Κεφάλαιο 3: Αντιδράσεις απόσπασης

Κεφάλαιο 3: Αντιδράσεις απόσπασης Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με τις αντιδράσεις απόσπασης. Δίνεται βαρύτητα στις β-αποσπάσεις και ειδικότερα στους μηχανισμούς Ε1 και Ε2 και τις παραμέτρους που σχετίζονται με αυτούς. Περιγράφονται επίσης ορισμένες ιδιαίτερες κατηγορίες β-αποσπάσεων, όπως οι μηχανισμοί Ε1cb και Εi. Ακόμη αναφέρονται οι α- και δ- αποσπάσεις. Στο τέλος γίνεται μια συστηματική μελέτη του ανταγωνισμού μεταξύ των μηχανισμών πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης και απόσπασης και δίνεται ένας συνοπτικός οδηγός για τις αντιδράσεις υποκατάστασης και απόσπασης στα αλογονοαλκάνια. Η συγγραφή του κεφαλαίου βασίστηκε εν μέρει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11]. Προαπαιτούμενη γνώση Για την ευκολότερη και καλύτερη κατανόηση αυτού του κεφαλαίου ο αναγνώστης θα πρέπει να είναι σε θέση να σχεδιάζει σωστές δομές Lewis, να έχει εξοικειωθεί με τη χρήση κυρτών βελών, να κατέχει τους βασικούς κανόνες ονοματολογίας και στερεοχημείας, να αναγνωρίζει τις διάφορες τάξεις οργανικών ενώσεων και να γνωρίζει πολύ καλά τους μηχανισμούς πυρηνόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης (Κεφάλαιο 2) και τις έννοιες: ηλεκτρονιόφιλο, πυρηνόφιλο, καρβοκατιόντα, καρβανιόντα, θερμοδυναμική θεώρηση μιας οργανικής αντίδρασης (και ό,τι σχετίζεται με αυτήν) και ισοτοπικό φαινόμενο. Για τα αντικείμενα αυτά ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέχει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-11] και στα προηγούμενα κεφάλαια του παρόντος συγγράμματος. 3. Αντιδράσεις απόσπασης 3.1 Γενική περιγραφή μιας αντίδρασης απόσπασης Σε μιαν αντίδραση απόσπασης (elimination reaction) υφίσταται απομάκρυνση μιας αποχωρούσας ομάδας (Χ) μαζί με μία ηλεκτροθετική ομάδα, η οποία τις περισσότερες φορές είναι ένα Η (Σχήμα 3.1), και σχηματίζεται ένας νέος π δεσμός. 1

Σχήμα 3.1 Παραδείγματα αντιδράσεων απόσπασης. Οι αντιδράσεις απόσπασης διακρίνονται ανάλογα με τη σχετική θέση των δύο ομάδων που απομακρύνονται (β-, δ- ή α-απόσπαση) και του μηχανισμού με τον οποίο γίνεται η απόσπαση. 3.2 β-αποσπάσεις Σε μια β-απόσπαση η αποχωρούσα ομάδα και η ηλεκτροθετική ομάδα βρίσκονται σε γειτονικά άτομα C και ένας νέος π δεσμός δημιουργείται μεταξύ των ατόμων αυτών, δηλαδή προκύπτει ένα αλκένιο, Σχήμα 3.2. Σχήμα 3.2 Γενική περιγραφή μιας αντίδρασης β-απόσπασης. Οι μηχανισμοί με τους οποίους χωρούν οι β-αποσπάσεις είναι ο Ε2, ο Ε1 και ο Ε1cb. 3.2.1 Ο μηχανισμός Ε2 Ο μηχανισμός Ε2 χωρεί σε ηλεκτρονιόφιλα που φέρουν μιαν αποχωρούσα ομάδα (Χ) συνδεδεμένη σε έναν sp 3 C ή σε έναν sp 2 C, υπό βασικές συνθήκες. Πρόκειται για έναν σύγχρονο μηχανισμό: Mια βάση (Β) αποσπά το άτομο Η που είναι συνδεδεμένο με τον ηλεκτρονιόφιλο C και ταυτόχρονα το ζεύγος ηλεκτρονίων του δεσμού H-C μετακινείται για να σχηματιστεί ένας π δεσμός με τον C που φέρει την αποχωρούσα ομάδα, ενώ η τελευταία απομακρύνεται, Σχήμα 3.3. 2

Σχήμα 3.3 Γενική περιγραφή του μηχανισμού Ε2. Ο σύγχρονος χαρακτήρας του Ε2 μηχανισμού αποδεικνύεται και από την μέτρηση του ισοτοπικού φαινομένου δευτερίου (ΙΦ = k D /k H >> 1), δηλαδή στο καθοριστικό στάδιο της αντίδρασης γίνεται η διάσπαση του δεσμού C-H ή C-D. Η ύπαρξη ενός και μοναδικού σταδίου κατά τη διάρκεια της αντίδρασης εξηγεί και την κινητική θεώρηση του μηχανισμού Ε2: πρόκειται για μια διαδικασία δευτέρας τάξεως (διμοριακός μηχανισμός), η ταχύτητα της οποίας είναι ανάλογη της συγκέντρωσης τόσο του υποστρώματος όσο και της βάσης: ταχύτητα αντίδρασης = k[υπόστρωμα][β] Επίσης, η ύπαρξη ενός και μοναδικού σταδίου κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης με μηχανισμό Ε2 εξηγεί τις συγκεκριμένες στερεοηλεκτρονικές απαιτήσεις για να λάβει χώρα η αντίδραση σε κεκορεσμένα συστήματα: οι αποσπώμενες ομάδες ή άτομα (Η και Χ) θα πρέπει να είναι ομοεπίπεδες και μάλιστα να καταλαμβάνουν αντίθετες πλευρές του υποστρώματος (διαβαθμισμένη αντι-διευθέτηση) ώστε να υπάρχει η μέγιστη αλληλεπικάλυψη των sp 3 τροχιακών που πρόκειται να δώσουν τον π δεσμό του αλκενίου. Το γεγονός αυτό μπορεί να προσδιορίσει όχι μόνο πόσο εύκολα (γρήγορα) γίνεται μια αντίδραση απόσπασης, αλλά και τη στερεοχημεία του προκύπτοντος αλκενίου, αφού η σχετική θέση των υποκαταστατών μεταφέρεται στη στερεοχημεία του αλκενίου (στερεοειδική αντίδραση), (1) και (2), Σχήμα 3.4. Η απόσπαση ομάδων που έχουν συν-διευθέτηση είναι γενικά πιο δύσκολη και απαιτούνται δραστικότερες συνθήκες (δείτε και την παράγραφο 3.2.4). Σχήμα 3.4 Στερεοηλεκτρονικές απαιτήσεις και στερεοειδικότητα του μηχανισμού Ε2. Για τον μηχανισμό E2 δείτε το Video 3.1. Video 3.1 Ο μηχανισμός E2. Βέβαια, στα μεθυλενικά συστήματα (-CH 2 -) με ελεύθερη περιστροφή η απόσπαση δύο διαφορετικών Η από τον ίδιο C οδηγεί σε μίγμα των δύο γεωμετρικών ισομερών. Συνήθως σχηματίζεται το trans-προϊόν σε μεγαλύτερη αναλογία (θερμοδυναμικά σταθερότερο), Σχήμα 3.5. 3

Σχήμα 3.5 Σχηματισμός γεωμετρικών ισομερών μέσω του μηχανισμού Ε2. Ενώ στα άκυκλα συστήματα υφίσταται μια σχετική ευελιξία στην εξεύρεση της αντι-διευθέτησης των Η και Χ, στα κυκλικά συστήματα οι ευνοϊκές διευθετήσεις είναι περιορισμένες. Έτσι, στα κυκλοεξανικά συστήματα τα Η και Χ θα πρέπει να καταλαμβάνουν trans-διαξονικές θέσεις. Όσο πιο εύκολα εκπληρώνεται αυτή η προϋπόθεση τόσο πιο γρήγορη θα είναι η αντίδραση με τον μηχανισμό Ε2, ενώ αν δεν είναι δυνατή αυτή η διευθέτηση το σύστημα θα είναι ανενεργό σε αντίδραση απόσπασης Ε2, Σχήμα 3.6. Σχήμα 3.6 Αντιδράσεις απόσπασης Ε2 σε κυκλοεξανικά συστήματα. Στις περιπτώσεις υποστρωμάτων με δύο διαφορετικούς β-c (ως προς την αποχωρούσα ομάδα), οι οποίοι φέρουν Η, είναι δυνατό να σχηματισθούν δύο διαφορετικά προϊόντα (τοποϊσομερή). Η έκβαση της αντίδρασης απόσπασης Ε2 εξαρτάται από το είδος της χρησιμοποιούμενης βάσης. Έτσι, μη παρεμποδισμένες βάσεις δίνουν εκλεκτικά το περισσότερο υποκατεστημένο αλκένιο Α (θερμοδυναμικό προϊόν, κανόνας του Zaitsev, Zaitsev s rule), ενώ παρεμποδισμένες βάσεις δίνουν εκλεκτικά το λιγότερο υποκατεστημένο αλκένιο Β (κινητικό προϊόν, κανόνας του Hofmann, Hofmann s rule), Σχήμα 3.7. Σχήμα 3.7 Τοποεκλεκτικότητα του μηχανισμού Ε2. Ο κανόνας του Hofmann εξηγεί γιατί σχηματίζεται σε μεγαλύτερο ποσοστό το λιγότερο υποκατεστημένο αλκένιο και στην περίπτωση της επίδρασης Ag 2 O σε ένα τεταρτοταγές αμμωνιακό άλας (απόσπαση Hofmann, Hofmann elimination), Σχήμα 3.8. Εδώ το υπόστρωμα είναι τόσο παρεμποδισμένο, ώστε ευνοείται η απόσπαση του περισσότερο προσβάσιμου Η. Σχήμα 3.8 Απόσπαση Hofmann. Η διπλή απόσπαση Ε2 των Η και Χ (διπλή αφυδραλογόνωση) από ένα sp 3 και στη συνέχεια ένα sp 2 σύστημα (βινυλοαλογονίδιο) είναι χαρακτηριστική στην περίπτωση της παρασκευής αλκυνίων από 1,2- ή 1,1- διαλογονο-παράγωγα, (1) και (2) αντίστοιχα, Σχήμα 3.9. 4

Σχήμα 3.9 Διπλή απόσπαση Ε2 για την παρασκευή αλκυνίων. Σε ορισμένα sp 2 συστήματα (βινυλοαλογονίδια) η απόσπαση Η μπορεί να γίνει τόσο από τον sp 2 C (για τον σχηματισμό αλκυνίου), όσο και από τη γειτονική αλλυλική sp 3 θέση (για τον σχηματισμό ενός αλλενίου), Σχήμα 3.10. Σχήμα 3.10 Ανταγωνισμός σχηματισμού αλκυνίου και αλλενίου. Η αντίδραση σχηματισμού των αλκυνίων περιπλέκεται περισσότερο όταν μπορεί να σχηματιστούν δύο διαφορετικά αλκύνια και το ισομερές αλλένιο. Στις περισσότερες από αυτές τις περιπτώσεις, λόγω των συνθηκών της αντίδρασης χωρεί ισομερείωση προς το σταθερότερο τελικό αλκυνυλικό ανιόν, Σχήμα 3.11. Σχήμα 3.11 Σχηματισμός του τελικού αλκυνίου. Χαρακτηριστικές ιδιαίτερες περιπτώσεις απόσπασης Ε2 είναι: Η β-απόσπαση υδραλογόνου σε αλογονωμένα βενζολικά παράγωγα που γίνεται με την επίδραση πολύ ισχυρών βάσεων οδηγώντας στο ιδιαίτερα ασταθές βενζύνιο (1), η β-απόσπαση υδραλογόνου σε αλογονίδια καρβοξυλικών οξέων, η οποία δίνει κετένες (2) και η απόσπαση σε 1,2-διαλογονωμένα παράγωγα με την επίδραση Zn, (3), Σχήμα 3.12. 5

Σχήμα 3.12 Ιδιαίτερες περιπτώσεις απόσπασης Ε2. 3.2.2 Ο μηχανισμός Ε1 Ο μηχανισμός Ε1 χωρεί σε ηλεκτρονιόφιλα που φέρουν μιαν αποχωρούσα ομάδα (Χ) συνδεδεμένη σε έναν sp 3 C, σε όξινες συνθήκες. Πρόκειται για έναν μηχανισμό που χωρεί σε δύο στάδια: Η αποχωρούσα ομάδα απομακρύνεται (συνήθως μετά από πρωτονίωση) για να δώσει ένα καρβοκατιόν, το οποίο διασπάται με την απομάκρυνση Η + (ή κάποιου άλλου κατιόντος) για τον σχηματισμό ενός π δεσμού, Σχήμα 3.13. Είναι προφανές πως το πρώτο στάδιο είναι πανομοιότυπο με το πρώτο στάδιο ενός μηχανισμού S N 1 και, κατά αναλογία, σημαντικό ρόλο και σε αυτόν τον μηχανισμό παίζει η σταθερότητα του ενδιάμεσου καρβοκατιόντος. Σχήμα 3.13 Γενικό σχήμα του μηχανισμού Ε1. Η ύπαρξη δύο σταδίων κατά τη διάρκεια της αντίδρασης με μηχανισμό Ε1, από τα οποία αυτό της απόσπασης της αποχωρούσας ομάδας είναι το βραδύτερο, εξηγεί και την κινητική θεώρηση του μηχανισμού Ε1: πρόκειται για μια διαδικασία πρώτης τάξεως (μονομοριακός μηχανισμός) η ταχύτητα της οποίας είναι ανάλογη της συγκέντρωσης μόνο του υποστρώματος: ταχύτητα αντίδρασης = k[υπόστρωμα] Επιπλέον, παρατηρείται μόνο ένα δευτερογενές ισοτοπικό φαινόμενου δευτερίου (ΙΦ ~ 1-1,5), αφού το στάδιο διάσπασης του δεσμού C-H (ή C-D) δεν είναι το καθοριστικό για την ταχύτητα. Λόγω του σχηματισμού ενδιάμεσου καρβοκατιόντος ο μηχανισμός ευνοείται με υποστρώματα που φέρουν την αποχωρούσα ομάδα σε περισσότερο υποκατεστημένους C (3 ταγής > 2 ταγής >> 1 ταγής ), ενώ γενικά παρατηρείται ανταγωνισμός με τον αντίστοιχο μονομοριακό μηχανισμό υποκατάστασης (S N 1). Κατά την απόσπαση με μηχανισμό Ε1 δεν υφίστανται οι στερεοχημικοί περιορισμοί που αναφέρθηκαν για τον μηχανισμό Ε2. Έτσι, συνήθως σχηματίζεται σε μεγαλύτερο ποσοστό το περισσότερο υποκατεστημένο αλκένιο, ισχύει δηλαδή ο κανόνας του Zaitsev. Λόγω του σχηματισμού ενός ενδιάμεσου καρβοκατιόντος είναι πιθανό να μεσολαβήσει μια 1,2- αναδιάταξη υδριδίου ή αλκυλίου πριν την απόσπαση του Η +, (1) & (2) αντίστοιχα, Σχήμα 3.14. 6

Σχήμα 3.14 Παραδείγματα αναδιάταξης του ενδιάμεσου καρβοκατιώντος σε έναν μηχανισμό Ε1. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η αφυδάτωση της 3,3-διμεθυλο-βουτανόλης-2, η οποία δίνει με 1,2-αναδιάταξη μεθυλίου του ενδιάμεσου καρβοκατιόντος το τετραμεθυλοαιθυλένιο (ρετροπινακολική αναδιάταξη, retropinacolic rearrangement), Σχήμα 3.15. Σχήμα 3.15 Ρετροπινακολική αναδιάταξη. 3.2.3 Σύγκριση των μηχανισμών Ε2 και Ε1 Στον Πίνακα 3.1 γίνεται μια συνοπτική σύγκριση των μηχανισμών Ε2 και Ε1. 7

Πίνακας 3.1 Σύγκριση των μηχανισμών Ε2 και Ε1. 3.2.4 Ο μηχανισμός Ε1cb Ο μηχανισμός Ε1cb χωρεί σε βασικό περιβάλλον με ηλεκτρονιόφιλα που φέρουν ένα πολύ όξινο Η και μιαν όχι και τόσο καλή αποχωρούσα ομάσα (Χ). Πρόκειται για έναν μηχανισμό που χωρεί σε δύο στάδια: Mια βάση (Β) αποσπά το όξινο Η και δίνει ένα σταθεροποιημένο καρβανιόν, το οποίο στο δεύτερο στάδιο σχηματίζει τον διπλό δεσμό με την απομάκρυνση της αποχωρούσας ομάδας (Σχήμα 3.16). Σχήμα 3.16 Μηχανισμός E1cb. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αντιδράσεων που χωρούν με μηχανισμό Ε1cb είναι η αφυδάτωση των αλδολών και η μετατροπή μιας ημιακετάλης στην αντίστοιχη καρβονυλική ένωση σε βασικό περιβάλλον, (1) και (2) αντίστοιχα, Σχήμα 3.17. Σχήμα 3.17 Παραδείγματα μηχανισμού E1cb. 3.2.5 Ο μηχανισμός Εi 8

Ο μηχανισμός Εi χωρεί σε ένα κυκλικό στάδιο κατά το οποίο υφίσταται εσωτερική αντίδραση απόσπασης, δηλαδή η βάση είναι μέρος του υποστρώματος. Πρόκειται για μια συν-απόσπαση που δίνει (εφόσον τίθεται θέμα γεωμετρίας του διπλού δεσμού) το cis-ισομερές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιας αντίδρασης είναι η απόσπαση Cope (Cope elimination), Σχήμα 3.18 (δείτε και την παράγραφο 9.5.4). Σχήμα 3.18 Απόσπαση Cope: ένα παράδειγμα μηχανισμού Εi. 3.3 δ-αποσπάσεις Σε μια δ-απόσπαση η αποχωρούσα ομάδα και η ηλεκτροθετική ομάδα απέχουν 4 C και μεσολαβεί ένας π δεσμός. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις είναι αυτές της απόσπασης υδραλογόνου για τον σχηματισμό 1,3- διενίων (1) και αρωματικών 1,4-σιλυλο-βρωμο-παραγώγων που δίνουν με την επίδραση F τα ασταθή ο- κινοδιμεθάνια (ο-quinodomethanes), (2), Σχήμα 3.19. Ο μηχανισμός αυτός πολλές φορές περιγράφεται ως Ε2. Σχήμα 3.19 Μηχανισμός δ-απόσπασης. 3.4 α-αποσπάσεις Οι αντιδράσεις α-απόσπασης χωρούν στο ίδιο άτομο, δηλαδή απομακρύνονται δύο ομάδες ή άτομα (το ένα ως κατιόν και το άλλο ως ανιόν) από το ίδιο άτομο. Αυτό έχει ως συνέπεια το άτομο που χάνει το κατιόν και το ανιόν να απομένει με ένα μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων. Όταν το άτομο αυτό είναι C τότε η προκύπτουσα οντότητα είναι ένα καρβένιο (carbene), δηλαδή φέρει ένα ουδέτερο δισθενές άτομο C με μονήρες ζεύγος και ένα κενό τροχιακό. Η πιο γνωστή περίπτωση παρασκευής καρβενίων αφορά στην επίδραση πολύ ισχυρών βάσεων σε πολυαλογονοαλκάνια όπως τα αλοφόρμια, Σχήμα 3.20. Σχήμα 3.20 Σχηματισμός καρβενίων με α-απόσπαση. Μεταξύ των χαρακτηριστικών αντιδράσεων που δίνουν τα καρβένια είναι οι αντιδράσεις με διπλούς δεσμούς [κυκλοπροπανίωση (cyclopropanation), δείτε την παράγραφο 5.1.3.8]. Παρόμοια δραστικότητα 9

έχουν και ενώσεις που καλούνται καρβενοειδή (carbenoids), όπως το αντιδραστήριο Simmons-Smith (ICH 2 ZnI), τα οποία όμως στην πραγματικότητα δεν είναι καρβένια, Σχήμα 3.21. Σχήμα 3.21 Σχηματισμός του αντιδραστηρίου Simmons-Smith. Η α-απόσπαση μπορεί να γίνει και σε άλλα άτομα, εκτός του C, όπως π.χ. το Ν. Έτσι, η α-απόσπαση σε Ν-αρυλοσουλφονυλοϋδραζόνες δίνει διαζωαλκάνια (αντίδραση Shapiro, Shapiro reaction) τα οποία διασπώνται προς αλκενυλο-ανιόντα, Σχήμα 3.22. Σχήμα 3.22 α-aπόσπαση σε Ν-αρυλοσουλφονυλοϋδραζόνες. 3.5 Μελέτη του ανταγωνισμού υποκατάστασης και β-απόσπασης 3.5.1 Ανταγωνισμός μεταξύ S N 2 και Ε2 Δύο είναι οι κύριοι παράγοντες που προσδιορίζουν το αποτέλεσμα της επίδρασης ενός αντιδραστηρίου με μονήρες ζεύγος σε ένα ηλεκτρονιόφιλο υπόστρωμα του τύπου C-X (όπου ο C με sp 3 υβριδισμό): α) Ο χαρακτήρας πυρηνόφιλου/βάσης του αντιδραστηρίου και β) η δομή του ηλεκτρονιόφιλου. Οι δύο αυτοί παράγοντες δρουν συνδυαστικά και κανένας δεν καθορίζει το αποτέλεσμα από μόνος του. Σε ό,τι αφορά τα αντιδραστήρια με το μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων διακρίνονται οι εξής περιπτώσεις: Αντιδραστήρια που είναι καλά πυρηνόφιλα αλλά ασθενείς βάσεις και προτιμούν να δώσουν αντιδράσεις S N 2. Εδώ συγκαταλέγονται ανιόντα ή ουδέτερες ενώσεις «μεγάλων» ατόμων, όπως Ι, Βr, RS, R 2 S και R 3 P, τα ανιόντα CN, Ν 3 και RCO 2, η ΝΗ 3, οι οργανοχαλκικές ενώσεις και τα σταθεροποιημένα ενολικά ανιόντα. Αντιδραστήρια που είναι καλά πυρηνόφιλα και ισχυρές βάσεις και τα οποία μπορούν να δώσουν τόσο αντιδράσεις με μηχανισμό S N 2 όσο και αντιδράσεις με μηχανισμό Ε2. Εδώ συγκαταλέγονται τα μη παρεμποδισμένα και σχετικά σταθεροποιημένα ανιόντα ή ουδέτερες ενώσεις«μικρών» ατόμων, όπως Cl, μη παρεμποδισμένα RO, R 2 N και R 3 N καθώς επίσης και οι εναμίνες, τα ενολικά ανιόντα και τα αλκυνυλικά ανιόντα. Αντιδραστήρια που είναι φτωχά πυρηνόφιλα και ισχυρές βάσεις και τα οποία προτιμούν να δώσουν αντιδράσεις με μηχανισμό Ε2. Εδώ συγκαταλέγονται τα παρεμποδισμένα και μη σταθεροποιημένα ανιόντα ή ουδέτερες ενώσεις «μικρών» ατόμων, όπως F, οι οργανομαγνησιακές και οργανολιθιακές ενώσεις και οι μη πυρηνόφιλες βάσεις που περιγράφηκαν στην παράγραφο 1.6.1.4. Σε ότι αφορά το υπόστρωμα διακρίνονται οι εξής περιπτώσεις (στον όρο αλογονίδια συμπεριλαμβάνονται και τα ψευδοαλογονίδια): 10

Τα μεθυλοαλογονίδια (ΜeX) και τα βενζυλοαλογονίδια (BnX) δίνουν μόνο αντιδράσεις με μηχανισμό S N 2, αφού δεν διαθέτουν β-η. Τα πρωτοταγή αλογονίδια δίνουν αντιδράσεις με μηχανισμό S N 2, εκτός από τις περιπτώσεις που είναι στερεοχημικά παρεμποδισμένα ή το πυρηνόφιλο είναι πολύ ασθενές. Τα δευτεροταγή αλογονίδια δίνουν τόσο αντιδράσεις με μηχανισμό S N 2, όσο και αντιδράσεις με μηχανισμό Ε2 και η έκβαση της αντίδρασης καθορίζεται κυρίως από τον χαρακτήρα του πυρηνόφιλου/βάσης. Αν το τελευταίο είναι καλό πυρηνόφιλο, αλλά και καλή βάση, τότε άλλοι παράγοντες μπορεί να παίζουν επίσης ρόλο. Έτσι, π.χ. οι πολικοί απρωτικοί διαλύτες ευνοούν μιαν αντίδραση με μηχανισμό S N 2. Τα τριτοταγή αλογονίδια δεν δίνουν αντιδράσεις με μηχανισμό S N 2, αλλά αντιδράσεις με μηχανισμό Ε2. Εάν η βάση είναι πολύ ασθενής δεν γίνεται αντίδραση ούτε μέσω του μηχανισμού Ε2. Δύο άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν τον ανταγωνισμό μεταξύ της S N 2 υποκατάστασης και της Ε2 απόσπασης είναι η πολικότητα του διαλύτη και η θερμοκρασία. Γενικά μπορεί να υποστηριχθεί ότι η αύξηση της πολικότητας του διαλύτη μειώνει τον λόγο Ε2/S N 2, αφού στη μεταβατική κατάσταση της απόσπασης τα ομοειδή κλασματικά φορτία (δ ) είναι περισσότερο απομακρυσμένα. Επίσης, οι πρωτικοί πολικοί διαλύτες ευνοούν την απόσπαση, ενώ οι απρωτικοί πολικοί διαλύτες την υποκατάσταση. Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει τον λόγο Ε2/S N 2. Υπάρχουν δύο αιτίες που οδηγούν σε αυτήν τη διαφοροποίηση: Αφενός, επειδή η ενέργεια ενεργοποιήσεως είναι μεγαλύτερη για την απόσπαση, η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μεγαλύτερο ποσοστό σε απόσπαση. Επιπλέον σε μιαν αντίδραση απόσπασης έχουμε μεταβολή της εντροπίας και άρα μείωση της ΔG με την αύξηση της θερμοκρασίας. 3.5.2 Ανταγωνισμός μεταξύ S N 1 και Ε1 Στις περισσότερες περιπτώσεις η απόσπαση Ε1 είναι σπάνια η κύρια οδός αντίδρασης και συνήθως απλά συνοδεύει σε μικρό ποσοστό την υποκατάσταση S N 1. Και οι δύο αυτοί μηχανισμοί περιλαμβάνουν τη δημιουργία ενός καρβοκατιόντος. Αυτό μπορεί να υποστεί στη συνέχεια είτε υποκατάσταση (S N 1) είτε απόσπαση (Ε1). Η προσβολή από το πυρηνόφιλο ευνοείται όταν ο διαλύτης είναι υδροξυλικός (π.χ. νερό, αλκοόλες), ενώ η απόσπαση είναι περισσότερο πιθανή σε απρωτικούς διαλύτες. Επίσης, αν το πυρηνόφιλο/βάση προσβάλλει ενδομοριακά το υπόστρωμα προτιμάται η υποκατάσταση. Όπως και για το ζεύγος Ε2/S N 2, η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί την απόσπαση (Ε1) σε βάρος της υποκατάστασης (S N 1). Στις αντιδράσεις που γίνονται παρουσία ενός οξέος (υποστρώματα αλκοόλες) η έκβαση της αντίδρασης καθορίζεται από το αν η συζυγής βάση του οξέος είναι ισχυρή ή όχι. Έτσι τα υδραλογόνα οδηγούν κυρίως σε υποκαταστάσεις, ενώ οξέα όπως το H 2 SO 4 και το H 3 PO 4 δίνουν αποσπάσεις, Σχήμα 3.23. Σχήμα 3.23 Η προτίμηση για S N 1 ή Ε1 μηχανισμό κατά την αντίδραση μιας αλκοόλης με οξύ. 3.5.3 Σύνοψη των αντιδράσεων υποκατάστασης και β-απόσπασης σε ένα αλογονοαλκάνιο Για την πρόβλεψη της έκβασης της επίδρασης ενός πυρηνόφιλου-βάσης σε ένα αλογοναλκάνιο (ή ψευδοαλογονοαλκάνιο) ακολουθούνται κατά σειρά τα παρακάτω βήματα: 11

Βήμα 1: Το υπόστρωμα. α) Μεθυλο- και βενζυλο-υποστρώματα αντιδρούν μόνο μέσω του S N 2 μηχανισμού. β) Τα πρωτοταγή υποστρώματα δίνουν αντιδράσεις μέσω του S N 2 μηχανισμού, εκτός από τις περιπτώσεις που χρησιμοποιείται μια ισχυρή και παρεμποδισμένη βάση, οπότε χωρεί ο μηχανισμός Ε2. γ) Τα τριτοταγή υποστρώματα δεν δίνουν αντιδράσεις με τον μηχανισμό S N 2. Οι ισχυρές βάσεις (παρεμποδισμένες ή μη) δίνουν αποσπάσεις τύπου Ε2, ενώ οι ασθενείς βάσεις οδηγούν σε αντιδράσεις ταυτόχρονα μέσω των μηχανισμών S N 1 και Ε1. Βήμα 2: Το πυρηνόφιλο/βάση. α) Τα φορτισμένα πυρηνόφιλα/βάσεις ευνοούν τους μηχανισμούς S N 2 και Ε2. β) Τα φορτισμένα πυρηνόφιλα που είναι και ασθενείς βάσεις ευνοούν περισσότερο τον S N 2 παρά τον Ε2. γ) Τα μη φορτισμένα πυρηνόφιλα/βάσεις δίνουν αντιδράσεις μέσω των μηχανισμών S N 1 και Ε1. Βήμα 3: Ο διαλύτης. α) Οι πολικοί απρωτικοί διαλύτες ευνοούν τον S N 2 παρά τον Ε2 μηχανισμό, ενώ οι πολικοί πρωτικοί διαλύτες ευνοούν τον Ε2 παρά τον S N 2 μηχανισμό (για ένα δευτεροταγές υπόστρωμα και ένα φορτισμένο πυρηνόφιλο/βάση). β) Οι υδροξυλικοί διαλύτες ευνοούν τον S N 1 παρά τον Ε1 μηχανισμό, ενώ οι απρωτικοί διαλύτες ευνοούν τον Ε1 παρά τον S N 1 μηχανισμό (για ένα τριτοταγές υπόστρωμα και ένα μη φορτισμένο πυρηνόφιλο/βάση). Βήμα 4: Η θερμοκρασία: α) Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει τον λόγο Ε2/S N 2. β) Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει τον λόγο Ε1/S N 1. Στον Πίνακα 3.2 δίνονται συνοπτικά οι αντιδράσεις υποκατάστασης και β-απόσπασης ανάλογα με το υπόστρωμα (αλογονοαλκάνιο ή ψευδοαλογοναλκάνιο) και το πυρηνόφιλο (Νu)/βάση (B). Πίνακας 3.2 Σύνοψη αντιδράσεων υποκατάστασης και β-απόσπασης. 3.6 Διάφορες αντιδράσεις απόσπασης Στο Σχήμα 2.24 δίνεται μια σειρά από χαρακτηριστικές αντιδράσεις απόσπασης: (1): Αφυδραλογόνωση αλογονοαλκανίων (παρασκευή αλκενίων). (2): Αφυδάτωση αλκοολών (παρασκευή αλκενίων). (3): Διπλή αφυδραλογόνωση 1,2-διαλογονοπαραγώγων (παρασκευή αλκυνίων). (4): Απόσπαση Hofmann (παρασκευή αλκενίων από τεταρτοταγή αμμωνιακά άλατα). (5): Αφυδάτωση αλδολών (παρασκευή α,β-ακόρεστων-αλδεϋδών ή κετονών). (6): Απόσπαση Cope (παρασκευή αλκενίων από τεταρτοταγή Ν-οξείδια αμινών). (7): δ-απόσπαση (παρασκευή ο-κινοδομεθανίων). (8): α-απόσπαση (παρασκευή καρβενίων). 12

Σχήμα 2.24 Αντιδράσεις απόσπασης. Βιβλιογραφία/Αναφορές [1] Ν. Ε. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία: Δομή-Φάσματα-Μηχανισμοί, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Ζήτη, 1985, Τεύχος Α. [2] A. Βάρβογλης, Χημεία Οργανικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Παρατηρητής, 1986. [3] R. B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Springer, 1999. [4] W.C. Groutas, Organic Reaction Mechanisms, New York, USA: Wiley, 2000. [5] M. G. Moloney, Reaction Mechanisms at a Glance, Oxford, UK: Blackwell Science, 2000. [6] Μ. Στρατάκης, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Α. [7] Δ. Παπαϊωάννου, Οργανική Χημεία, Πάτρα, Ελλάς: Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, 2000, Τόμος Β. [8] Μ. Β. Smith, J. March, Advanced Organic Chemistry, 5 th Ed., John Wiley & Sons, Inc., 2001. [9] J. McMurry, Οργανική Χημεία, (Μετάφραση Α. Βάρβογλης, Μ. Ορφανόπουλος, Ι. Σμόνου, Μ. Στρατάκης), Ηράκλειο, Ελλάς: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 2012. 13

[10] P. Vollhardt, N. Schore, Οργανική Χημεία: Δομή και Λειτουργικότητα (Μετάφραση: Ε. Μαλαμίδου, Ν. Ρόδιος, Σ. Σπυρούδης), Θεσσαλονίκη, Ελλάς: Εκδόσεις Αφοί Κυριακίδη, 2012, Τόμος Α. [11] Θ. Μαυρομούστακος, Θ. Τσέλιος, Κ. Παπακωνσταντίνου, Θεμελιώδεις Αρχές Οργανικής Χημείας, Αθήνα, Ελλάς, Εκδόσεις Συμμετρία, 2014. Κριτήρια αξιολόγησης Κριτήριο αξιολόγησης 1 Κριτήριο αξιολόγησης 2 Κριτήριο αξιολόγησης 3 Κριτήριο αξιολόγησης 4 Κριτήριο αξιολόγησης 5 Κριτήριο αξιολόγησης 6 Κριτήριο αξιολόγησης 7 Κριτήριο αξιολόγησης 8 14