В химии , А уходящая группа , представляет собой молекулярный фрагмент , который отходит с парой электронов в гетеролитическом разрыве связи . Уходящие группы могут быть анионами , катионами или нейтральными молекулами, но в любом случае важно, чтобы уходящая группа была способна стабилизировать дополнительную электронную плотность, которая возникает в результате гетеролиза связей. Обычными анионными уходящими группами являются галогениды, такие как Cl - , Br - и I - , и сложные эфиры сульфоновой кислоты, такие как тозилат (TsO - ). Фторид (F -) действует как уходящая группа в газе зарин нервно-паралитического действия . Обычными уходящими группами нейтральных молекул являются вода и аммиак . Оставляя группы также могут быть положительно заряженные катионы (например, Н + выделяется при нитровании из бензола ); они также известны как электробурги . [1] [2]
Возможность выхода из группы [ править ]
Физическое проявление способности покидать группу - это скорость, с которой происходит реакция. Хорошие уходящие группы дают быструю реакцию. Согласно теории переходного состояния это означает, что реакции с участием хороших уходящих групп имеют низкие активационные барьеры, ведущие к относительно стабильным переходным состояниям.
Полезно рассмотреть концепцию способности уходящей группы в случае первой стадии реакции S N 1 / E1 с анионной уходящей группой (ионизация), помня при этом, что эту концепцию можно обобщить на все реакции, которые включают уходящие группы. Поскольку уходящая группа несет больший отрицательный заряд в переходном состоянии (и продуктах), чем в исходном материале, хорошая уходящая группа должна быть способна стабилизировать этот отрицательный заряд, то есть образовывать стабильные анионы . Хорошим показателем стабильности аниона является pKa конъюгированной кислоты аниона , и способность уходящей группы действительно обычно следует этой тенденции, при этом более низкий pK a H связан с лучшей способностью уходящей группы.
Однако корреляция между pK a H и способностью покидать группу не идеальна. Способность уходящей группы представляет собой разницу в энергии между исходными материалами и переходным состоянием (ΔG ‡ ), а различия в способности уходящей группы отражаются в изменениях этой величины (ΔΔG ‡ ). Однако величина pK a H представляет собой разницу в энергии между исходными материалами и продуктами (ΔG) с различиями в кислотности, отраженными в изменениях этого количества (ΔΔG). Также исходные материалы в этих случаях разные. В случае pK a«уходящая группа» связана с протоном в исходном материале, тогда как в случае способности уходящей группы уходящая группа связана (обычно) с углеродом. Принимая во внимание эти важные предостережения, нужно рассматривать pK a H как отражение способности выхода из группы, но, тем не менее, тенденции в каждом из них имеют тенденцию хорошо коррелировать друг с другом. В соответствии с этой картиной, сильные основания , такие как ОН - , OR - и NR 2 - как правило, делают бедные уходящие группы, из - за их неспособности стабилизировать отрицательный заряд.
| Уходящие группы упорядочены примерно по мере уменьшения возможности выхода [3] | |
|---|---|
| РН 2 + | диазот |
| R-OR» , 2 + | диалкиловый эфир |
| Р-ОСО 2 Р Ф | перфторалкилсульфонаты (например, трифлат ) |
| Р-ОТ, Р-ОМ и др. | тозилаты , мезилаты и аналогичные |
| RI | йодид |
| R-Br | бромид |
| R-OH 2 + , R'-OHR + | вода , спирты |
| R-Cl | хлористый |
| Р-ОНО 2 , Р-ОПО (ОН) 2 | нитраты , фосфаты и другие неорганические эфиры |
| R-SR» 2 + | тиоэфир |
| R-NR» 3 + R-NH 3 + | амины , аммиак |
| РФ | фторид |
| R-OCOR | карбоксилат |
| Рев | феноксиды |
| R-OH, R-OR | гидроксид , алкоксиды |
| R-NR 2 | амиды |
Чрезвычайно редко группы, такие как H - ( гидриды ) и R 3 C - (алкильные анионы, R = алкил или H), уходят с парой электронов из-за нестабильности этих оснований.
Контекстные различия в способностях выхода из группы [ править ]
Важно отметить, что приведенный выше список является качественным и описывает тенденции . Возможность группы уйти зависит от контекста. Например, в реакциях S N Ar скорость обычно увеличивается, когда уходящей группой является фторид по сравнению с другими галогенами. Этот эффект обусловлен тем фактом, что переходное состояние с наивысшей энергией для этого двухэтапного процесса присоединения-отщепления происходит на первом этапе, где большая способность фторида к отрыву электронов по сравнению с другими галогенидами стабилизирует развивающийся отрицательный заряд ароматического кольца. Уход уходящей группы происходит быстро из этого высокоэнергетического комплекса Мейзенгеймера., и поскольку отход не участвует в стадии ограничения скорости, он не влияет на общую скорость реакции. Этот эффект является общим для сопряженных исключений оснований.
Даже когда уход уходящей группы связан с этапом реакции, ограничивающим скорость, все же могут существовать контекстные различия, которые могут изменить порядок выхода из группы способности. При алкилировании Фриделя-Крафтса нормальный порядок уходящей группы галогена меняется на противоположный, так что скорость реакции соответствует RF> RCl> RBr> RI. Этот эффект обусловлен их большей способностью образовывать комплекс с катализатором на основе кислоты Льюиса, и фактическая группа, которая уходит, представляет собой «съеденный» комплекс между кислотой Льюиса и уходящей уходящей группой. [4] Эта ситуация в широком смысле определяется как активация выхода из группы.
Все еще могут существовать контекстные различия в способности уходящей группы в чистом виде, то есть когда фактическая группа, которая уходит, не зависит от условий реакции (протонированием или комплексообразованием с кислотой Льюиса), и уход уходящей группы происходит при определении скорости шаг. В ситуации, когда другие переменные остаются постоянными (природа алкилэлектрофила, растворитель и т. Д.), Изменение нуклеофила может привести к изменению порядка реакционной способности уходящих групп. В приведенном ниже случае тозилат является лучшей уходящей группой, когда этоксид является нуклеофилом, но йодид и даже бромид становятся лучшими уходящими группами в случае тиолатного нуклеофила. [5]
| Выход из группы (X) | ||
|---|---|---|
| Cl | 0,0074 | 0,0024 (при 40 ° С) |
| Br | 1 | 1 |
| я | 3.5 | 1.9 |
| ОТ | 0,44 | 3,6 |
Активация [ править ]
Обычно в реакциях E1 и S N 1 плохая уходящая группа превращается в хорошую в результате протонирования или комплексообразования с кислотой Льюиса . Таким образом, именно за счет протонирования перед отлетом молекула может формально потерять такие плохо уходящие группы, как гидроксид.
Тот же принцип работает в реакции Фриделя-Крафтса . Здесь сильная кислота Льюиса необходима для образования либо карбокатиона из алкилгалогенида в реакции алкилирования Фриделя-Крафтса, либо иона ацилия из ацилгалогенида.
В подавляющем большинстве случаев реакции, которые включают активацию уходящей группы, генерируют катион на отдельной стадии перед нуклеофильной атакой или отщеплением. Например, реакции S N 1 и E1 могут включать стадию активации, тогда как реакции S N 2 и E2 обычно не включают .
В сопряженных основаниях исключения [ править ]
Требование хорошей уходящей группы ослабляется в реакциях отщепления конъюгированных оснований. Эти реакции включают потерю уходящей группы в β-положении енолята, а также регенерацию карбонильной группы из тетраэдрического промежуточного соединения при нуклеофильном ацильном замещении. В условиях принудительного воздействия даже амиды могут подвергаться основному гидролизу, процессу, который включает в себя удаление крайне слабой уходящей группы R 2 N - . Еще более резкое декарбоксилирование бензоат-анионов может происходить при нагревании с медью или Cu 2.O, включая потерю ариланиона. Этой реакции способствует тот факт, что уходящая группа, скорее всего, представляет собой соединение арилмеди, а не гораздо более основную соль щелочного металла.
Это резкое отклонение от нормальных требований уходящей группы происходит в основном в области образования двойной связи C = O, где образование очень прочной двойной связи C = O может привести к развитию неблагоприятных в противном случае реакций. Требование хорошей уходящей группы все еще ослабляется в случае образования связи C = C посредством механизмов E1cB, но из-за относительной слабости двойной связи C = C реакция все еще проявляет некоторую чувствительность к уходящей группе. Примечательно, что изменение идентичности уходящей группы (и готовность уйти) может изменить природу механизма в реакциях элиминации. При плохих уходящих группах механизм E1cB является более предпочтительным, но по мере изменения способности уходящей группы реакция смещается от скорости, определяющей потерю уходящей группы из карбанионного промежуточного соединения B. через TS BC ‡ через этап депротонирования, определяющий скорость, через TS AB ‡ (не показан) до согласованного удаления E2. В последней ситуации уходящая группа X стала достаточно хорошей, чтобы первое переходное состояние, соединяющее промежуточные соединения B и C , стало ниже по энергии, чем B , которая больше не является стационарной точкой на поверхности потенциальной энергии для реакции. Поскольку только одно переходное состояние связывает исходный материал A и продукт C , реакция теперь согласованная (хотя и очень асинхронная в изображенном случае) из-за увеличения способности X покидать группу.
"Супер" и "гипер" уходящие группы [ править ]
Типичная уходящая супер группа является трифлатной , и этот термин стал обозначать любую уходящую группу с сопоставимыми способностями. Соединения, в которых потеря супер уходящей группы может привести к образованию стабильного карбокатиона, обычно очень реакционноспособны и нестабильны. Таким образом, наиболее часто встречающимися органическими трифлатами являются метилтрифлат и алкенил- или арилтрифлаты, все из которых не могут образовывать стабильные карбокатионы при ионизации, что делает их относительно стабильными. Было отмечено, что стероидные алкилнонафлаты (еще одна супер уходящая группа), полученные из спиртов и перфторбутансульфонилфторида, не выделяются как таковые, а сразу образуют продукты либо элиминирования, либо замещения посредствомфторид, выделяемый реагентом. Смешанные ацил-трифторметансульфонилангидриды плавно подвергаются ацилированию по Фриделю-Крафтсу без катализатора [6], в отличие от соответствующих ацилгалогенидов, для которых требуется сильная кислота Льюиса. Однако метилтрифлат не участвует в реакциях алкилирования Фриделя-Крафтса электронно-нейтральными ароматическими кольцами.
Помимо супер уходящих групп в реактивности находятся «гипер» уходящие группы. Важное место среди них Л 3 -iodanes , которые включают в себя диарилйодония соли и другие ионы галониевых . В одном исследовании было проведено количественное сравнение этих и других уходящих групп. По отношению к хлориду (k отн = 1) реакционная способность увеличивалась в следующем порядке: бромид (k отн = 14), йодид (k отн = 91), тозилат (k отн = 3,7 x 10 4 ), трифлат (k отн = 1,4 x 10 8 ), тетрафторборат фенилиодония (PhI + BF 4 - , k отн. = 1,2 x 10 14). Наряду с критерием того, что гипер уходящая группа является более сильной уходящей группой, чем трифлат, является необходимость того, чтобы уходящая группа подвергалась восстановительному удалению. В случае ионов галония это включает восстановление от трехвалентного галония до одновалентного галогенида в сочетании с высвобождением анионного фрагмента. Отчасти исключительная реакционная способность соединений с гипер уходящими группами приписывается энтропийной благоприятности расщепления одной молекулы на три.
Ионы диалкилгалогения также были выделены и охарактеризованы для простых алкильных групп. Эти соединения, несмотря на их крайнюю реакционную способность по отношению к нуклеофилам, могут быть получены в чистом виде в твердом состоянии с очень слабонуклеофильными противоионами, такими как SbF.-
6[7] [8] и CHB 11 Cl 11 - . [9] Сильно электрофильная природа этих соединений, обусловленная их присоединением к чрезвычайно лабильным уходящим группам RX (R = алкил, X = Cl, Br, I), иллюстрируется их склонностью к алкилированию очень слабых нуклеофилов. Нагревание чистых образцов (CH 3 ) 2 Cl + [CHB 11 Cl 11 ] - при пониженном давлении привело к метилированию очень слабонуклеофильного карборан-аниона с сопутствующим изгнанием CH 3Cl уходящая группа. Соли гексафторантимоната диалкилгалогения алкилируют избыток алкилгалогенидов с образованием продуктов обмена. Их сильно электрофильная природа, наряду с нестабильностью первичных карбокатионов, образующихся в результате ионизации их алкильных групп, указывает на их возможное участие в химии алкилирования Фриделя-Крафтса. [7] Порядок увеличения лабильности этих уходящих групп равен RI <R-Br <R-Cl.
См. Также [ править ]
- Электрофуга
- Электрофил
- Реакция элиминации
- Нуклеофуги
- Нуклеофил
- Реакция замещения
Ссылки [ править ]
- ^ «Выход из группы» (PDF) . Золотая книга: выход из группы . ИЮПАК. 2009. DOI : 10,1351 / goldbook.L03493 . ISBN 978-0-9678550-9-7.
- ^ "Золотая книга: электрофуга" (PDF) . ИЮПАК. Архивировано из оригинального (PDF) 07.11.2017 . Проверено 10 июня 2017 .
- ^ Смит, март. Высшая органическая химия 6-е изд. (501-502)
- ^ Браун, Герберт C .; Ханс Юнгк (1955). «Реакция бензола и толуола с метилбромидом и йодидом в присутствии бромида алюминия; доказательства механизма замещения при метилировании ароматических соединений1,2». Журнал Американского химического общества . 1955, 77 (21): 5584–5589. DOI : 10.1021 / ja01626a039 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Hoffmann, ГМР (1965). «1252. Скорость вытеснения толуол-пара-сульфоната относительно бромид-иона. Новый механистический критерий». Журнал химического общества (возобновлено) . 1965 : 6753–6761. DOI : 10.1039 / JR9650006753 . ISSN 0368-1769 .
- ^ Мартинес, А. Гарсия; А. Эррера Фернандес; Д. Молеро Вильчес; М.Л. Лаорден Гутьеррес; Л. Р. Субраманиан (1993). «Новый простой одностадийный синтез производных изохинолина из замещенных фенилуксусных эфиров». Synlett . 1993 (3): 229–230. DOI : 10,1055 / с-1993-22413 . ISSN 0936-5214 .
- ^ а б Джордж А. Олах ; Джон Р. ДеМембер (1969). «Химия Фриделя-Крафтса. IV. Ионы диалкилхалония и их возможная роль в реакциях Фриделя-Крафтса». Журнал Американского химического общества . 1969, 91 (8): 2113–2115. DOI : 10.1021 / ja01036a044 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Olah, Джордж A .; Джон Р. ДеМембер (1970). «Химия Фриделя-Крафтса. V. Изоляция, ядерный магнитный резонанс углерода-13 и лазерное рамановское исследование фторантимонатов диметилгалония». Журнал Американского химического общества . 1970, 92 (3): 718–720. DOI : 10.1021 / ja00706a058 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Стоянов, Евгений С .; Ирина В. Стоянова; Фук С. Там; Кристофер А. Рид (2010). «Ионы диалкилхлорония». Журнал Американского химического общества . 132 (12): 4062–4063. DOI : 10.1021 / ja100297b . ISSN 0002-7863 . PMID 20218556 .
