Opuszczanie grupy - Leaving group

W chemii , ą grupa opuszczająca jest fragment cząsteczki, który odchodzi z parą elektronów w heterolitycznego rozerwanie wiązania . Grupami opuszczającymi mogą być aniony , kationy lub cząsteczki obojętne, ale w każdym przypadku kluczowe jest, aby grupa opuszczająca była w stanie ustabilizować dodatkową gęstość elektronów, która wynika z heterolizy wiązań. Typowymi anionowymi grupami opuszczającymi są halogenki, takie jak Cl - , Br - i I - oraz estry sulfonianowe, takie jak tosylan (TsO - ). Fluorek (F - ) działa jako grupa opuszczająca w gazowym sarinie, czynniku nerwowym . Typowymi grupami opuszczającymi neutralne cząsteczki są woda i amoniak . Grupy opuszczające mogą być dodatnio naładowane kationy, takie jak (H + uwalniane podczas nitrowania z benzenu ); są one również znane jako elektrofuges .

Opuszczenie zdolności grupowej

Fizycznym przejawem zdolności opuszczania grupy jest szybkość reakcji. Dobre grupy opuszczające szybko reagują. Z teorii stanu przejściowego wynika, że ​​reakcje obejmujące dobre grupy opuszczające mają niskie bariery aktywacji, co prowadzi do stosunkowo stabilnych stanów przejściowych.

Warto rozważyć koncepcję zdolności grupy opuszczającej w przypadku pierwszego etapu reakcji S N 1 / E1 z anionową grupą opuszczającą (jonizacja), pamiętając, że pojęcie to można uogólnić na wszystkie reakcje, które obejmują grupy opuszczające. Ponieważ grupa opuszczająca ma większy ładunek ujemny w stanie przejściowym (i produktach) niż w materiale wyjściowym, dobra grupa opuszczająca musi być w stanie ustabilizować ten ładunek ujemny, tj . Tworzyć stabilne aniony . Dobrą miarą stabilności anionowego jest pKa anionu w sprzężonym kwasem , pozostawiając możliwość grupy rzeczywiście na ogół w następujący sposób ten trend, z dolną pKa H jest związany z lepszą zdolnością grupy opuszczającej.

W reakcji jonizacji, podobnie jak we wszystkich reakcjach, które obejmują odejście grupy opuszczającej, grupa opuszczająca ma większy ładunek ujemny w stanie przejściowym i produktach niż w materiałach wyjściowych

Jednak korelacja między pK a H a umiejętnością opuszczania grupy nie jest doskonała. Zdolność grupy opuszczającej reprezentuje różnicę energii między materiałami wyjściowymi a stanem przejściowym (ΔG ), a różnice w zdolności grupy opuszczającej są odzwierciedlane w zmianach tej ilości (ΔΔG ). Wielkość pK a H reprezentuje jednak różnicę energii między materiałami wyjściowymi i produktami (ΔG) z różnicami w kwasowości odzwierciedlonymi w zmianach tej ilości (ΔΔG). Również materiały wyjściowe w tych przypadkach są różne. W przypadku wartości pK a , „grupa opuszczająca” jest związany z protonem w materiale wyjściowym, podczas gdy w przypadku pozostawienia zdolność grupy, grupa opuszczająca jest związana z atomem węgla (zazwyczaj). Mając na uwadze te ważne zastrzeżenia, należy wziąć pod uwagę pK a H jako odzwierciedlenie zdolności grupy opuszczającej, niemniej jednak tendencje w każdym z nich mają tendencję do dobrej korelacji ze sobą. Zgodnie z tym obrazem, silne zasady, takie jak OH - , OR - i NR 2 - mają tendencję do tworzenia słabych grup opuszczających, ze względu na ich niezdolność do stabilizacji ładunku ujemnego.

Grupy opuszczające uporządkowane w przybliżeniu w malejącej zdolności do wyjazdu
R – N 2 + azot
R – LUB ' 2 + eter dialkilowy
R – OSO 2 R F perfluoroalkilosulfoniany (np. triflat )
R – OT, R – OM itp. tosylany , mesylany i podobne sulfoniany
R – I jodek
R – Br bromek
R – OH 2 + , R'– OHR + woda , alkohole
R – Cl chlorek
R – ONO 2 , R – OPO (LUB ') 2 azotany , fosforany i inne nieorganiczne estry
R – SR ' 2 + tioeter
R – NR ' 3 + , R – NH 3 + aminy , amoniak
R – F fluorek
R – OCOR karboksylan
Ryk fenoksydy
R – OH, R – OR wodorotlenek , alkoholany
R – NR 2 amidy
R – H wodorek
R – R ” arenide, alkanide

To, co stanowi rozsądną grupę opuszczającą, zależy od kontekstu. W przypadku reakcji S N 2, typowe syntetycznie użyteczne grupy opuszczające obejmują Cl - , Br - , I - , - OTs, - OMs, - OTf i H 2 O. Podłoża zawierające fosforanowe i karboksylanowe grupy opuszczające z większym prawdopodobieństwem reagują przez konkurencyjne dodawanie - eliminacja, podczas gdy sole sulfoniowe i amonowe generalnie tworzą ylidy lub podlegają eliminacji E2, gdy jest to możliwe. Fenotlenki ( - OAr) stanowią dolną granicę tego, co jest wykonalne jako grupy opuszczające S N 2: bardzo silne nukleofile, takie jak Ph 2 P - lub EtS - zostały użyte do demetylacji pochodnych anizolu poprzez zastąpienie S N 2 w grupie metylowej. Wodorotlenki, alkoholany, amidki, wodorek i alkilu aniony nie służą jako grupy opuszczające, w S N 2 reakcji.

Z drugiej strony, gdy zapadają się anionowe lub dianionowe tetraedryczne związki pośrednie , wysoka gęstość elektronów sąsiedniego heteroatomu ułatwia usuwanie grupy opuszczającej. Tak więc w przypadku hydrolizy estrów i amidów w warunkach zasadowych jako grupy opuszczające powszechnie proponuje się alkoholany i amidy. Podobnie reakcje E1cb z udziałem wodorotlenku jako grupy opuszczającej nie są rzadkie (np. W kondensacji aldolowej ). Niezwykle rzadko zdarza się, że grupy takie jak H - ( wodorki ) i R 3 C - ( aniony alkilowe , R = alkil lub H) odchodzą z parą elektronów ze względu na wysoką energię tych rodzajów. Reakcji Chichibabin stanowi przykład wodorku jako grupę opuszczającą, a reakcji Wolffa-Kishnera i reakcje Haller-Bauer wyposażone niestabilizowanych karboanionowych grupy opuszczające.

Kontekstowe różnice w zdolności opuszczania grupy

Należy zauważyć, że powyższa lista ma charakter jakościowy i opisuje trendy . Zdolność grupy do odejścia jest kontekstowa. Na przykład, w S N Ar reakcji, prędkość wzrasta zwykle gdy grupą opuszczającą jest fluorek w stosunku do innych chlorowców. Efekt ten wynika z faktu, że najwyższy stan przejścia energii w tym dwuetapowym procesie addycji-eliminacji występuje w pierwszym etapie, w którym większa zdolność fluorków do odciągania elektronów w stosunku do innych halogenków stabilizuje rozwijający się ładunek ujemny na pierścieniu aromatycznym. Odejście grupy opuszczającej następuje szybko z tego wysokoenergetycznego kompleksu Meisenheimera , a ponieważ odejście nie jest związane z etapem ograniczania szybkości, nie wpływa na ogólną szybkość reakcji. Ten efekt jest ogólny przy sprzęganiu eliminacji zasad.

Nawet jeśli odejście grupy opuszczającej jest zaangażowane w etap reakcji ograniczający tempo, nadal mogą istnieć różnice kontekstowe, które mogą zmienić kolejność zdolności grupy opuszczającej. W alkilowaniu Friedela-Craftsa normalna kolejność grup opuszczających halogen jest odwrócona, tak że szybkość reakcji jest zgodna z RF> RCl> RBr> RI. Efekt ten jest spowodowany ich większą zdolnością do kompleksowania katalizatora będącego kwasem Lewisa , a faktyczną grupą, która opuszcza, jest kompleks „ate” między kwasem Lewisa a odchodzącą grupą opuszczającą. Sytuacja ta jest szeroko definiowana jako aktywizacja grupy opuszczającej .

Nadal mogą istnieć kontekstowe różnice w zdolności grupy opuszczającej w najczystszej postaci, to znaczy, gdy na rzeczywistą grupę, która opuszcza, nie mają wpływu warunki reakcji (protonacja lub kompleksacja kwasu Lewisa), a odejście grupy opuszczającej następuje w szybkości determinującej krok. W sytuacji, gdy inne zmienne są utrzymywane na stałym poziomie (charakter elektrofilu alkilu, rozpuszczalnika, itp.), Zmiana nukleofilu może prowadzić do zmiany kolejności reaktywności grup opuszczających. W poniższym przypadku tosylan jest najlepszą grupą opuszczającą, gdy nukleofilem jest etanolan, ale jodek, a nawet bromek stają się lepszymi grupami opuszczającymi w przypadku nukleofilu tiolanowego .

Stopy w stosunku do grupy opuszczające ( K X / K Br ) w każdej reakcji
Grupa opuszczająca (X)
Halogenek propylu z toluenem tiolanu reakcja.png
Reakcja z etanolanem halogenku etylu.png
Cl 0,0074 0,0024 (przy 40 ° C)
Br 1 1
ja 3.5 1.9
OTs 0.44 3.6

Aktywacja

W reakcjach E1 i S N 1 często zdarza się, że słaba grupa opuszczająca jest przekształcana w dobrą przez protonowanie lub kompleksowanie kwasem Lewisa . Tak więc, to przez protonowanie przed odlotem, cząsteczka może formalnie utracić takie słabe grupy opuszczające, jak wodorotlenek.

Ta sama zasada działa w reakcji Friedela-Craftsa . Tutaj, silny kwas Lewisa jest potrzebny do wytworzenia karbokationu z halogenku alkilu w reakcji alkilowania Friedela-Craftsa lub jonu acylowego z halogenku acylu.

Aktywacja grupy opuszczającej przez kompleksowanie kwasem Lewisa png.png

W zdecydowanej większości przypadków reakcje obejmujące aktywację grupy opuszczającej generują kation w oddzielnym etapie, przed atakiem nukleofilowym lub eliminacją. Na przykład reakcje S N 1 i E1 mogą obejmować etap aktywacji, podczas gdy reakcje S N 2 i E2 generalnie nie.

W sprzężonych eliminacjach zasad

Wymóg dobrej grupy opuszczającej jest złagodzony w reakcjach eliminacji sprzężonej zasady. Reakcje te obejmują utratę grupy opuszczającej w pozycji β enolanu, jak również regenerację grupy karbonylowej z tetraedrycznego związku pośredniego w nukleofilowym podstawieniu acylowym. W warunkach wymuszających nawet amidy można poddać hydrolizie zasadowej, procesowi, który obejmuje wydalenie bardzo słabej grupy opuszczającej, R 2 N - . Jeszcze bardziej dramatyczna jest dekarboksylacja anionów benzoesanowych przez ogrzewanie miedzią lub Cu 2 O, co wiąże się z utratą anionu arylowego. Tę reakcję ułatwia fakt, że grupą opuszczającą jest najprawdopodobniej związek arylowo-miedziowy, a nie dużo bardziej zasadowa sól metalu alkalicznego.

To dramatyczne odejście od normalnych wymagań grupy opuszczającej występuje głównie w dziedzinie tworzenia podwójnego wiązania C = O, gdzie tworzenie bardzo silnego podwójnego wiązania C = O może napędzać niekorzystne w innym przypadku reakcje do przodu. Wymóg dobrej grupy opuszczającej jest nadal złagodzony w przypadku tworzenia wiązania C = C przez mechanizmy E1cB, ale z powodu względnej słabości podwójnego wiązania C = C reakcja nadal wykazuje pewną wrażliwość grupy opuszczającej. Warto zauważyć, że zmiana tożsamości grupy opuszczającej (i chęci odejścia) może zmienić charakter mechanizmu reakcji eliminacyjnych. W przypadku słabych grup opuszczających mechanizm E1cB jest faworyzowany, ale gdy zmienia się zdolność grupy opuszczającej, reakcja przesuwa się od szybkości determinującej utratę grupy opuszczającej z karboanionowego związku pośredniego B przez TS BC do etapu deprotonacji określającego szybkość przez TS AB (bez ilustracji) do uzgodnionej eliminacji E2. W tej ostatniej sytuacji grupa opuszczająca X stała się na tyle dobra, że ​​poprzedni stan przejściowy łączący półprodukty B i C ma niższą energię niż B , który nie jest już stacjonarnym punktem na powierzchni energii potencjalnej dla reakcji. Ponieważ tylko jeden stan przejściowy łączy materiał wyjściowy A i produkt C , reakcja jest teraz skoordynowana (aczkolwiek bardzo asynchroniczna w przedstawionym przypadku) ze względu na wzrost zdolności grupy opuszczającej X.

Reakcja E1cB.png
Eliminacja continuum.png

Grupy opuszczające „super” i „hiper”

Prototypowa super opuszczająca grupa jest triflata , a termin ten zaczął oznaczać każdą grupę opuszczającą o porównywalnych zdolnościach. Związki, w przypadku których utrata super grupy opuszczającej może generować stabilną karbokację, są zwykle wysoce reaktywne i niestabilne. Zatem najczęściej spotykanymi organicznymi trifluorometanosulfonianami są trifluorometanosulfonian metylu i trifluorometanosulfonian alkenylu lub arylu, z których wszystkie nie mogą tworzyć stabilnych karbokationów podczas jonizacji, co czyni je względnie stabilnymi. Zauważono, że steroidowe nonaflany alkilu (kolejna super grupa opuszczająca) wytworzone z alkoholi i fluorku perfluorobutanosulfonylu nie dały się wyodrębnić jako takie, ale natychmiast utworzyły produkty albo eliminacji, albo podstawienia przez fluor wytwarzany przez odczynnik. W przeciwieństwie do odpowiednich halogenków acylowych, które wymagają silnego kwasu Lewisa, mieszane bezwodniki acylo-trifluorometanosulfonylowe płynnie ulegają acylowaniu Friedela-Craftsa bez katalizatora. Jednakże trifluorometanosulfonian metylu nie uczestniczy w reakcjach alkilowania Friedela-Craftsa z neutralnymi elektronowo pierścieniami aromatycznymi.

Poza super grupami opuszczającymi w reaktywności znajdują się „hiper” grupy opuszczające. Wśród nich dominują jodany λ 3 , do których należą sole diarylo-jodoniowe i inne jony haloniowe . W jednym badaniu przeprowadzono ilościowe porównanie tych i innych grup odchodzących. W stosunku do chlorków (k rel = 1), reaktywności wzrosły w kolejności bromek (k rel = 14), jodek (k rel = 91), tosylan (k rel = 3,7 x 10 4 ), triflat (k rel = 1,4 x 10 8 ), tetrafluoroboran fenyliodoniowy (PhI + BF 4 - , k rel = 1,2 x 10 14 ). Wraz z kryterium, zgodnie z którym hiper-opuszczająca się grupa jest silniejszą grupą opuszczającą niż triflate, istnieje konieczność, aby grupa opuszczająca przeszła redukcyjną eliminację. W przypadku jonów haloniowych obejmuje to redukcję trójwartościowego halonu do jednowartościowego halogenku, połączoną z uwolnieniem fragmentu anionowego. Część wyjątkowej reaktywności związków z hiper-opuszczającymi się grupami przypisuje się entropii korzystnej rozszczepienia jednej cząsteczki na trzy.

Zdolność hiper opuszczających się grup jest zwiększana przez czynniki entropiczne

Jony dialkilowo-haloniowe również wyodrębniono i scharakteryzowano jako proste grupy alkilowe. Związki te, pomimo ich ekstremalnej reaktywności z nukleofilami, można otrzymać w stanie czystym w stanie stałym z bardzo słabo nukleofilowymi przeciwjonami, takimi jak SbF. -
6
i CHB 11 Cl 11 - . Silnie elektrofilowy charakter tych związków spowodowany ich przyłączeniem do skrajnie nietrwałych grup opuszczających RX (R = alkil, X = Cl, Br, I) ilustruje ich skłonność do alkilowania bardzo słabych nukleofilów. Ogrzewanie w czystych próbek (CH 3 ) 2 Cl + [CHB 11 Cl 11 ] - pod zmniejszonym ciśnieniem, w wyniku metylowania bardzo słabo nukleofilowej karboran anionu jednoczesnego wydalania CH 3 grupy opuszczającej Cl. Sole heksafluoroantymonianowe dialkilo-haloniowe alkilują nadmiar halogenków alkilu z wytworzeniem wymienionych produktów. Ich silnie elektrofilowy charakter, wraz z niestabilnością pierwotnych karbokationów powstałych w wyniku jonizacji ich grup alkilowych, wskazuje na ich możliwy udział w chemii alkilowania Friedela-Craftsa. Kolejność rosnącej labilności tych grup opuszczających to RI <R-Br <R-Cl.

Zobacz też

Bibliografia