Кіріспе
Химияда, IUPAC бойынша, реакция немесе реакцияның элементар сатысы кезінде субстраттың негізгі немесе қалдық бөлігінен бөлінетін атом немесе атомдар тобы – шығу тобы деп анықталады. Бұл мағынада, шығу тобы – «ядролық топтау» терминінің көбірек қолданылатын, бірақ формалдылығы төмен синонимі. Осыған сәйкес, шығу топтары әдетте нейтралды немесе катиондық субстраттардан бөлінетін аниондар немесе бейтарап түрлер болып табылады, бірақ сирек жағдайларда дикатиондық субстраттан бөлінетін катиондар да кездеседі. Кез келген түрдің шығу тобы ретінде қызмет ету қабілеті, байланыстың гетеролизі нәтижесінде пайда болатын қосымша электрон тығыздығын тұрақтандыру қабілетіне байланысты. Көбінесе аниондық шығу топтары – хлорид (Cl⁻), бромид (Br⁻) және йодид (I⁻) сияқты халидтер, сондай-ақ тосилат (TsO⁻) сияқты сульфонатты эфирлер болып табылады, ал су (H₂O), спирттер (ROH) және аминдер (R₃N) – кең таралған бейтарап шығу топтары. IUPAC-тің кеңейтілген анықтамасында, гетеролиттік бөліну кезінде электрон жұбысыз кететін топтар (электрофугалар деп аталатын топтар), мысалы, H⁺ немесе SiR₃⁺ да кіреді, олар электрофильді ароматты алмастыру реакцияларында жиі кездеседі. Сол сияқты, азот (N₂) немесе көмірқышқыл газы (CO₂) сияқты жоғары термодинамикалық тұрақтылыққа ие түрлер, радикалдық түрлердің гомолиттік байланыс үзілу реакцияларында шығу топтары ретінде әрекет етеді. Шығу тобына қарама-қарсы термин – «кіру тобы» (яғни, субстратпен немесе субстраттан туындаған аралық қосылыспен реакцияласып, байланыс құратын түр). Осы мақалада, төмендегі талқылаулар негізінен ядролық топтаушы ретінде әрекет ететін шығу топтарына қатысты.
In chemistry, a leaving group is defined by the IUPAC as an atom or group of atoms that detaches from the main or residual part of a substrate during a reaction or elementary step of a reaction. In this usage, a leaving group is a less formal but more commonly used synonym of the term nucleofuge. In this context, leaving groups are generally anions or neutral species, departing from neutral or cationic substrates, respectively, though in rare cases, cations leaving from a dicationic substrate are also known. A species' ability to serve as a leaving group depends on its ability to stabilize the additional electron density that results from bond heterolysis. Common anionic leaving groups are halides such as |Cl , Br and |I , and sulfonate esters such as tosylate (|TsO ), while water (|H2O), alcohols (|R\sOH), and amines (|R3N) are common neutral leaving groups. In the broader IUPAC definition, the term also includes groups that depart without an electron pair in a heterolytic cleavage (groups specifically known as an electrofuges), like |H+ or |SiR3+, which commonly depart in electrophilic aromatic substitution reactions. Similarly, species of high thermodynamic stability like nitrogen (|N2) or carbon dioxide (|CO2) commonly act as leaving groups in homolytic bond cleavage reactions of radical species. A relatively uncommon term that serves as the antonym of leaving group is entering group (i. e., a species that reacts with and forms a bond with a substrate or a substrate derived intermediate). In this article, the discussions below mainly pertain to leaving groups that act as nucleofuges.
Топтық қабілетін тастау
Топтан шығу қабілетінің физикалық көрінісі - реакция жылдамдығы. Жақсы шығып бара жатқан топтар тез әрекет етеді. Өтпелі күйлер теориясы бойынша, бұл жақсы кететін топтарды қамтитын реакциялардың салыстырмалы тұрақты өтпелі күйлерге әкелетін төмен белсендіру кедергілері бар екенін білдіреді. Аниондық тастаушы топпен (иондау) SN1/E1 реакциясының бірінші сатысында топты тастау қабілеті туралы түсінікті қарастыру пайдалы, бұл түсінікті топтарды тастауды қамтитын барлық реакцияларға жалпылай алатындығын есте ұстай отырып. Кететін топ бастапқы материалға қарағанда өтпелі күйде (және өнімдерде) үлкен теріс зарядты алып жүретіндіктен, жақсы кететін топ осы теріс зарядты тұрақтандыруға, яғни тұрақты аниондарды қалыптастыруға қабілетті болуы керек. Анион тұрақтылығының жақсы өлшемі - анионның конъюгатты қышқылының (pKaH) pKa, ал топты тастау қабілеті әдетте осы үрдісті ұстанады, төменгі pKaH жақсы топты тастау қабілетімен жақсы байланысты. Алайда, pKaH мен топтың шығу қабілеті арасындағы байланыс мүлдем дұрыс емес. Топтың шығу қабілеті бастапқы материалдар мен өтпелі күйдің арасындағы энергия айырмашылығын білдіреді (ΔG‡) және топтың шығу қабілетіндегі айырмашылықтар осы шамадағы өзгерістерде көрініс табады (ΔΔG‡). pKaH бастапқы материалдар мен өнімдер арасындағы энергия айырмашылығын білдіреді (ΔG°), ал қышқылдықтың айырмашылығы осы шаманың өзгеруінде көрініс табады (ΔΔG°). Осы энергия айырмашылықтарын байланыстыру қабілеті Хаммонд постулаты мен Белл-Эванс-Поланьи принципімен негізделеді. Сонымен қатар, бұл жағдайда бастапқы материалдар әртүрлі. Қышқыл диссоциациясының тұрақтысы жағдайында "кетуші топ" бастапқы материалдағы протонға байланады, ал кетуші топтың қабілеттілігі жағдайында кетуші топ (әдетте) көміртекке байланады. Осы маңызды ескертулерді ескере отырып, pKaH-ны топтың қабілетін тастауды білдіретін деп қарастыру керек. Дегенмен, қышқыл диссоциациясының тұрақтыларын сапалы түрде болжау немесе шығу тобының өзгеруіне байланысты жылдамдық немесе реактивтілік үрдістерін рационализациялау үшін қарастыруға болады. Осы суреттегідей, OH, OR2 және NR2 сияқты күшті негіздер теріс зарядты тұрақтандыруға қабілетсіздігіне байланысты кеміген шығып баратын топтарды жасауға бейім. Қалған топтар шамамен төмендеу қабілетімен реттелген: тосилаттар, мезилаттар және ұқсас сульфонаттарRБромдыкислотаR\sOH2+, R'\sOHR+су, спирттерRХлорлыкислотаR\sONO2, R\sOPO(OR')2 нитраты, фосфат және басқа да органикалық емес эфирлерR\sSR'2+тиоэтерлерR\sNR'3+, R\sNH3+аминдар, аммиакRFфторлыкислотаROCORкарбоксилатROарфксидтерROH, RORгидроксидтер, алкогоксидтерRNR2амидтерRгидридтерR'аренидтер, алканидтер. SN2 реакциясы үшін синтетикалық пайдалы шығып жатқан топтарға мыналар жатады:Cl, Br, I, OTs, OMs, OTf, және H2O. Фосфатты және карбоксилдік қалдыру топтарын қамтитын субстраттар бәсекелестік қоспалар арқылы жоюға көбірек бейім, ал сульфоний және аммоний тұздары әдетте илидтер түзеді немесе мүмкін болған жағдайда E2 жоюдан өтеді. Жоғарыдағы кестеге сілтеме жасай отырып, феноксидтер (ииии OAr) SN2 тастау топтары ретінде мүмкін болатынның төменгі шегін құрайды: Ph2P немесе EtS сияқты өте күшті нуклеофилдер SN2 метил тобындағы орын ауыстыру арқылы анизоль туындыларын деметилдеу үшін пайдаланылды. Гидроксидтер, алкоксидтер, амидтер, гидридтер және алкил аниондары SN2 реакцияларында топтарды тастап кету қызметіне қатыспайды. Екінші жағынан, анионды немесе дианионды тетраэдрлік аралықтар құлаған кезде көрші гетероатомның жоғары электронды тығыздығы шығып бара жатқан топтың шығарылуын жеңілдетеді. Осылайша, эфирлер мен амидтер гидролизі жағдайында алкоксидтер мен амидтер негізінен шығып бара жатқан топтар ретінде ұсынылады. Сол себепті, гидроксидті шығып бара жатқан топ ретінде қамтитын E1cb реакциялары сирек кездеспейді (мысалы, альдоль конденсациясында). Бұл өте сирек кездеседі, мысалы, H (гидридтер), R3C (алкил аниондары, R = алкил немесе H), немесе Ar (арил аниондары, Ar = арил) электронды жұппен кетуі, себебі бұл түрлердің энергиясы жоғары. Чичибабин реакциясы гидридтің шығу тобы ретінде үлгісін береді, ал Вольф Кишнер реакциясы мен Галлер Бауэр реакциясы тұрақсыз карбанион шығу топтарын көрсетеді.
What constitutes a reasonable leaving group is dependent on context. For SN2 reactions, typical synthetically useful leaving groups include |Cl , Br , I , | OTs, OMs, OTf, and |H2O. Substrates containing phosphate and carboxylate leaving groups are more likely to react by competitive addition elimination, while sulfonium and ammonium salts generally form ylides or undergo E2 elimination when possible. With reference to the table above, phenoxides (| OAr) constitute the lower limit for what is feasible as SN2 leaving groups: very strong nucleophiles like |Ph2P or |EtS have been used to demethylate anisole derivatives through SN2 displacement at the methyl group. Hydroxide, alkoxides, amides, hydride, and alkyl anions do not serve as leaving groups in SN2 reactions. On the other hand, when anionic or dianionic tetrahedral intermediates collapse, the high electron density of the neighboring heteroatom facilitates the expulsion of a leaving group. Thus, in the case of ester and amide hydrolysis under basic conditions, alkoxides and amides are commonly proposed as leaving groups. For the same reason, E1cb reactions involving hydroxide as a leaving group are not uncommon (e. g., in the aldol condensation). It is exceedingly rare for groups such as |H (hydrides), |R3C (alkyl anions, R = alkyl or H), or |Ar (aryl anions, Ar = aryl) to depart with a pair of electrons because of the high energy of these species. The Chichibabin reaction provides an example of hydride as a leaving group, while the Wolff Kishner reaction and Haller Bauer reaction feature unstabilized carbanion leaving groups.
Топтан шығу қабілетінің контексттік айырмашылықтары
Жоғарыда келтірілген тізім сапалық сипаттама болып табылады және үрдістерді көрсетеді. Топтың кету қабілеті жағдайға байланысты өзгереді. Мысалы, SNAr реакцияларында, фторид тобы басқа галогендерге қарағанда жақсырақ кетеді, нәтижесінде реакция жылдамдығы артады. Бұл эффекттің себебі – екі сатылы қосылу-жою процесіндегі ең жоғары энергиялы өткізілмелі күйдің бірінші сатыда пайда болуында, онда фтордың басқа галогендерге қарағанда электронды тарту қабілеті жоғарырақ болғандықтан, ароматикалық сақинадағы жаңартпалы теріс заряд тұрақтанады. Кетуші топтың кетуі осы жоғары энергиялы Мейзенхаймер кешенінен жылдам жүреді, ал бұл процесс жылдамдық шектеуші сатысқа қатыспағандықтан, реакцияның жалпы жылдамдығына әсер етпейді. Бұл эффект конъюгациялық негіздерді жоюға қатысты жалпыға ортақ. Тіпті, егер кетуші топтың кетуі реакцияның жылдамдық шектеуші сатысына қатысса, кету қабілетінің ретін өзгерте алатын жағдайлар туындауы мүмкін. Фридель-Крафтс алкилдеуінде, галогендердің кету реті кері болады, сондықтан реакция жылдамдығы RF > RCl > RBr > RI формуласына сәйкес келеді. Бұл эффект олардың Льюис қышқылы катализаторымен күрделі қосылыстар құру қабілетіне байланысты, ал шығатын нақты топ – Льюис қышқылы мен кетуші топ арасындағы «жеме» кешені болып табылады. Бұл жағдай кең мағынада топты белсендіру деп аталады. Кету қабілетінде жағдайларға байланысты айырмашылықтар тіпті ең таза түрінде де болуы мүмкін, яғни, егер кетуші топтың өзі реакция жағдайларына (протонға түсу немесе Льюис қышқылымен кешендесу арқылы) әсер етпесе және кетуші топтың кетуі жылдамдық шектеуші сатыста жүрсе. Егер басқа факторлар тұрақты болса (алкил электрофилінің сипаты, еріткіш және т.б.), нуклеофилдің өзгеруі кетуші топтардың реактивтілік ретін өзгертуі мүмкін. Төмендегі мысалда, тосилат этиоксид нуклеофилі үшін ең жақсы кетуші топ болып табылады, бірақ тиолат нуклеофилі жағдайында йодид және тіпті бромид жақсырақ кетуші топтарға айналады. + Әрбір реакциядағы кетуші топтардың салыстырмалы жылдамдықтары (kX/kBr) Кетуші топ (X) Cl 0,0074 0,0024 (40 °C) Br 1 1I 3,5 1,9OTs 0,44 3,6
Белсенділендіру
Е1 және SN1 реакцияларында нашар шығып кететін топ Льюис қышқылымен протондалу немесе комплекстеу арқылы жақсы топқа айналуы жиі кездеседі. Осылайша, молекула гидроксид сияқты нашар шығып кететін топтарын формальды түрде шығару үшін, олардың шығу алдында протондалуы қажет. Осы принцип Фридель-Крафтс реакциясында да қолданылады. Мұнда, Фридель-Крафтс алкилдеу реакциясында алкил галогенидтен карбокатионды немесе ацил галогенидтен ацилий ионын жасау үшін күшті Льюис қышқылы қажет. Көптеген жағдайларда, шығып кететін топты белсендіруге қатысты реакциялар нуклеофильдік шабуыл немесе жою реакциясынан бұрын жеке қадамда катионды тудырады. Мысалы, SN1 және E1 реакциялары белсендіру қадамын қамтуы мүмкін, ал SN2 және E2 реакциялары көбінесе оны қамтамайды.
Конъюгат негіздерін жоюда
Жақсы шығып кету тобының қажеттілігі конугат негізді жою реакцияларында жеңілдетіледі. Бұл реакцияларға энолаттың β-позициясындағы шығып кету тобының жоғалуы, сондай-ақ нуклеофилдік ацил алмастыру кезінде тетраэдрлік аралықтан карбонил тобының қайта жаралуы жатады. Күшті жағдайларда тіпті амидтерді де негіздік гидролизге түсіруге болады, бұл процесте өте нашар шығып кету тобы, R2N−, шығарылады. Одан да айқын мысал, бензоат аниондарының декарбоксилдеуі мыс немесе Cu2O-мен қыздыру арқылы жүреді, онда арил анионы жоғалады. Бұл реакцияның себебі шығып кету тобының көбінесе сілті металл тұзы емес, арилмыс қосылысы болуы мүмкін. Мұндай жағдайда, қалыпты шығып кету тобының талаптарынан елеулі ауытқу көбінесе C=O екі байланысының түзілуімен байланысты, себебі өте күшті C=O екі байланысының түзілуі әдетте қолайсыз реакцияларды алға жылға бере алады. Жақсы шығып кету тобының қажеттілігі C=C байланысының E1cB механизмдері арқылы түзілуі кезінде де жеңілдетіледі, бірақ C=C екі байланысының салыстырмалы нашарлығына байланысты реакция әлі де шығып кету тобына сезімтал болады. Ерекше айта келетін жайт, шығып кету тобының табиғатын (және кетуге дайындығын) өзгерту жою реакцияларындағы механизмнің сипатын өзгерте алады. Нашар шығып кету тобы бар жағдайда E1cB механизмі басым болады, бірақ шығып кету тобының қабілеті өзгергенде, реакция катиондық аралық B-ден шығып кету тобының жоғалуын анықтайтын TS BC‡ арқылы, TS AB‡ (суретте көрсетілмеген) арқылы депротондау сатысын анықтауға ауысады, содан кейін келісімді E2 жою реакциясына өтеді. Соңғы жағдайда, X шығып кету тобы жеткілікті түрде жақсы болғандықтан, аралық B және C-ні байланыстырған бұрынғы өтпелі күйдің энергиясы B-ден төмен болады, бұл реакцияның потенциалдық энергия бетіндегі тұрақты нүкте емес. Тек бір өтпелі күй бастапқы материал A-ны өнім C-мен байланыстыратындықтан, реакция енді келісімді болады (суретте көрсетілген жағдайда өте асинхронды болса да), бұл X-тің шығып кету қабілетінің артуына байланысты.
"Супер" және "гипер" шығыс топтары
Үлгілі супер-кету тобы – трифлат, ал бұл термин салыстырмалы мүмкіндікке ие кез келген кету тобын білдіреді. Супер-кетуші топтың жоғалуы тұрақты карбокацияларды тудыра алатын қосылыстар әдетте өте реактивті және тұрақсыз болады. Осылайша, ең көп кездесетін органикалық трифлаттар – метил трифлаты және алкенил немесе арил трифлаттары, олардың барлығы иондану кезінде тұрақты карбокациялар құра алмайды, сондықтан олар салыстырмалы түрде тұрақты болады. Алкогольдер мен перфторбутансульфонил фторидтен алынған стероидтық алкил нонафлаттар (басқа бір супер-шығу тобы) оқшаулана алмайтыны, бірақ реактивтен алынған фторидпен жою немесе ауыстыру өнімдерін бірден қалыптастырғаны байқалды. Аралас ацил трифторметансульфонил ангидридтері, мықты Льюис қышқылы қажет болатын тиісті ацил галидтерінен айырмашылығы, катализаторсыз Friedel-Crafts ацилиленуінен тегіс өтеді. Алайда метил трифлаты электронды бейтарап ароматты сақиналармен Friedel-Crafts алкилдену реакцияларына қатыспайды. Реактивтіліктегі супер-шығу топтарынан кейін "гипер" шығу топтары жатыр. Олардың арасында ең танымалдары – λ3 иодандар, олардың ішінде диарил йодты тұздар және басқа галоний иондары бар. Бір зерттеуде осы және басқа шығып жатқан топтарды сандық тұрғыдан салыстыру жүргізілді. Хлоридке (krel = 1) қарағанда реактивтілік бромды (krel = 14), йодты (krel = 91), тосилатты (krel = 3.7), трифлатты (krel = 1.4), фенилиодний тетрафлюороборатын (krel = 1.2) құрайды. Гипер-шығу тобы трифлаттан күштірек шығу тобы болуы критерийімен қатар, шығу тобының редуктивті жоюға ұшырауы қажет. Галоний иондары үшін бұл тривалентті галонийден моновалентті галидке дейін азаюды және анионды фрагменттің шығарылуын қамтиды. Гипер-шығу топтарының қосылыстарының ерекше реактивтілігінің бір бөлігі бір молекуланың үшке бөлінуінің энтропиялық тиімділігіне байланысты. Диалкил галоний иондары да оқшауланып, қарапайым алкил топтары үшін сипатталған. Бұл қосылыстар, нуклеофилдерге қатысты өте белсенділігіне қарамастан, қатты күйде өте әлсіз нуклеофильді қарсы иондармен таза алуға болады, мысалы SbF6 және CHB11Cl11. Бұл қосылыстардың өте лабильді R\sX (R = алкил, X = Cl, Br, I) тастау топтарына қосылуынан туындаған күшті электрофильді табиғаты, олардың өте әлсіз нуклеофилдерді алкилдеуге бейімділігімен көрсетіледі. CH3)2Cl+ [CHB11Cl11] таза үлгілерін төмендетілген қысымда қыздыру өте нашар нуклеофильді карборан анионының метилденуіне және CH3Cl тастау тобының бір мезгілде шығарылуына әкелді. Диалкил галоний гексафторантимонат тұздары алмастырылған өнімдерді алу үшін артық алкил галоидтарын алкилдейді. Олардың күшті электрофильді табиғаты, алкил топтарының иондануынан пайда болған бастапқы карбокациялардың тұрақсыздығы Friedel-Crafts алкилдену химиясына қатысуы мүмкін екеніне нұсқайды. Бұл шығып бара жатқан топтардың лабильділігінің өсу тізбегі: R\sI < R\sBr < R\sCl.