La reacción de eliminación E1cB es un tipo de reacción de eliminación que ocurre en condiciones básicas, donde el hidrógeno a eliminar es relativamente ácido, mientras que el grupo saliente (como -OH o -OR) es relativamente pobre. Por lo general, está presente una base moderada a fuerte. E1cB es un proceso de dos pasos, el primer paso del cual puede ser reversible o no. Primero, una base abstrae el protón relativamente ácido para generar un anión estabilizado. El par solitario de electrones en el anión luego se mueve al átomo vecino, expulsando así el grupo saliente y formando un enlace doble o triple . [1] El nombre del mecanismo - E1cB - significa Eliminación Unimolecular Base conjugada . Eliminación se refiere al hecho de que el mecanismo es una reacción de eliminación y perderá dos sustituyentes. Unimolecular se refiere al hecho de que el paso determinante de la velocidad de esta reacción solo involucra una entidad molecular . Finalmente, la base conjugada se refiere a la formación del intermedio carbanión , que es la base conjugada del material de partida.
Se debe pensar que el E1cB está en un extremo de un espectro continuo, que incluye el mecanismo E1 en el extremo opuesto y el mecanismo E2 en el medio. El mecanismo E1 generalmente tiene las características opuestas: el grupo saliente es bueno (como -OTs o -Br), mientras que el hidrógeno no es particularmente ácido y no hay una base fuerte. Por lo tanto, en el mecanismo E1, el grupo saliente se va primero para generar un carbocatión. Debido a la presencia de un orbital p vacío después de la salida del grupo saliente, el hidrógeno en el carbono vecino se vuelve mucho más ácido, lo que permite que luego sea eliminado por la base débil en el segundo paso. En una reacción E2, la presencia de una base fuerte y un buen grupo saliente permite que la abstracción de protones por parte de la base y la salida del grupo saliente ocurran simultáneamente, lo que conduce a un estado de transición concertado en un proceso de un solo paso.
Hay dos requisitos principales para que una reacción proceda por una vía mecanística E1cB. El compuesto debe tener un hidrógeno ácido en su carbono β y un grupo saliente relativamente pobre en el carbono α . El primer paso de un mecanismo E1cB es la desprotonación del carbono β, lo que resulta en la formación de un estado de transición aniónico , como un carbanión. Cuanto mayor sea la estabilidad de este estado de transición, más favorecerá el mecanismo un mecanismo E1cB. Este estado de transición se puede estabilizar mediante la inducción o la deslocalización del par solitario de electrones mediante resonancia . En general, se puede afirmar que un grupo atractor de electrones en el sustrato, una base fuerte, un grupo saliente pobre y un disolvente polar desencadenan el mecanismo E1cB. Un ejemplo de un mecanismo E1cB que tiene un estado de transición estable se puede ver en la degradación de etiofencarb , un insecticida carbamato que tiene una vida media relativamente corta en la atmósfera de la Tierra. Tras la desprotonación de la amina , la amida resultante es relativamente estable porque está conjugada con el carbonilo vecino . Además de contener un hidrógeno ácido en el carbono β, también es necesario un grupo saliente relativamente pobre. Un grupo saliente malo es necesario porque un grupo saliente bueno saldrá antes de la ionización de la molécula. Como resultado, el compuesto probablemente procederá a través de una vía E2 . Algunos ejemplos de compuestos que contienen grupos salientes pobres y pueden experimentar el mecanismo E1cB son los alcoholes y los fluoroalcanos . También se ha sugerido que el mecanismo E1cB es más común entre los alquenos que se eliminan a alquinos que de un alcano a alqueno. [2] Una posible explicación para esto es que la hibridación sp 2 crea protones ligeramente más ácidos. Aunque este mecanismo no se limita a las eliminaciones basadas en carbono . Se ha observado con otros heteroátomos , como el nitrógeno en la eliminación de un derivado fenólico de etiofencarb . [3]
Todas las reacciones de eliminación implican la eliminación de dos sustituyentes de un par de átomos en un compuesto. Se formarán alquenos, alquinos o variaciones de heteroátomos similares (como carbonilo y ciano ). El mecanismo E1cB es solo uno de los tres tipos de reacción de eliminación. Las otras dos reacciones de eliminación son las reacciones E1 y E2. Aunque los mecanismos son similares, varían en el momento de la desprotonación del carbono α y la pérdida del grupo saliente. E1 significa eliminación unimolecular y E2 significa eliminación bimolecular. En un mecanismo E1, la molécula contiene un buen grupo saliente que se va antes de la desprotonación del carbono α. Esto da como resultado la formación de un carbocatión intermedio. Luego, el carbocatión se desprotona, lo que da como resultado la formación de un nuevo enlace pi. La molécula involucrada también debe tener un muy buen grupo saliente, como bromo o cloro, y debe tener un carbono α relativamente menos ácido.
En una reacción de eliminación de E2, tanto la desprotonación del carbono α como la pérdida del grupo saliente ocurren simultáneamente en un paso concertado . Las moléculas que experimentan mecanismos de eliminación de E2 tienen carbonos α más ácidos que las que experimentan mecanismos E1, pero sus carbonos α no son tan ácidos como los de las moléculas que experimentan mecanismos E1cB. La diferencia clave entre las vías E2 y E1cb es un intermedio carbanión distinto en oposición a un mecanismo concertado. Se ha demostrado en estudios que las vías difieren al utilizar diferentes grupos salientes de halógeno . Un ejemplo utiliza cloro como un halógeno mejor estabilizador para el anión que el flúor , [4] lo que hace que el flúor sea el grupo saliente aunque el cloro es un grupo saliente mucho mejor. [5] Esto proporciona evidencia de que el carbanión se forma porque los productos no son posibles a través del mecanismo E2 concertado más estable . La siguiente tabla resume las diferencias clave entre las tres reacciones de eliminación; Sin embargo, la mejor manera de identificar qué mecanismo juega un papel clave en una reacción particular implica la aplicación de la cinética química .
Al intentar determinar si una reacción sigue o no el mecanismo E1cB, la cinética química es esencial. La mejor manera de identificar el mecanismo E1cB implica el uso de leyes de velocidad y el efecto isotópico cinético . Estas técnicas también pueden ayudar a diferenciar mejor entre reacciones de eliminación de E1cB, E1 y E2.
Al intentar determinar experimentalmente si una reacción sigue o no el mecanismo E1cB, la cinética química es esencial. Las mejores formas de identificar el mecanismo E1cB implican el uso de leyes de velocidad y el efecto isotópico cinético.
La ley de velocidad que rige los mecanismos de E1cB es relativamente sencilla de determinar. Consideremos el siguiente esquema de reacción.
Suponiendo que hay una concentración de carbaniones en estado estable en el mecanismo, la ley de velocidad para un mecanismo E1cB.
A partir de esta ecuación, queda claro que se exhibirá la cinética de segundo orden . [6] La cinética de los mecanismos E1cB puede variar ligeramente según la velocidad de cada paso. Como resultado, el mecanismo E1cB se puede dividir en tres categorías: [7]
El intercambio de deuterio y un efecto isotópico cinético de deuterio pueden ayudar a distinguir entre E1cB rev , E1cB anión y E1cB irr . Si el disolvente es prótico y contiene deuterio en lugar de hidrógeno (por ejemplo, CH 3 OD), entonces se puede monitorear el intercambio de protones en el material de partida. Si el material de partida recuperado contiene deuterio, entonces la reacción probablemente esté experimentando un mecanismo de tipo E1cB rev . Recordemos que, en este mecanismo, la protonación del carbanión (ya sea por el ácido conjugado o por el disolvente) es más rápida que la pérdida del grupo saliente. Esto significa que después de que se forma el carbanión, eliminará rápidamente un protón del disolvente para formar el material de partida.
Si el reactivo contiene deuterio en la posición β, un efecto isotópico cinético primario indica que la desprotonación es determinante de la velocidad. De los tres mecanismos E1cB, este resultado solo es consistente con el mecanismo E1cB irr , ya que el isótopo ya está eliminado en el anión E1cB y la salida del grupo saliente es determinante de la velocidad en E1cB rev .
Otra forma en que el efecto isotópico cinético puede ayudar a distinguir los mecanismos E1cB implica el uso de 19 F. El flúor es un grupo saliente relativamente pobre, y a menudo se emplea en mecanismos E1cB. Los efectos isotópicos cinéticos del flúor también se aplican en el etiquetado de radiofármacos y otros compuestos en la investigación médica. Este experimento es muy útil para determinar si la pérdida del grupo saliente es o no el paso determinante de la velocidad en el mecanismo y puede ayudar a distinguir entre los mecanismos E1cB irr y E2. 11 C también se puede utilizar para investigar la naturaleza de la estructura del estado de transición. El uso de 11 C se puede utilizar para estudiar la formación del carbanión, así como para estudiar su vida útil, lo que no solo puede mostrar que la reacción es un mecanismo E1cB de dos pasos (a diferencia del mecanismo E2 concertado), sino que también puede abordar la vida útil y la estabilidad de la estructura del estado de transición, lo que puede distinguir aún más entre los tres tipos diferentes de mecanismos E1cB. [8]
La reacción más conocida que experimenta la eliminación de E1cB es la reacción de condensación aldólica en condiciones básicas. Esto implica la desprotonación de un compuesto que contiene un grupo carbonilo que da como resultado la formación de un enolato . El enolato es la base conjugada muy estable del material de partida y es uno de los intermediarios en la reacción. Este enolato actúa entonces como un nucleófilo y puede atacar a un aldehído electrofílico. El producto aldólico se desprotona formando otro enolato seguido de la eliminación de agua en una reacción de deshidratación de E1cB . Las reacciones aldólicas son una reacción clave en la química orgánica porque proporcionan un medio para formar enlaces carbono-carbono, lo que permite la síntesis de moléculas más complejas. [9]
Lukeman et al. [10] informaron sobre una versión fotoquímica de E1cB . En este informe, una reacción de descarboxilación inducida fotoquímicamente genera un intermedio de carbanión, que posteriormente elimina el grupo saliente. La reacción es única con respecto a otras formas de E1cB, ya que no requiere una base para generar el carbanión. El paso de formación del carbanión es irreversible y, por lo tanto, debe clasificarse como E1cB irr .
La reacción de eliminación de E1cB es una reacción importante en biología. Por ejemplo, el penúltimo paso de la glucólisis implica un mecanismo de E1cB. Este paso implica la conversión de 2-fosfoglicerato en fosfoenolpiruvato , facilitada por la enzima enolasa .
![{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\ce {d[P]}}{{\ce {d}}t}}&={\frac {k_{1}k_{2}{\ce {[sustrato][base]}}}{k_{-1}[{\ce {ácido\ conjugado}}]+k_{2}}}\\{\ce {tasa}}&=k_{\ce {obs}}{\ce {[sustrato][base]}}\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9fcaecea886d403f885d43b58cfb946af0778938 "La ley de velocidad y la velocidad observada para el mecanismo de eliminación de E1cB en el ejemplo anterior donde la base es etóxido.")