تفاعل الإزالة E1cB

تفاعل الحذف E1cB هو نوع من تفاعلات الحذف التي تحدث في وسط قاعدي، حيث يكون الهيدروجين المراد إزالته حمضيًا نسبيًا، بينما تكون المجموعة المغادرة (مثل -OH أو -OR) ضعيفة نسبيًا. عادةً ما توجد قاعدة متوسطة إلى قوية. E1cB عملية من خطوتين، قد تكون الخطوة الأولى منها قابلة للانعكاس أو غير قابلة للانعكاس. أولًا، تنتزع القاعدة البروتون الحمضي نسبيًا لتكوين أنيون مستقر . ثم ينتقل زوج الإلكترونات الحر على الأنيون إلى الذرة المجاورة، مما يؤدي إلى طرد المجموعة المغادرة وتكوين رابطة ثنائية أو ثلاثية . ^{[ 1 ]} اسم الآلية - E1cB - اختصار لـ " حذف قاعدة مترافقة أحادية الجزيء " . يشير مصطلح "الحذف" إلى أن الآلية هي تفاعل حذف ، وبالتالي ستفقد مجموعتين بديلتين. أما مصطلح "أحادي الجزيء" فيشير إلى أن الخطوة المحددة لمعدل هذا التفاعل لا تتضمن سوى جزيء واحد . وأخيرًا، تشير القاعدة المرافقة إلى تكوين وسيط الكربانيون ، وهو القاعدة المرافقة للمادة الأولية.

ينبغي النظر إلى تفاعل E1cB على أنه يقع على أحد طرفي طيف متصل، يشمل آلية E1 في الطرف المقابل وآلية E2 في المنتصف. تتميز آلية E1 عادةً بخصائص معاكسة: فالمجموعة المغادرة جيدة (مثل -OTs أو -Br)، بينما الهيدروجين ليس حمضيًا بشكل خاص، ولا توجد قاعدة قوية. وبالتالي، في آلية E1، تغادر المجموعة المغادرة أولًا لتكوين كاتيون كربوني. وبسبب وجود مدار p فارغ بعد مغادرة المجموعة المغادرة، يصبح الهيدروجين على ذرة الكربون المجاورة أكثر حمضية، مما يسمح بإزالته بواسطة القاعدة الضعيفة في الخطوة الثانية. أما في تفاعل E2، فإن وجود قاعدة قوية ومجموعة مغادرة جيدة يسمح بانتزاع البروتون بواسطة القاعدة ومغادرة المجموعة المغادرة في آنٍ واحد، مما يؤدي إلى حالة انتقالية متناسقة في عملية من خطوة واحدة.

هناك شرطان أساسيان لكي يسير التفاعل وفق آلية E1cB. يجب أن يحتوي المركب على هيدروجين حمضي على ذرة الكربون بيتا ، ومجموعة مغادرة ضعيفة نسبيًا على ذرة الكربون ألفا . الخطوة الأولى في آلية E1cB هي نزع بروتون من ذرة الكربون بيتا، مما يؤدي إلى تكوين وسيط أنيوني ، مثل الكربانيون. كلما زادت استقرارية هذا الوسيط، زادت احتمالية أن تسلك الآلية مسار E1cB. يمكن تثبيت هذا الوسيط من خلال الحث أو عدم تمركز الزوج الإلكتروني الحر عبر الرنين . بشكل عام، يمكن القول إن وجود مجموعة ساحبة للإلكترونات على الركيزة، وقاعدة قوية، ومجموعة مغادرة ضعيفة، ومذيب قطبي، يحفز آلية E1cB. مثال على آلية E1cB ذات وسيط مستقر هو تحلل الإيثيوفينكارب ، وهو مبيد حشري من الكربامات ذو عمر نصف قصير نسبيًا في الغلاف الجوي للأرض. عند نزع بروتون الأمين ، يكون الأميد الناتج مستقرًا نسبيًا لارتباطه بمجموعة الكربونيل المجاورة . إضافةً إلى احتواء ذرة هيدروجين حمضية على ذرة الكربون بيتا، يلزم أيضًا وجود مجموعة مغادرة ضعيفة نسبيًا. فالمجموعة المغادرة الضعيفة ضرورية لأن المجموعة المغادرة الجيدة ستغادر قبل تأين الجزيء. ونتيجةً لذلك، من المرجح أن يسلك المركب مسار E2 . من أمثلة المركبات التي تحتوي على مجموعات مغادرة ضعيفة ويمكن أن تخضع لآلية E1cB الكحولات والفلوروألكانات . وقد أشير أيضًا إلى أن آلية E1cB أكثر شيوعًا بين الألكينات التي تتحول إلى ألكاينات مقارنةً بتحولها من ألكان إلى ألكين. ^{[ 2 ]} أحد التفسيرات المحتملة لذلك هو أن التهجين sp2 يُنتج بروتونات أكثر حمضية قليلًا. مع ذلك ^، لا تقتصر هذه الآلية على عمليات الحذف القائمة على الكربون ، فقد لوحظت مع ذرات غير متجانسة أخرى ، مثل النيتروجين في حذف مشتق فينول من إيثيوفينكارب . ^{[ 3 ]}

تتضمن جميع تفاعلات الحذف إزالة مجموعتين بديلتين من زوج من الذرات في المركب. وينتج عن ذلك تكوين الألكينات، أو الألكاينات، أو مركبات مشابهة تحتوي على ذرات غير متجانسة (مثل الكربونيل والسيانو ) . آلية E1cB هي واحدة من ثلاثة أنواع من تفاعلات الحذف، والنوعان الآخران هما E1 وE2. على الرغم من تشابه الآليات، إلا أنها تختلف في توقيت نزع البروتون من ذرة الكربون ألفا وفقدان المجموعة المغادرة. يرمز E1 إلى الحذف أحادي الجزيء، بينما يرمز E2 إلى الحذف ثنائي الجزيء. في آلية E1، يحتوي الجزيء على مجموعة مغادرة جيدة تغادر قبل نزع البروتون من ذرة الكربون ألفا، مما يؤدي إلى تكوين كاتيون كربوني وسيط. ثم يُنزع البروتون من هذا الكاتيون الكربوني، مما ينتج عنه تكوين رابطة باي جديدة. يجب أن يحتوي الجزيء المعني أيضًا على مجموعة مغادرة جيدة جدًا مثل البروم أو الكلور، وأن تكون ذرة الكربون ألفا فيه أقل حمضية نسبيًا.

في تفاعل الحذف E2، يحدث كل من نزع البروتون من ذرة الكربون بيتا وفقدان المجموعة المغادرة في خطوة واحدة متناسقة . تتميز الجزيئات التي تخضع لآليات الحذف E2 بذرات كربون بيتا أكثر حمضية من تلك التي تخضع لآليات E1، ولكن ذرات الكربون بيتا فيها ليست حمضية كذرات الكربون بيتا في الجزيئات التي تخضع لآليات E1cB. يكمن الاختلاف الرئيسي بين مساري E2 وE1cB في وجود وسيط كاربانيون مميز بدلاً من آلية متناسقة واحدة. وقد أظهرت الدراسات أن المسارات تختلف باستخدام مجموعات هالوجينية مغادرة مختلفة . على سبيل المثال، يُستخدم الكلور كهالوجين أكثر استقرارًا للأنيون من الفلور، [ 4 ] مما يجعل الفلور هو ^{المجموعة المغادرة على} الرغم من أن الكلور مجموعة مغادرة أفضل بكثير. ^{[ 5 ]} وهذا يُقدم دليلًا على أن الكاربانيون يتكون لأن النواتج لا يمكن الحصول عليها من خلال آلية E2 المتناسقة الأكثر استقرارًا . يلخص الجدول التالي الاختلافات الرئيسية بين تفاعلات الحذف الثلاثة. ومع ذلك، فإن أفضل طريقة لتحديد الآلية التي تلعب دورًا رئيسيًا في تفاعل معين تتضمن تطبيق الحركية الكيميائية .

عند محاولة تحديد ما إذا كان التفاعل يتبع آلية E1cB أم لا، تُعدّ الحركية الكيميائية أساسية. وأفضل طريقة لتحديد آلية E1cB هي استخدام قوانين السرعة وتأثير النظائر الحركية . كما تُساعد هذه التقنيات في التمييز بين تفاعلات الحذف E1cB وE1 وE2.

قانون الأسعار

عند محاولة تحديد ما إذا كان التفاعل يتبع آلية E1cB تجريبياً، تُعدّ الحركية الكيميائية أساسية. وتتضمن أفضل الطرق لتحديد آلية E1cB استخدام قوانين السرعة وتأثير النظائر الحركية.

يُعدّ تحديد قانون معدل التفاعل الذي يحكم آليات E1cB بسيطًا نسبيًا. انظر إلى مخطط التفاعل التالي.

بافتراض وجود تركيز ثابت للكاربانيون في الآلية، فإن قانون المعدل لآلية E1cB.

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\ce {d[P]}}{{\ce {d}}t}}&={\frac {k_{1}k_{2}{\ce {[substrate][base]}}}{k_{-1}[{\ce {conjugate\ acid}}]+k_{2}}}\\{\ce {rate}}&=k_{\ce {obs}}{\ce {[substrate][base]}}\end{aligned}}}$

يتضح من هذه المعادلة أن حركية التفاعل من الرتبة الثانية ستُطبق. ^{[ 6 ]} قد تختلف حركية آلية E1cB اختلافًا طفيفًا بناءً على معدل كل خطوة. ونتيجة لذلك، يمكن تقسيم آلية E1cB إلى ثلاث فئات: ^{[ 7 ]}

1. _{يحدث أنيون} E1cB عندما يكون الكربانيون مستقرًا و/أو يتم استخدام قاعدة قوية بكمية زائدة عن الركيزة، مما يجعل إزالة البروتون غير قابلة للعكس، متبوعًا بفقدان المجموعة المغادرة المحدد للمعدل (k ₁ [القاعدة] ≫ k ₂ ).
2. E1cB _rev هو عندما تكون الخطوة الأولى قابلة للعكس ولكن تكوين المنتج أبطأ من إعادة تشكيل المادة الأولية، وهذا ينتج مرة أخرى عن خطوة ثانية بطيئة (k ₋₁ [الحمض المرافق] ≫ k ₂ ).
3. _{يحدث تفاعل} E1cB غير العكوس عندما تكون الخطوة الأولى بطيئة، ولكن بمجرد تكوّن الأنيون، يتبعه الناتج بسرعة (k ₂ ≫ k ₋₁ [الحمض المرافق]). يؤدي هذا إلى خطوة أولى غير عكوسة، ولكن على عكس _أنيون E1cB ، فإن نزع البروتون هو الخطوة المحددة لمعدل التفاعل.

يُعد تفاعل تكثيف الألدول في الوسط القاعدي أشهر تفاعلات حذف E1cB . يتضمن هذا التفاعل نزع بروتون من مركب يحتوي على مجموعة كربونيل ، مما ينتج عنه تكوين إينولات . الإينولات هي القاعدة المرافقة شديدة الاستقرار للمادة المتفاعلة، وهي إحدى المركبات الوسيطة في التفاعل. تعمل هذه الإينولات بعد ذلك ككاشف نيوكليوفيلي، ويمكنها مهاجمة الألدهيد المحب للإلكترونات. ثم يُنزع بروتون من ناتج الألدول لتكوين إينولات أخرى، يليه حذف الماء في تفاعل نزع الماء E1cB . تُعد تفاعلات الألدول تفاعلاً أساسياً في الكيمياء العضوية، لأنها توفر وسيلة لتكوين روابط كربون-كربون، مما يسمح بتخليق جزيئات أكثر تعقيداً. ^{[ 9 ]}

أبلغ لوكمان وآخرون ^{[ 10 ]} عن نسخة ضوئية كيميائية من إنزيم E1cB. في هذا التقرير، يُولّد تفاعل إزالة الكربوكسيل المُحفّز ضوئيًا وسيطًا من الكربانيون، والذي بدوره يُزيل المجموعة المغادرة. يتميز هذا التفاعل عن الأشكال الأخرى لإنزيم E1cB بأنه لا يتطلب قاعدة لتكوين الكربانيون. تُعدّ خطوة تكوين الكربانيون غير قابلة للانعكاس، ولذا يُصنّف هذا التفاعل ضمن _فئة E1cB غير القابلة للانعكاس .

يُعد تفاعل الإزالة E1cB تفاعلاً هاماً في علم الأحياء. فعلى سبيل المثال، تتضمن الخطوة قبل الأخيرة من عملية تحلل الجلوكوز آلية E1cB. وتشمل هذه الخطوة تحويل 2-فوسفوجليسيرات إلى فوسفينول بيروفات ، وذلك بمساعدة إنزيم الإينولاز .

• تفاعل الإزالة
• آلية التفاعل
• كاربوكاتيون
• كاربانيون