💥 תגובות אלימינציה

מושגי יסוד

תגובת אלימינציה (Elimination) היא תגובה שבה אלקיל הליד (או תת-מצע דומה עם קבוצה פורשת) מאבד את הקבוצה הפורשת (LG) יחד עם מימן מפחמן שכן, ונוצר קשר פי חדש - כלומר אלקן. מכיוון שהמימן המוסר נמצא על הפחמן הסמוך לפחמן הנושא את ה-LG (הפחמן ה'בטא', β), התגובה נקראת גם 1,2-אלימינציה או β-אלימינציה.

כל תת-מצע שיכול לעבור סובסטיטוציה נוקלאופילית (SN1/SN2) יכול, באותם תנאים בערך, לעבור גם אלימינציה (E1/E2) - שתי המשפחות מתחרות זו בזו על אותו תת-מצע, ולעיתים קרובות מתקבלת תערובת של תוצרי סובסטיטוציה ואלימינציה גם יחד.

בדיוק כמו ב-SN1/SN2, גם כאן קיימים שני מנגנונים קיצוניים: E2 (חד-שלבי, concerted, בדומה ל-SN2) ו-E1 (דו-שלבי דרך תווך ביניים קרבוקטיוני, בדומה ל-SN1).

• פחמן α (אלפא) - הפחמן הנושא את הקבוצה הפורשת. פחמן β (בטא) - הפחמן השכן, שממנו מוסר המימן.
• ככל שהבסיס המצומד של הקבוצה הפורשת חלש (ויציב) יותר - כך היא קבוצה פורשת טובה יותר (בדיוק כמו בסובסטיטוציה): > > > כקבוצה פורשת.
• תוצר האלימינציה הוא תמיד אלקן (קשר C=C חדש) - לכן צריך תמיד β-מימן זמין; תת-מצע ללא מימן על פחמן β (למשל עם LG על אחד הפחמנים המרכזיים) לא יכול לעבור אלימינציה כלל.
• אלקנים הם עצמם נוקלאופילים/אלקטרון-עשירים (עקב חפיפת מסלולי π), ולכן הם התוצר ה'יציב' שאליו שואפת המערכת להגיע דרך שני המנגנונים.

מנגנון E2 - Elimination Bimolecular

E2 הוא מנגנון חד-שלבי (concerted): בסיס מסלק את המימן מהפחמן β בו-זמנית עם עזיבת הקבוצה הפורשת מהפחמן α ויצירת קשר π חדש ביניהם - הכל קורה במצב מעבר יחיד, ללא תווך ביניים.

הדרישה הגיאומטרית קפדנית: יש צורך בסידור אנטי-פריפלנרי (anti-periplanar) - בהיטל ניומן (Newman projection) לאורך הקשר Cα-Cβ, ה-H המוסר וה-LG העוזבת חייבים להיות בזווית דיהדרלית של 180° זה מול זה. סידור זה מאפשר חפיפה מיטבית בין מסלול ה-C-H (שהופך למסלול π) לבין מסלול ה-C-LG (שמתרוקן), דרך מצב מעבר יציב אנטי (ולא סינ-פריפלנרי, הכרוך במאמץ סטרי גבוה יותר).

כתוצאה מהדרישה לאנטי-פריפלנריות, E2 הוא סטראוספציפי (stereospecific): תצורה (קונפורמציה/קונפיגורציה) מסוימת של החומר המתחיל נותנת תוצר סטראוכימי מוגדר וצפוי (למשל דיאסטראומר E או Z ספציפי מתת-מצע ציקלי או כירלי).

• קצב תגובה מסדר שני: Rate = k[substrate][Base] - תלוי גם בריכוז תת-המצע וגם בריכוז הבסיס.
• E2 מועדף עם בסיס חזק - ככל שהבסיס חזק וריכוזו גבוה יותר, כך E2 מהיר יותר (ממש כמו שנוקלאופיל חזק מאיץ SN2).
• בסיסים מסועפים (bulky), כמו tert-בוטוקסיד (), הם בסיסים חזקים אך נוקלאופילים גרועים סטרית - לכן הם מעדיפים לתקוף מימן (קטן, נגיש) על פני פחמן (עמוס, חסום), מה שדוחף את התגובה לכיוון E2 גם בתת-מצעים ראשוניים.
• תת-מצעים שלישוניים (3°) עוברים E2 בקלות רבה (חסומים סטרית מפני SN2), ותת-מצעים ראשוניים (1°) עם בסיס מסועף גם הם יכולים לעבור E2 ביעילות למרות שלא יכולים לעבור E1/SN1.

מנגנון E1 - Elimination Unimolecular

E1 הוא מנגנון דו-שלבי, זהה לחלוטין בשלב הראשון שלו למנגנון SN1: בשלב הראשון (האיטי, קובע-הקצב) הקבוצה הפורשת עוזבת באופן עצמאי ויוצרת קרבוקטיון. בשלב השני (המהיר) בסיס חלש (לעיתים קרובות מולקולת הממס עצמה) מסיר מימן β מהקרבוקטיון, זוג האלקטרונים של קשר C-H הופך לקשר π, ונוצר האלקן.

מכיוון שהשלב הקובע-קצב זהה ל-SN1 (יצירת קרבוקטיון), E1 ו-SN1 כמעט תמיד מתרחשים יחד, מאותו תת-מצע ובאותם תנאים בדיוק (בסיס/נוקלאופיל חלש, ממס פרוטי פולארי) - מתקבלת בפועל תערובת של תוצרי סובסטיטוציה (SN1) ואלימינציה (E1).

מכיוון שנוצר קרבוקטיון אמיתי כתווך ביניים, הוא עלול לעבור שיחלוף (rearrangement) - הסטת הידריד (hydride shift) או הסטת מתיל (methyl shift) - כדי ליצור קרבוקטיון יציב יותר, ממש כמו ב-SN1. יש לבדוק תמיד אפשרות זו!

• קצב תגובה מסדר ראשון: Rate = k[substrate] - תלוי רק בריכוז תת-המצע, לא בריכוז הבסיס/נוקלאופיל (כי הוא לא משתתף בשלב הקובע-קצב).
• יציבות הקרבוקטיון קובעת את הקצב (עקרון האמונד): 3° > 2° > 1° > מתיל. תת-מצעים ראשוניים כמעט ולא עוברים E1 (וגם לא SN1) כי קרבוקטיון ראשוני לא יציב.
• E1 אינו סטראוספציפי במידה מלאה - הקרבוקטיון השטוח (sp2) יכול לסובב סביב קשר Cα-Cβ לפני שהמימן מוסר, כך שניתן לקבל תערובת של דיאסטראומרים/תוצרים, בניגוד לדרישה הקפדנית של E2.
• E1 מועדף בממס פרוטי פולארי (מייצב קרבוקטיון ו-LG⁻ טעונים) עם בסיס/נוקלאופיל חלש - בדיוק תנאי SN1.

כיווניות: כלל זייצב מול כלל הופמן

כאשר קיים יותר מפחמן β אחד עם מימן זמין, האלימינציה יכולה לתת יותר מאלקן אחד (איזומרים מבניים) - זוהי שאלה של רגיוסלקטיביות (regioselectivity).

כלל זייצב (Zaitsev's rule): התוצר העיקרי הוא בדרך כלל האלקן היציב ביותר - בדרך כלל זה האלקן המסועף/המוחלף ביותר (יותר קבוצות אלקיל על הפחמנים ה-sp2, מייצבות את הקשר הכפול בהיפרקוניוגציה). זהו התוצר הצפוי הן ב-E2 עם בסיס קטן/לא מסועף והן ב-E1.

כלל הופמן (Hofmann's rule): כאשר הבסיס גדול ומסועף סטרית (bulky), כמו tert-בוטוקסיד או LDA, הוא לא יכול לגשת בקלות למימן הפנימי (הצפוף יותר סטרית) ולכן 'בוחר' להסיר מימן מהפחמן הפחות מסועף והכי נגיש - כך מתקבל האלקן הפחות מסועף (טרמינלי/פחות מוחלף) כתוצר העיקרי.

חריג חשוב לזייצב: כאשר תת-המצע כבר מכיל קשר כפול (או טבעת ארומטית) הסמוך למקום התגובה, ונוצרת אפשרות ליצירת דיאן מצומד (conjugated diene) - התוצר המצומד יהיה העיקרי גם אם הוא פחות מסועף, כי צימוד (קוניוגציה) תורם ליציבות יותר משמעותית מאשר מספר קבוצות האלקיל בלבד.

• כלל אצבע: 'בסיס קטן → זייצב (התוצר המסועף), בסיס גדול/מסועף → הופמן (התוצר הפחות מסועף)'.
• דוגמה קלאסית: 2-ברומובוטן עם אתוקסיד (בסיס קטן, ) נותן בעיקר 2-בוטן (זייצב, מסועף יותר); עם tert-בוטוקסיד (בסיס מסועף) נותן בעיקר 1-בוטן (הופמן, פחות מסועף).
• גם כשמתקבל זייצב, לעיתים מתקבלת תערובת של דיאסטראומרים E/Z (למשל cis-2-בוטן ו-trans-2-בוטן) - trans (E) בדרך כלל יציב ונפוץ יותר בשל פחות מאמץ סטרי בין הקבוצות.
• הליד פלואוריד () הוא חריג מעניין: בשל הקשר C-F החזק מאוד, מצב המעבר של E2 הופך 'דמוי E1cb' (מוסר המימן קודם, ה-F עוזב מאוחר יותר) - מה שלעיתים מוביל לרגיוכימיה שונה מהצפוי לפי זייצב הרגיל.