Odstupující skupina

Odstupující skupina^[1] (odcházející skupina^[zdroj⁠?!]) je v chemii část molekuly, která se odpojuje společně s dvojicí elektronů při heterolytickém štěpení vazby. Může jít o anion, kation i neutrální částici, podstatné je, že tato skupina stabilizuje zvýšenou elektronovou hustotu vytvořenou při rozštěpení vazby. Častými odstupujícími skupinami jsou halogenidové anionty (Cl⁻, Br⁻ a I⁻) a sulfonátové estery, například tosyláty (TsO⁻). Fluoridové ionty (F⁻) jsou odstupující skupinou u sarinu. Z neutrálních molekul nejčastěji jako odstupující skupiny fungují voda a amoniak (NH₃). Kladně nabitou odstupující skupinou může být například vodíkový kation (H⁺) při nitraci benzenu.^[2][3]

Síla odstupující skupiny je určena rychlostí probíhající reakce, Lepší odstupující skupiny reagují rychleji. Podle teorie přechodného stavu mají dobré odstupující skupiny nízké aktivační bariéry, což vede k tvorbě stabilnějších přechodných stavů.

Síla odstupujících skupin se nejčastěji využívá při zkoumání S_N1 a E1 reakcí, zahrnujících aniontové odstupující skupiny, lze ji však využít u jakékoliv reakce, ve kterých se objevují odstupující skupiny. Dobré odstupující skupiny mají větší záporný náboj než výchozí látky a tak musí být schopny tento náboj stabilizovat, například tvorbou stabilních aniontů. K porovnávání stability aniontů se používá pKa konjugované kyseliny, lepší odstupující skupiny mívají nižší pK_aH.

Závislost reaktivity odstupující skupiny na pK_aH není vždy takto jednoduchá. Reaktivita záleží na rozdílu energie výchozích látek a přechodného stavu (ΔG^‡) a rozdílná reaktivita různých skupin odpovídá odlišným hodnotám změny této energie (ΔΔG^‡). Hodnota pK_aH však spíše odpovídá rozdílu energií výchozích látek a produktů (ΔG) a rozdílná kyselost má vliv na změnu tohoto rozdílu (ΔΔG). Při srovnávání pK_a se uvažuje, že je odstupující skupina v reaktantu navázána na proton, zatímco při srovnávání reaktivity je (obvykle) navázána na uhlík. Silné zásady, jako například OH⁻, OR⁻ a NR₂⁻, vytvářejí špatné odstupující skupiny, protože nemohou stabilizovat záporný náboj.

Hydridové a alkylové ionty se prakticky neobjevují jako odstupující skupiny, protože příslušné zásady jsou nestabilní.

Při E1 a S_N1 reakcích často lze špatnou odstupující skupinu přeměnit na lepší protonací nebo komplexací pomocí Lewisovy kyseliny. Takto lze molekuly zbavit špatných odstupujících skupin, například hydroxidové.

Podobný jev se vyskytuje u Friedelových–Craftsových reakcí, kde je potřeba silná Lewisova kyselina k tvorbě karbokationtu z alkylhalogenidu při alkylaci a nebo acyliového iontu z acylhalogenidu.

Při reakcích zahrnujících aktivaci odstupující skupiny se kation většinou vytváří v samostatném kroku, předtím než dojde k nukleofilnímu ataku nebo eliminaci. Například S_N1 a E1 reakce mají takový krok, zatímco S_N2 a E2 reakce nikoliv.

Při eliminacích konjugovaných zásad dochází k oddělení odstupující skupiny z polohy β na molekule enolu a obnovení karbonylové struktury z čtyřstěnného meziproduktu při nukleofilní acylové substituci. Za vhodných podmínek může i u amidů proběhnout zásaditá hydrolýza, při které se odštěpuje špatná odstupující skupina R₂N⁻. Benzoátové anionty lze dekarboxylovat zahříváním s mědí nebo oxidem měďnatým, přičemž dochází k oddělení arylového aniontu. Reakci umožňuje vznik arylměďnaté sloučeniny, která je lepší odstupující skupinou než zásaditější sůl alkalického kovu. K těmto jevům dochází při tvorbě vazby C=O, která usnadňuje jinak obtížně proveditelné reakce. Dobrá odstupující skupina příliš není potřeba při vzniku vazby C=C E1cB mechanismem, ovšem vzhledem k poměrně slabé vazbě C=C je i tato reakce poněkud citlivá na sílu odstupující skupiny. Změna odstupující skupiny může ovlivnit mechanismus eliminační reakce. U slabých odstupujících skupin převládá E1cB mechanismus, avšak při použití silnějších bude mít převahu tvorba karboaniontu B z TS BC^‡, přičemž rychlost reakce bude určovat deprotonace probíhající přes TS AB^‡ soustředěným E2 mechanismem. V takovém případě se odstupující skupina stává dostatečně silnou na to, aby přechodný stav mezi meziprodukty B a C měl nižší energii než B. Protože vzniká pouze jeden přechodný stav mezi výchozí látkou A a produktem C, tak reakce probíhá kvůli oslabení odstupující skupiny soustředěným mechanismem.

Příkladem „super“ odstupující skupiny je triflátový anion; označení se používá i pro jiné podobně dobré odstupující skupiny. Sloučeniny, u kterých dochází k oddělení super odstupující skupiny za tvorby stabilního karboaniontu jsou obvykle velmi reaktivní a tedy nestabilní. Nejčastěji používanými organickými trifláty jsou tak methyl-triflát, alkenyl- a aryltrifláty, které nemohou vytvářet stabilní karbokationty. Steroidní alkylnonafláty (které také mají super odstupující skupinu) odvozené od alkoholů a perfluorbutansulfonylfluoridu nelze izolovat, protože rychle vstupují do eliminačních i substitučních reakcí kvůli tvorbě fluoridových iontů. Smíšené acyl-trifluormethansulfonylanhydridy lze použít k Friedelovým-Craftsovým acylacím i bez přítomnosti katalyzátoru,^[5] zatímco při použití acylhalogenidu by byla potřeba katalýza silnou Lewisovou kyselinou. Methyltriflát ovšem nelze použít k alcylacím aromatických substrátů se střední elektronovou hustotou.

Ještě reaktivnější než „super“ jsou „hyper“ odstupující skupiny. Patří k nim mimo jiné deriváty λ³-jodanu, například diaryljodoniové soli a další haloniové ionty. V jedné studii byla porovnávána reaktivita různých odstupujících skupin, relativní reaktivita oproti chloridům (k_rel=1) stoupala přes bromidy (k_rel=14), jodidy (k_rel=91), tosyláty (k_rel=3,7 x 10⁴) a trifláty (k_rel=1,4 x 10⁸) k tetrafluorboritanu fenyljodonia (C₆H₅I⁺ BF₄⁻, k_rel=1,2 x 10¹⁴) Za hyper odstupující skupiny jsou považovány ty, které reagují rychleji než trifláty a mohou se účastnit redukčních eliminací. U haloniových iontů může jít o redukci haloniovýcjh iontů na halogenidy za uvolnění aniontu. Vysoká reaktivita sloučenin obsahujících hyper odstupující skupiny je částečně způsobována entropickou výhodností rozdělení jedné molekuly na tři.

Byly také popsány dialkylhaloniové ionty; sloučeniny, které je obsahují, i přesto, že velmi snadno reagují s nukleofily, mohou být připraveny jako pevné soli s velmi slabě nukleofilními ionty, jako jsou SbF -
6 ^[6][7] a CHB₁₁Cl -
11 .^[8] Výrazná elektrofilita těchto skupin usnadňuje jejich reakce s nestabilními alkylhalogenidovými odstupujícími skupinami a projevuje se například těm, že mohou alkylovat velmi slabě nukleofilní karboranový anion za odštěpení CH₃Cl jako odstupující skupiny. Kombinace silně elektrofilních vlastností s nestabilitou primárních karbokationtů vytvářených ionizací jejich alkylových skupin, jim umožňuje podílet se na Friedelových-Craftových alkylacích.^[6] Reaktivita těchto skupin klesá v řadě R-I < R-Br < R-Cl.

• Nukleofil
• Elektrofil
• Eliminace (chemie)
• Substituční reakce

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Leaving group na anglické Wikipedii.