REACCIONES DE ELIMINACIÓN:
Cuando un nucleófilo o una base de Lewis atacan a un halogenuro de alquilo, son posibles dos tipos de reacciones. El reactivo puede atacar al átomo de carbono y sustituir al halogenuro, o puede atacar a un hidrógeno y causar la eliminación de HX para formar un alqueno.
Las reacciones de eliminación son más complejas que las de sustitución, por varias razones. Existe el problema de la regioquímica: ¿Qué productos resultarán de la deshidrohalogenación de halogenuros asimétricos? En efecto, las reacciones de eliminación casi siempre producen mezclas de alqueno y usualmente lo más que puede hacerse es predecir cuál será el producto principal.
Conforme a una regla formulada por el químico ruso Alexander Zaitsev[1] , las reacciones de eliminación inducidas por base generalmente tienen como producto el alqueno más sustituido; es decir, el alqueno con más sustituyentes alquilo en los carbonos del doble enlace, conocida como regla de Zaitsev. En los siguientes dos ejemplos el alqueno predominante es el alqueno más sustituido cuando se usa como base etóxido de sodio en etanol.
La eliminación de HX a partir de halogenuros de alquilo es una reacción general que constituye un excelente método para elaborar alquenos. Sin embargo, este asunto es complejo, y las reacciones de eliminación pueden proceder en una variedad de rutas mecanísticas. En este apartado consideraremos dos de ellas en primera instancia, las reacciones E1 y E2.
REACCIÓN E2:
La reacción E2 significa eliminación bimolecular y se realiza cuando un halogenuro de alquilo se trata con una base fuerte como el ion hidróxido (-OH) o ion alcóxido (-OR). Es la vía de eliminación más común. Al igual que la reacción SN2, la reacción E2 es un proceso en un paso, sin intermedios pero con un estado de transición. Cuando la base atacante empieza a sustraer un protón del carbono vecino al grupo saliente, el enlace C-H comienza a romperse, empieza a formarse un nuevo doble enlace C-C, y el grupo saliente empieza a separarse, llevándose consigo el par de electrones del enlace C-X.
Una evidencia que apoya este mecanismo es la cinética de reacción. Dado que tanto la base como el halogenuro de alquilo participan en el paso limitante de la velocidad, las reacciones E2 presentan cinética de segundo orden:
Velocidad = k · [RX] · [Base]
Una segunda evidencia y más sólida la constituye la estereoquímica de las eliminaciones E2. Como indican una gran cantidad de datos experimentales, las reacciones E2 son estereoesfecíficas. La eliminación siempre procede a partir de una configuración geométrica periplanar, lo cual significa que los cuatro átomos reaccionantes -el hidrógeno, los dos carbonos y el grupo saliente- se encuentran en un mismo plano. Existen dos de tales configuraciones: la periplanar sin, (eclipsada, mayor energía), y la periplanar anti, (alternada de menor energía). De las dos, la configuración anti es energéticamente la preferida de la molécula.
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La base (B:) ataca un hidrógeno vecino y comienza a sustraer el hidrógeno al mismo tiempo que empieza a formarse el doble enlace del alqueno y empieza a separarse el grupo X.
El alqueno neutro se produce cuando está totalmente roto el enlace C-H y el grupo X se ha separado llevándose el par de electrones del enlace C-X. |
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La configuración periplanar anti de las eliminaciones E2 tiene consecuencias estereoquímicas bien definidas que constituyen una sólida evidencia en favor del mecanismo propuesto. Considérese por ejemplo el meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletano, que experimenta una eliminación E2 cuando se trata con base para formar sólo el alqueno E (con los dos grupos fenilo en cis) puro no se forma nada del alqueno isomérico Z, debido a que el estado de transición que conduce al alqueno Z tendría que tener configuración periplanar sin.
Reacciones de Eliminación y Conformación del Ciclohexano.
La configuración periplanar anti de las reacciones E2 es de particular importancia en los anillos de ciclohexano, en los cuales la estructura rígida tipo silla fuerza una relación específica entre los sustituyentes de átomos de carbono vecinos. Derek Barton[2] señaló en 1960 en un artículo decisivo que gran parte de la reactividad química de los cicloalcanos sustituidos es controlada por efectos conformacionales. A continuación se considera la deshidrohalogenación E2 de los clorociclohexanos para ver el efecto de la conformación sobre la reactividad.
El requisito periplanar anti para las reacciones E2 puede satisfacerse en los ciclohexanos sólamente si el hidrógeno y el halógeno son diaxiales trans. Si el halógeno o el hidrógeno son ecuatoriales, la eliminación E2 no puede ocurrir.
Cloro axial : H y Cl son periplanar anti
Cloro ecuatorial : H y Cl no son periplanar anti
Requisitos geométricos para la reacción E2 en los ciclohexanos. Tanto el grupo saliente como el hidrógeno deben ser axiales para que ocurra la eliminación periplanar anti.
Efecto Isotópico del deuterio.
Una evidencia final en apoyo del mecanismo E2 la constituye el fenómeno conocido como efecto isotópico de deuterio. Se sabe que un enlace carbono-hidrógeno es más débil en una pequeña cantidad (alrededor de 1.2 kcal/mol) que un enlace carbono-deuterio correspondiente. Así, un enlace C-H se rompe con mayor facilidad que un enlace equivalente C-D, y por lo tanto la rapidez de ruptura del enlace C-H es mayor.
La eliminación de HBr inducida por base del 1-bromo-2-feniletano procede 7.11 veces más rápido que la eliminación correspondiente de DBr a partir de 1-bromo-2,2-deuterio-2-feniletano:
Este resultado indica que el enlace C-H (o C-D) se rompe en el paso limitante de la velocidad, y en consecuencia es del todo consistente con el mecanismo propuesto, es decir en un solo paso.
REACCIÓN E1:
Las eliminaciones E1 se inician con la disociación espontánea de un halogenuro, parecida a una reacción SN1, pero en este caso a la disociación sigue la pérdida de un protón del carbocatión intermedio. En efecto el mecanismo E1 normalmente ocurre en competencia con la reacción SN1 cuando un halogenuro de alquilo se trata con un nucleófilo no básico en un solvente prótico. Así, los mejores sustratos son aquellos que también se someten a la reacción SN1, y casi siempre se obtienen mezclas de productos.
Por ejemplo, cuando el 2-cloro-2-metilpropano se calienta a 65ºC en etanol acuoso al 80%, se obtiene una mezcla de 2-metil-2-propanol (SN1) y 2-metilpropeno (E1):
Se han obtenido muchas evidencias en apoyo del mecanismo E1. Como es de esperar, las reacciones E1 presentan cinética de primer orden consistente con un proceso de disociación espontáneo:
Velocidad = k · [R-X]
Una segunda evidencia es la estereoquímica de las eliminaciones. A diferencia de la reacción E2, en las que se requiere una configuración periplanar, en la reacción E1 no existe un requisito geométrico; el carbocatión intermedio puede perder cualquier protón disponible de una posición vecina. Por tanto, es de esperar que se obtenga el producto más estable (regla de Zaitsev) en una reacción E1, lo cual es justamente lo que se observa. La cinética es de primer orden pero su mecanismo es en dos etapas:
Deshidratación de Alcoholes a Alquenos:
Para que un sustrato experimente una reacción E1 es necesario que posea un buen grupo saliente, cuya marcha origine un carbocatión estable. Los alcoholes no sufren eliminación en condiciones neutras o alcalinas, debido a que el -OH no es un buen grupo saliente. No obstante, en un medio ácido los alcoholes se protonan en el oxígeno para dar iones oxonio, capaces de perder agua (H2O), un excelente grupo saliente.
Así, la reacción de los alcoholes 2ario y 3ario con un exceso de un ácido fuerte constituyen un método establecido para la síntesis de alquenos. Suelen emplearse los “ácidos sulfúricos y fosfóricos”. La temperatura elevada acelera la reacción y favorece la eliminación, además, permite que el alqueno destile a medida que se forma, lo que evita las reacciones secundarias.
Ejemplos:
1.-
2.-
3.-
En los ejemplos 2 y 3, los resultados están de acuerdo con lo esperado, es decir la obtención del alqueno más sustituido. Los productos predominantes en el ejemplo 3 se han formado a través de una transposición, lo que demuestra que en la reacción han intervenido carbocationes como intermedios.
Transposiciones a través de carbocationes: Una propiedad común de los carbocationes es experimentar transposiciones, siempre y cuando sean capaces de generar un carbocatión mucho más estable que el precursor.
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Transposición de Hidrógeno |
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Transposición de Metilo |
COMPARACIÓN ENTRE LAS REACCIONES E1 y E2.
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Características |
E1 |
E2 |
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Mecanismo |
Dos pasos, Intermedio tipo carbocatión |
Un paso, eliminación concertada, con estado de transición |
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Cinética |
Primer orden |
Segundo orden |
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Transposiciones |
En ocasiones |
Nunca |
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Sustratos |
Haluros, Tosilatos, alcoholes en medio ácido |
Haluros, tosilatos, hidróxidos de tetraalquilamonio |
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Características estructurales favorables |
Halogenuros 3º, y empleando disolventes polares |
Elevada concentración de base. |
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Competencia |
Reacción SN1 |
Reacción SN2 |
Correlación entre estructura y reactividad para reacciones de sustitución y de eliminación.
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Tipo de halogenuro |
SN1 |
SN2 |
E1 |
E2 |
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R-CH2-X (primario) |
No ocurre |
Altamente favorecida |
No ocurre |
Ocurre cuando se emplean bases fuertes |
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R2-CH-X (secundario) |
Puede ocurrir con halogenuros bencílicos y alílicos |
Ocurre en competencia con la reacción E2 |
Puede ocurrir con halogenuros bencílicos y alílicos |
Es favorecida cuando se usan bases fuertes |
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R3-C-X (terciario) |
Es favorecida en solventes hidroxílicos |
No ocurre |
Ocurre en competencia con la reacción SN1 |
Es favorecida cuando se emplean bases |
OTRAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN:
En las reacciones de eliminación E1 y E2, el producto obtenido mayoritariamente resulta ser el alqueno más sustituido, pero en muchas ocasiones por interés sintético es necesario obtener un alqueno menos sustituido en forma mayoritaria. En tal caso, los métodos anteriores no resultan útiles, y hay que recurrir a otros métodos descritos en la literatura científica, de los cuales resumiremos algunos.
A.- ELIMINACIÓN DE HOFMANN
La pérdida de una trialquilamina y un átomo de hidrógeno en b respecto del nitrógeno a partir de una sal de amonio cuaternario conduce a un alqueno mediante la reacción conocida generalmente como eliminación de Hofmann[3].
La reacción transcurre normalmente por mecanismo E2 y sigue la preferencia estereoelectrónica para la eliminación anti. Cuando existen dos tipos diferentes de hidrógenos en b respecto al nitrógeno cuaternario, la eliminación conduce generalmente al predominio del alqueno menos sustituido. De hecho, Hofmann propuso su regla sobre la orientación de la eliminación en 1851 como consecuencia de sus estudios sobre eliminaciones a partir de sales de amonio cuaternario.
La eliminación puede conseguirse tratando una sal de amonio cuaternario con una base fuerte, si bien es más normal utilizar el hidróxido de amonio cuaternario como reactivo, con lo que se requiere base externa. El rendimiento en alqueno es generalmente alto. La reacción posee una utilidad limitada para la síntesis de alquenos, ya que a menudo es más fácil emplear productos de partida más asequibles. (el mecanismo será estudiado en el capítulo dedicado a las aminas).
B.- ELIMINACIÓN PIROLÍTICA
Ciertos precursores de alquenos no requieren un reactivo externo que promueva la eliminación. Los ésteres y los óxidos de amina constituyen dos ejemplos de tales sustratos. En esos casos, la calefacción aporta suficiente energía para que el grupo saliente actúe como una base intramolecular. La ruptura térmica de una molécula se conoce como pirólisis.
Cuando se calienta un éster (300 - 600º), generalmente un acetato que contiene un átomo de hidrógeno en b en su porción alcohólica, se forman un alqueno y un ácido carboxílico. Se cree que la reacción transcurre de forma concertada a través de un estado de transición cíclico de seis miembros. Tales reacciones de eliminación pirolítica se designan a menudo como Ei-eliminación, interna. La reacción es estereoespecifica, el mecanismo cíclico intramolecular requiere coplanaridad sin de los grupos que se pierden.
Mecanismo: de la pirólisis de ésteres.
La pirólisis de óxidos de amina (La Reacción de Cope) es un método de síntesis de alquenos muy relacionado con la pirólisis de ésteres. El átomo de oxígeno de un óxido de amina posee una carga negativa formal y puede actuar como una base interna.
Otros ejemplos:
Acetato de treo-2-deuterio E-Estilbeno (trans)
-1,2-difeniletilo
Acetato de Eritro-2-deuterio E-1-Deuterioestilbeno (trans)
-1,2-difeniletilo
El mecanismo de la reacción de Cope será estudiado en capítulo dedicado a las amina.
C.- DESHALOGENACIÓN
En las reacciones de 1,2-eliminación más comunes, el protón es uno de los dos grupos que se pierde. Cuando en un sustrato están presentes dos átomos de halógeno, la reacción con base puede conducir a una doble deshidrohalogenación. El ciclohexadieno se prepara de esta manera a partir del 1,2-dibromociclohexano.
No obstante, si se trata el mismo 1,2-dihalogenuro con yoduro potásico, un reactivo relativamente no básico, se obtiene ciclohexeno, una monoolefina. La eliminación de dos átomos de halógeno produce una deshalogenación.
La deshalogenación mediante ion yoduro es un proceso estereoespecífico que transcurre con un curso estereoquímico anti. El yoduro actúa de la misma manera que la base en la deshidrohalogenación. En esta reacción E2, la pérdida de los dos átomos de halógeno está sincronizada con la formación del doble enlace.
El ion yoduro y el cinc metálico son los reactivos más comúnmente utilizados para la deshalogenación.
D.- DESHIDROGENACIÓN CATALÍTICA.
La eliminación de hidrógeno a partir de un hidrocarburo es un importante proceso industrial. La deshidrogenación se lleva a cabo a temperaturas elevadas sobre catalizadores compuestos normalmente de óxidos metálicos. La tecnología de este tipo de procesos catalíticos continuos es muy sofisticada. Los factores críticos para controlar los rendimientos y los productos secundarios son la temperatura, la composición del catalizador y la velocidad de flujo a través del reactor. El vapor de agua y el nitrógeno son dos gases portadores utilizados para arrastrar los productos de partida y los productos de reacción (entre ellos hidrógeno) a través del catalizador. La naturaleza y concentración de estos gases “inertes” son a menudo variables importantes de la reacción.
