eliminación

Tipos de eliminaciones:

E E

Gsal

Gsal

Gsal

Gsal

GsalGsalγ

α

αβ

αβ

Ejemplos…

α-Eliminación

β-Eliminación

γ-Eliminación

Tipos de eliminaciones:

E E

R-Gsal

β-Eliminación (Eliminación 1,2)

R C

H

C Gsal1 2

β α

G sal : X-, OH, OSO2R, +NR3, +SR2, SO2R

Reacciones de eliminación-1,2 se caracterizan

1. El sustrato tiene un Gsal y, a la vez, debe contener otro Gsal (casi siempre es hidrógeno) 2. La realización de esta reacción requiere una base

Problema: la posibilidad de competencia entre SN y E

MB., p. 261-265 Sykes (1985), p. 242-244

C GsalR C

H

:-B+R

(Preparación de los alquenos)

E E

Reacciones de eliminación 1,2

V= k [R-Gsal][B] V= k [R-Gsal]

Eliminación bimolecular- E2

Eliminación monomolecular- E1

( unimolecular)

Trabajos de Ingold y Hughes (~1930)

halogenuros como sustratos

Dos casos generales según los datos cinéticos

1. Cinética del proceso 2. Reactividad relativa del sustrato 3. Presencia del intermediario 4. Estereoquímica del proceso 5. Influencia del disolvente

Criterios del mecanismo:

E E

Mecanismo E2

La base arranca un protón beta; de modo simultáneo se aleja un Gsal y se forma el enlace doble

Ruptura C-H y C-Gsal simultánea

H

CR

B

C GsalR

:-B

C GsalR C

H

E2 E2

La reacción implica un solo paso (concertado):

CH3CH2CH2CH2 Cl CH3CH2 CH CH2

NaOH

CH3CH2 CH CH3

Cl

CH3 CH CH CH3

NaOH

∆

∆

Ejemplos clásicos:

Ph CH2 CH2 F Ph CH2 CH2 Cl Ph CH2 CH2 Br Ph CH2 CH2 I

K rel 1 70 4.2 x 103 2.7 x 104

Ph CH2 CH2 XEtO-

EtOHPh CH CH

Fuerza del enlace C-X

Fuerza de la base

Naturaleza del disolvente

Naturaleza del Gsal

Naturaleza del esqueleto carbonado

(Como en SN2 y SN1)

3o>2o>1o (Orden está como en SN1, y depende de la estabilización del ET)

“Efecto de elemento”

Deshidrohalogenación

E2 E2

-NH2 > -OR> -OH

ü

ü

ü

ü

Factores estructurales de los reactantes en la eliminación concertada

R-CH(R1)C(R2)(R3)Gsal

KOH / EtOH

N N N N

DBN DBU

Análisis del ET en E2

ET H

CR

B

C GsalR

:-B

C GsalR C

H

C Gsal

H

CR

Bδ-

δ-

Los enlaces del hidrógeno y del Gsal están parcialmente rotos, mientras que el doble enlace está parcialmente formado.

ET adquiere un carácter de alqueno. GDE estabilizan el alqueno incipiente en el ET y diminuye la Eact , por ende, el alqueno se

genera más velozmente.

Estabilidad de alquenos

Facilidad de formación de alquenos

Reacción de deshidrohalogenación

Gsal = halógeno

E2 E2

H

H

R

H

H

H

R

R

R

H

R

H

H

R

R

H R

H

R

R R

R

R

R

cis

trans

1,1-

1,2-

1,2-

Estabilidad de alquenos

Alqueno más sustituido es más estable

Energía está bajando

Sustitución está aumentando

E E

E2 E2

E2 – proceso concertado en grafica:

CH3

CH3

ClH

HH

H

H

CH3

CH3

El Gsal abandona la molécula como anion; el H beta es quitado por la base (HO-) como protón de modo que debe abandonar su par electrónico; Este par queda disponible para formar la segunda unión.

El Gsal abandona la molécula como anion; el H beta es quitado por la base (HO-) como protón de modo que debe abandonar su par electrónico; Este par queda disponible para formar la segunda unión.

Una prueba mas…

Pero convincente

MB, p. 269

CPh

H

H

CH2 BrEtO-

EtO-

CPh

D

D

CH2 Br

k1

k2

k1 / k2 = 7

Efectos isotópicos primarios de H

E2 E2

Efectos isotópicos primarios de H

E2 E2 E

en graficas..

C-H C-D

r (distancia del enlace)

Energía de disociación del enlace (C-D > C-H)

C-H

C-D

Aquí el enlace se rompe

E2 tiene las siguientes características:

§ sigue una cinética de segundo orden;

§ no va acompañada de transposiciones;

§ presenta un efecto isotópico de protón;

§ presenta un efecto elemento grande

E2 E2

H

CR

B

C GsalR

:-B

C GsalR C

H

V= k [R-Gsal]

Mecanismo unimolecular (de dos pasos)

Dos posibilidades:

La ruptura C-H y C-Gsal por separado

En primer lugar se rompe el enlace C-Gsal, se forman carbocationes

En primer lugar se rompe el enlace C-H, se forman carbaniones

E1

E1cB

A

B

lento

lento

C GsalR C

H

:-B

CR C

H

+ + -Gsal

CR C + HB

: . .

CR C

-Gsal

+ HB-

C GsalR CC GsalR C

H

:-B:

MB, p. 278

E1 E1

V= k [R-Gsal][B]

MB, p. 280

Mecanismo E1 Dos pasos: 1. Heterólisis (formación del carbocation) 2. Pérdida de un protón del catión formado (generación del alqueno)

Carbocatión puede: • combinarse con los Nu • transponerse a un carbocatión más estable

M.B., p. 267-268 Sykes (1985), p. 244-246

Reactividad relativa del sustrato R-CH(R1)C(R2)(R3)Gsal

Naturaleza del Gsal

Naturaleza del esqueleto carbonado

3o>2o>1o (actúa como en SN1)

(actúa como en SN1)

E1 E1

E

S C+

P

ET1

ET2

Análisis de la reactividad de sustratos en E1

La heterólisis es un paso lento y es el que determina la velocidad de eliminación

La reactividad en E1, como en SN1 se determina

por la velocidad de formación del carbocatión

Donde la estructura lo permite, esta reacción E1

va acompañada de transposiciones.

C GsalR C

H

:-B

CR C

H

+ + -Gsal

CR C + HB

: . .

Un caso particular es la deshidratación de alcoholes

(3o>2o>1o)

“Sol”

MB, p. 280

E1 E1

“Sol”- disolvente

E1 E1

sp3

sp2

Segundo paso del mecanismo E1, - Pérdida de un protón del catión formado (generación del alqueno) en graficas

H3C

H3CCl H

HH

H

H

H3C

CH3

+H

H

H

H3C

CH3

CH3OH

- CH3O+H2

Mecanismo E1cB

Dos pasos: 1. Equilibrio (formación del carbanión) 2. Salida de un Gsal del anión formado ( generación del alqueno)

Sustratos “raros” C H G E A

H

C H 2 G s a l

GEA: NO2, ArSO2, CN, COOR, X

Gsal: OPh, F, CN, S+Me2 (“pobres”)

Sykes (1985), p. 246-247

ácido base

(carboácido) (base conjugado)

E1cB E1cB

E

χ

S

P

ET1 ET2

-C

Intermediario

Diagrama de More O’Ferrell-Jencks

Correlación entre los mecanismos E1cB .......... E2.............. E1

Carbanión

Carbocatión S

Alqueno

Los tres mecanismos son bastante parecidos entre sí: el Gsal se aleja con su par de electrones y el otro grupo (casi siempre, el hidrógeno) sale sin electrones (como un protón). La única diferencia está en el orden de los pasos.

Los tres mecanismos son bastante parecidos entre sí: el Gsal se aleja con su par de electrones y el otro grupo (casi siempre, el hidrógeno) sale sin electrones (como un protón). La única diferencia está en el orden de los pasos.

Carroll, p. 647

P

-:C – C – Gsal

H – C – C+

E2

E1

E1cB

C

H

C Gsal

Sustrato inicial

E E

Estereoquímica: eliminación E2

El rol de los ángulos dihedrales

180 o ~120 o ~60 o ~0 o

β β

β β

E2 (“de una etapa”) ET Alqueno

Para que se forme doble enlace, todos átomos que están participando

(incluyendo la base) deben estar en el mismo plano.

Para que se forme doble enlace, todos átomos que están participando

(incluyendo la base) deben estar en el mismo plano.

?

(Saber las proyecciones de Fischer y de Newman, formas de caballete)

MB, p. 77-87

E2 E2

Eliminación E2 son reacciones estereoespesíficas

Puede producirse de dos formas:

Anti-eliminación Sin-eliminación

Las dos eliminaciones tienen lugar. Sin embargo, en ausencia de los efectos especiales de la estructura de sustrato, la anti-eliminación es preferible.

Las dos eliminaciones tienen lugar. Sin embargo, en ausencia de los efectos especiales de la estructura de sustrato, la anti-eliminación es preferible.

Conformación retorcida

Conformación eclipsada

Ejemplos en las cadenas acíclicas en los sistemas ciclohexánicos en los sistemas bicíclicos

Anti-periplanar Sin-periplanar

MB, p. 144 Sykes (1985), p. 249-252.

E2 E2

CH3

Br

CH3 CH3

+

E2 E2

Producto mayoritario

Producto minoritario

Porqué?

C C

H BrHCH3

Ph CH3 C CCH3 H

CH3Ph

C C

BrH

CH3

H

PhCH3 C C

Ph H

CH3CH3

S S

NaOMe

MeOH

Rotación

Explicaciones..

E-

Z-

Eritro-

¿Treo-?

Reacciones estereoespesíficas en E2

Experimento de Pfeiffer, 1904:

Orientación en las eliminaciones- (formación de las olefinas-regioisómeros)

C R H

C H G s a l

C H

R 1 β β’

-:B

Sustratos que poseen un H en posiciones beta

E2 : ejemplos de Zaytseff (1875, trabajaba con los bromuros de alquilo)

En la deshidrohalogenación, cuanto más estable es un alqueno, más velozmente se generará.

E1 : ejemplos de Zaytseff

Es aplicada para E2 y E1

Grupos neutros

Regla de Zaytzeff

CH2 CHCH3 CH3

BrKOH(alc) CHCH3 CH CH3

CH3 CH2 CH CH3

+81%

19%

CH2 CH CH3

Br

CH2CH3KOH(alc)

29%

71%+

CH CH3CHCH2CH3

CH2 CH CH3CH2CH3

CH2 CCH3 CH3

Br

CH3

KOH(alc)

29%

71%+

CH3 CH2 C CH2

CH3CHCH3 C CH3

CH3

11%

CH2 CH CH3CH2CH3

OTs89%

+CH CH3CHCH2CH3

CH2 CH CH3CH2CH3

BuOH

E E

Zaytzeff (Zaitsev)

Orientación en las eliminaciones E2:

C R H

C H G s a l

C H

R 1 β β’

-:B

Grupos con la carga positiva

Regla de Hofmann

N + ( C H 3 ) 3

H H

E t O N a

E t O H +

97.6%

2.4%

S + ( C H 3 ) 2

H H

E t O N a

E t O H +

74%

26%

MB, p. 943>

E2 E2

(1851, trabajaba con las sales de amonio)

Se forman alquenos menos sustituidos

Dos modelos para explicar la regla de Hofmann

Modelo inductivo

Modelo estéreo

N+(CH3)3

GAE

H

H

H H

H

HH

H

N+

H

H HH HH

H

HH

¡Ambos modelos son aceptables!

Carroll, p. 669

Protones β más ácidos Protones β menos ácidos

Protones β más accesible estereoquimicamente

Protones β menos accesible estereoquimicamente

E2 E2

Anti-Eliminación en los modelos de Hofmann

E2 E2

Carey, p. 817-819

H3CHC CH2

N+(CH3)3

CH3 H2C CH

CH2CH3∆

HO-

H3C CH

CH

CH3+

95% 5%

Cis o trans?

Alquenos menos sustituido

Alquenos más sustituido

Conformaciones

Anti (menos impedida) Alquenos menos

sustituido

Anti (más impedida) Trans-alquenos más

sustituido

Orientación en las eliminaciones E2:

regla de Zaytzeff versus regla de Hofmann

Sykes (1985), p. 252

-OEt

CH3 CH2CH CH2

CH3 CH CH CH3

CH3 CH

H

CH CH2

H

Gsal

Gsal

Br S+Me2 N+Me3

19% 74% 95%

81% 26% 5%

“Estado de transición E2 variable”

(Bunnett) ejemplo

E2 E2

(Ejemplos en los sistemas cíclicos)

Regla de Bredt ¿De qué se trata?

En los compuestos biciclícos de tamaño pequeño, los enlaces dobles no se forma sobre el carbono cabeza en puente.

En los compuestos biciclícos de tamaño pequeño, los enlaces dobles no se forma sobre el carbono cabeza en puente.

:B

Br

??:BBr

Y

X

Y

Z

π orbitales no pueden llegarse ser co-planares

Explicación:

E E

Eliminación: E2 versus E1 MB, p. 283

Efecto de la naturaleza del esqueleto carbonado

Al proceder a lo largo de la secuencia 1o, 2o, 3o aumenta la reactividad en ambos mecanismos. PERO por razones diferentes!

En E2 porque se forman los alquenos más ramificadas, los más estables.

En E1 por que se forman los carbocationes (los más

estables) en el paso determinante de la velocidad. Efecto del reactivo (base)

En E2 [base] entra en la cinética. Hay que contar con la naturaleza de la base! Una base más fuerte extrae más rápidamente un protón.

En E1 [base] no entra en la cinética. La base espera hasta que se haya formado el carbocatión.

Para un sustrato determinado, cuanto mayor sea la concentración o la fuerza de una base, más se favorece E2 sobre E1.

Efecto del disolvente

Con el aumento de la polaridad del disolvente. Mecanismos E1 y E1cB serán más probales.

E E

Eliminación frente a Sustitución

E2 Contra SN2 C C

H

Gsal

:Z

R-Gsal: 1o 2o 3o

E2

SN2

E1 Contra SN1

C C

H

:Z

+

:Z = Nu o B

R+: 1o 2o 3o E1

SN1

Sykes, (1985), p. 256-258

Efecto de la naturaleza del esqueleto carbonado

Efecto de la naturaleza del esqueleto carbonado

La concentración alta de base fuerte favorece más a E2 que SN2; la concentración baja de base ( o en su ausencia) favorece más a SN1 que E1; El aumento de la polaridad del disolvente favorece a SN2 a expensas de E2; El aumento de la temperatura favorece más a E2 (E1) que SN2 (SN1)..

Otros efectos

E E

Eliminación frente a Sustitución

Un detalle.. en graficas

Carey, p. 295

E E