Reakcje eliminacji

W momencie gdy z sąsiednich atomów węgla uwalniane są dwa podstawniki powstaje wiązanie podwójne lub potrójne w reakcji zwanej b-eliminacją. Jeden z atomów określany jest symbolem α, a drugi β.

Podczas α-eliminacji obie grupy są usuwane z tego samego atomu dając karben (lub nitren):

Dwucząsteczkowa reakcja eliminacji (E2) zachodzi w jednym etapie, w którym proton jest odszczepiany przez zasadę:

Jednocząsteczkowy mechanizm E1 przebiega w dwóch etapach, z których determinującym szybkość reakcji jest proces jonizacji substratu z utworzeniem karbokationu, który szybko traci proton przyłączany przez zasadę, najczęściej rozpuszczalnik.

W mechanizmie E1 podstawnik X opuszcza cząsteczkę substratu jako pierwszy a następnie odszczepiany jest H. W mechanizmie E2 obydwie grupy zostają odszczepione w tym samym czasie. Istnieje jeszcze jedna możliwość, zgodnie z którą jako pierwszy odszczepiany jest H a dopiero potem X. Proces ten jest dwuetapowy i określany symbolem E1cB, czyli mechanizmem karboanionowym.

Te trzy mechanizmy są do siebie bardzo zbliżone. W każdym przypadku istnieje grupa opuszczająca wraz z parą elektronów i inna grupa (zwykle wodór), która odchodzi jako kation. Jedyną różnicą jest kolejność etapów. Ogólnie przyjmuje się, że istnieje spektrum mechanizmów, od skrajności, w której grupa opuszczająca odchodzi na długo przed protonem (E1), do skrajności, w której proton jest uwalniany najpierw, a następnie odchodzi grupa opuszczająca (E1cB). Przypadek E2, gdzie obydwie grupy odchodzą w tym samym czasie, plasowałby się gdzieś pośrodku.

Niektóre halogenki i tosylany alkilowe ulegają eliminacji E2 szybciej gdy są traktowane tak słabymi zasadami, jak Cl^– w polarnych rozpuszczalnikach aprotonowych lub PhS^–, niż zwykłymi silnymi zasadami, takimi jak RO^– w ROH. W związku z tym zaproponowano, że istnieje spektrum stanów przejściowych mechanizmu E2, w których zasada może oddziaływać w stanie przejściowym z węglem α, oraz z wodorem β.

Na jednym końcu znajduje się mechanizm (E2C), w którym w stanie przejściowym zasada oddziałuje głównie z węglem. Mechanizm E2C obejmuje reakcje z silnymi nukleofilami, które są słabymi zasadami. Na drugim biegunie znajduje się mechanizm E2, określony jako E2H, zachodzący w obecności silnych zasad.

Regioselektywność reakcji eliminacji

Bez względu na mechanizm, podwójne wiązanie nigdy nie pojawia się przy węglu mostkowym, chyba że rozmiary pierścieni są odpowiednio duże.

Bez względu na mechanizm, jeśli w cząsteczce istnieje wiązanie podwójne (C=C lub C=O) lub pierścień aromatyczny, który może być sprzężony z nowym, powstającym wiązaniem podwójnym, produkt reakcji o wiązaniach skoniugowanych zwykle przeważa, nawet gdy stereochemia reakcji jest niekorzystna.

W mechanizmie E1 grupa opuszczająca zostaje uwolniona zanim powstanie nowe wiązanie podwójne. W związku z tym miejsce w którym utworzy się wiązanie wielokrotne jest określany przez względną stabilność dwóch (lub trzech) możliwych alkenów. W takich przypadkach obowiązuje zasada Zajcewa, zgodnie z którą wiązanie podwójne tworzy się w miejscu gwarantującym powstanie  bardziej rozgałęzionego izomeru.

W przypadkach, gdzie atomy wodoru β są dostępne przy dwóch lub trzech atomach węgla, występują dwa typy zachowania, w zależności od struktury substratu i charakteru grupy opuszczającej. Niektóre związki reagują zgodnie z regułą Zajcewa i tworzą głównie związki będące silnie podstawionymi alkenami, a inne reagują zgodnie z regułą Hofmanna, w której wiązanie podwójne tworzy się głównie przy najmniej podstawionym atomie węgla. Chociaż znanych jest wiele wyjątków, można poczynić następujące ogólne stwierdzenia: W większości przypadków związki zawierające obojętne grupy (usuwane z cząsteczki w formie  jonów ujemnych) podlegają regule Zajcewa. Natomiast eliminacja grup obdarzonych ładunkiem, na przykład NR₃⁺, SR₂⁺ (są usuwane jako cząsteczki obojętne), przebiega zgodnie z regułą Hofmanna, jeśli związek poddany reakcji eliminacji jest acykliczny, ale zgodnie z regułą Zajcewa, jeśli grupa opuszczająca znajduje się w pierścieniu sześcioczłonowym.

Większość reakcji przebiegający według mechanizmu E2 jest zgodna z regułą Hoffmana. Natomiast reakcje przebiegające według mechanizmu E2C preferują regułę Zajcewa.

Wpływ różnych parametrów na reaktywność w reakcjach eliminacji

Podstawniki znajdujące się przy węglach α i β mogą wywoływać cztery różne efekty

a)      Mogą stabilizować lub destabilizować powstające wiązanie podwójne

b)      Mogą stabilizować lub destabilizować początkowy ładunek ujemny, wpływając na kwasowość protonu (grupy β).

c)      Mogą stabilizować lub destabilizować początkowy ładunek dodatni (tylko grupy α).

d)     Mogą wywierać efekty steryczne (zarówno grupy α, jak i β).

Efekty a) i d) można znaleźć we wszystkich trzech mechanizmach, chociaż efekty steryczne są największe w przypadku mechanizmu E2. Efekt b) nie ma zastosowania w mechanizmie E1, a c) w mechanizmie E1cB. Grupy, takie jak aryl i C=C, zwiększają szybkość reakcji eliminacji niezależnie od mechanizmu procesu, z wyjątkiem sytuacji, gdy tworzenie wiązania C=C nie jest etapem określającym szybkość, niezależnie od tego, czy podstawniki te znajdują się przy węglu α czy β. Grupy odciągające elektrony zwiększają kwasowość, gdy znajdują się w pozycji β, ale mają niewielki wpływ na pozycję α, chyba że są sprzężone z wiązaniem podwójnym. Zatem podstawniki Br, Cl, CN, Ts, NO₂, CN i SR w pozycji β zwiększają szybkość eliminacji E2.

Grupy α-alkilowe i arylowe stabilizują karbokationowy charakter stanu przejściowego, preferując mechanizm E1. Grupy β-alkilowe również przesuwają mechanizm w kierunku E1, ponieważ zmniejszają kwasowość wodoru. Jednak grupy β-arylowe powodują zmianę mechanizmu w kierunku E1cB poprzez stabilizację karboanionu. Grupy odciągające elektrony w pozycji β preferują mechanizm E1cB, a grupy alkilowe zwiększają stopień eliminacji w reakcjach ze słabymi zasadami (E2C).

W mechanizmie E1 zasada zewnętrzna na ogół nie jest wymagana, gdyż rozpuszczalnik działa jako zasada. Dlatego po dodaniu zewnętrznych zasad mechanizm przesuwa się w kierunku E2. Silniejsze zasady i wyższe ich stężenia powodują, że mechanizm przesuwa się w kierunku E1cB. Jednak słabe zasady w polarnych rozpuszczalnikach aprotonowych mogą być również skuteczne w reakcjach eliminacji z niektórymi substratami (reakcja E2C). Reakcje eliminacji według mechanizmu E2 przeprowadzono w obecności następujących zasad: H₂O, NR₃, OH^–, AcO^–, RO^–, ArO^–, NH₂^–, CO₃^2–, LiAlH₄, I^–, CN^– i zasad organicznych. Jednak jedynymi zasadami o znaczeniu preparatywnym w normalnej reakcji E2 są OH^–, RO^– i NH₂^–, zwykle w sprzężonym kwasie jako rozpuszczalniku, oraz aminy. Słabe zasady skuteczne w reakcji E2C to Cl^–, Br^–, F^–, AcO^– i RS^–. Te zasady są często używane w postaci ich soli amoniowych R₄N⁺.

Silne zasady preferują mechanizm E2 w porównaniu z E1. Przy wysokim stężeniu silnej zasady w niejonizującym rozpuszczalniku preferowane są mechanizmy dwucząsteczkowe (E2). Przy niskich stężeniach zasady lub przy całkowitym jej braku, w rozpuszczalnikach jonizujących, faworyzowane są mechanizmy jednocząsteczkowe.

W reakcjach eliminacji według mechanizmu E2 grupami opuszczającymi są: NR₃⁺, PR₃⁺, SR₂⁺, OHR⁺, SO₂R, OSO₂R, OCOR, OOH, OOR, NO₂, F, Cl, Br, I i CN (nie OH₂⁺). W eliminacji E1 grupy opuszczające to: NR₃⁺, SR₂⁺, OH₂⁺, OHR⁺, OSO₂R, OCOR, Cl, Br, I i N₂⁺. Głównymi grupami opuszczającymi w celach preparatywnych są OH₂⁺ (zawsze według mechanizmu E1) i Cl, Br, I i NR₃⁺ (zwykle według E2).

Łatwiej odchodzące grupy opuszczające przesuwają mechanizm w kierunku E1, ponieważ ułatwiają jonizację. Trudniej usuwalne grupy opuszczające jak i posiadające ładunek dodatni preferują mechanizm E1cB, ponieważ silne efekty pola odciągającego elektrony zwiększają kwasowość wodoru β. Reakcji według mechanizmu E2C sprzyjają łatwo usuwalne grupy opuszczające.

Bardziej polarne środowisko zwiększa szybkość mechanizmów, które obejmują jonowe produkty pośrednie. W przypadku obojętnych grup opuszczających oczekuje się, że mechanizmy E1 i E1cB będą wspomagane przez zwiększanie polarności rozpuszczalnika i zwiększanie siły jonowej. W przypadku niektórych substratów polarne rozpuszczalniki aprotonowe sprzyjają eliminacji słabymi zasadami (mechanizm E2C).

Zwiększająca się polarność rozpuszczalnika sprzyja reakcjom S_N2 kosztem E2. W klasycznym przykładzie alkoholowy roztwór KOH jest używany w reakcji eliminacji, podczas gdy bardziej polarny wodny roztwór KOH jest używany przy substytucji. W większości rozpuszczalników reakcje S_N1 są faworyzowane w stosunku do E1. Reakcje E1 konkurują z reakcjami substytucji najlepiej w polarnych rozpuszczalnikach, które są słabymi nukleofilami, zwłaszcza w polarnych rozpuszczalnikach aprotonowych.

Eliminacja jest faworyzowana wzrostem temperatury, niezależnie od tego, czy mechanizm jest pierwszego, czy drugiego rzędu. Powodem jest to, że energie aktywacji procesu eliminacji są wyższe niż energie w reakcji podstawienia (ponieważ eliminacja powoduje większe zmiany w wiązaniach).

Piroliza

Pewne rodzaje związków ulegają procesowi eliminacji podczas ogrzewania, bez obecności innego odczynnika. Tego typu reakcje często zachodzą w fazie gazowej. Mechanizmy różnią się od przedstawionych powyżej ponieważ eliminacja pirolityczna odbywa się pod nieobecność zasady i rozpuszczalnika. W tych procesach występują dwa mechanizmy. Jeden obejmuje cykliczny stan przejściowy, który może być cztero-, pięcio- lub sześcioczłonowy.

W przypadku cztero- i pięcioczłonowych stanów przejściowych cztery lub pięć atomów tworzących pierścień musi być współpłaszczyznowych. Współplanarność nie jest wymagana dla sześcioczłonowego stanu przejściowego.

Drugi rodzaj mechanizmu pirolizy to mechanizm rodnikowy rozpoczynający się od homolitycznego zerwania wiązania C–X.

R₂CHCH₂X → R₂CHCH₂· + X·

R₂CHCH₂X + X· → R₂C^·CH₂X + HX

R₂C^·CH₂X → H₂C=CH₂X·

2R₂C^·CH₂X → R₂C=CH₂ + 2R₂CXCH₂X

Mechanizm wolnorodnikowy najczęściej zachodzi w przypadku polihalgenopochodnych oraz pierwszorzędowych monohalogenopochodnych.