Eliminatiereacties en de regel van Saytzeff

Bij dehydratatie van een alcohol en bij dehalogenering van een halogeenalkaan verliest het alcohol en het halogeenalkaan respectievelijk een OH-groep en een halogeenatoom. Zowel het alcohol als het halogeenalkaan verliezen ook een waterstofatoom op een aanliggend koolstofatoom. Zowel uit het alcohol als uit het halogeenalkaan wordt alzo een alkeen verkregen. Het koolstofatoom dat de alcoholfunctie of het halogeen draagt heeft soms twee of meerdere aanliggende koolstofatomen die een waterstofatoom kunnen verliezen. Er wordt dus vaak een mengsel met verschillende eindproducten verkregen. Welk alkeen vooral zal worden gevormd, wordt bepaald door de regel van Saytzeff.

• Eliminatiereacties
• Dehydratatie van alcoholen
• Dehalogenering van een halogeenalkaan
• Reactiemechanismen
• Dehydratie
• Dehalogenering
• Saytzeff-regel
• Voorbeeld 1: De dehydratatie van 3-methylbutaan-2-ol
• Voorbeeld 2: De dehalogenering van 2-chloorbutaan

Eliminatiereacties

Bij een eliminatiereactie verliest een organisch molecule twee atomen of atoomgroepen. Deze atomen of atoomgroepen waren op twee aanliggende koolstofatomen gebonden. Na het verlies vormt er zich tussen de twee koolstofatomen een extra binding welke samen met de reeds aanwezige binding een dubbele binding vormt. Er wordt bij deze reactie dus een alkeen, dit is een organisch molecule met een dubbele binding, gevormd.

Dehydratatie van alcoholen

Bij een dehydratatie verliest het alcohol (R-OH) een waterstofatoom en een OH-groep en komt er water vrij. Ethanol bijvoorbeeld kan op deze manier worden omgezet in etheen.

Dehalogenering van een halogeenalkaan

Bij een dehalogenering komt er een halogeenatoom en een waterstofatoom vrij. Chloorethaan bijvoorbeeld kan op deze manier, net als ethanol, worden omgezet in etheen.

Reactiemechanismen

Dehydratie

Door eliminatie van water uit een alcohol kan er dus een alkeen worden bereid. Door een geconcentreerde zwavelzuuroplossing te laten inwerken op bijvoorbeeld ethanol ontstaat er etheen.

In de eerste stap bindt het vrij elektronenpaar van de OH-functie met een proton (H⁺) van zwavelzuur. Hierdoor ontstaat er op het zuurstofatoom een positieve lading.

Daar dit een onstabiele situatie is, zal het positief geladen zuurstofatoom het elektronenpaar waarmee het aan het koolstofatoom gebonden is naar zich toetrekken. Hierdoor ontstaat er een carbokation (een positief geladen koolstofatoom).

Om dit carbokation weg te werken, zal er een dubbele binding worden gevormd met het aanliggend koolstofatoom. Het eerder gevormd waterstofsulfaat-ion neemt hiervoor een proton (H⁺) van het aanliggend koolstofatoom op. Het bindingselektronenpaar dat hierdoor vrijkomt, wordt gebruikt om de dubbele binding te vormen.

De eerste en de derde stap verlopen zeer snel. De vorming van het carbokation in de tweede stap is de trage reactie en vormt dus de snelheidsbepalende stap van de volledige reactie.

Dehalogenering

Een dehalogenering kan volgens twee mechanismen gebeuren. De eliminatie van eerste orde gebeurt in twee stappen waarvan de eerste stap traag verloopt en dus de snelheidsbepalende stap is. De eliminatie van tweede orde gebeurt in één keer.

Eliminatie van eerste orde (E1)
Het halogeenalkaan (bijvoorbeeld 2-broom-2-methylbutaan) laat zijn halogeenatoom (hier broom) los. Hierdoor verliest het koolstofatoom een bindend elektronenpaar en vormt het alzo een carbokation.

In de tweede stap wordt deze onstabiele situatie opgelost doordat een proton wordt losgelaten op het aanliggend koolstofatoom en er een dubbele binding wordt gevormd tussen beide koolstofatomen. In het voorbeeld wordt 2-methylbut-2-een gevormd.

Een eliminatie van eerste orde treedt vooral op in polair reactiemilieu omdat in dit milieu een carbokation net iets minder onstabiel is. Verder bevorderen grote zijgroepen op het koolstofatoom aanliggend aan het koolstofatoom met het halogeen ook dit mechanisme.

Eliminatie van tweede orde (E2)
NaOH of KOH zijn sterke basen. Zij kunnen dus gemakkelijk een proton opnemen. Door bijvoorbeeld een sterk geconcentreerde NaOH-oplossing toe te voegen aan een halogeenalkaan (bijvoorbeeld broomethaan), kan een proton worden opgenomen. Het bindend elektronenpaar vormt dan onmiddellijk de dubbele binding en duwt als het ware het halogeen-ion (hier Br^-) van het molecule weg ter vorming van het alkeen.

Dit mechanisme treedt vooral op bij halogeenalkanen zonder grote zijgroepen. Grote zijgroepen verhinderen immers de rechtstreekse toenadering van de OH^--groep.

Saytzeff-regel

Indien het koolstofatoom dat de OH-groep (alcohol) of het halogeen (halogeenalkaan) aan meerdere koolstofatomen gebonden is welke een waterstofatoom kunnen afgeven, ontstaat er een mengsel van alkenen. Welk alkeen in meerdere of in mindere mate wordt gevormd, hangt af van het aantal zijgroepen (substituenten) er na de reactie op de dubbele binding zijn gebonden. De regel van Saytzeff zegt dat vooral het meest gesubstitueerde alkeen zal worden gevormd. Dit kan als volgt worden verklaard. Een meervoudige binding trekt elektronen naar zich toe. Alkylgroepen welke alleen enkelvoudige bindingen bevatten, duwen daarentegen elektronen van zich weg. Een dubbele binding met meer alkylgroepen, een meer gesubstitueerde dubbele binding dus, krijgt dus meer elektronen naar zich toegeduwd en is dus meer stabiel.

Voorbeeld 1: De dehydratatie van 3-methylbutaan-2-ol

Bij deze reactie zal er vooral 2-methylbut-2-een worden gevormd. De dubbele binding in dit alkeen is omringd door 3 methylgroepen (-CH₃). Bij het minder gevormde 3-methylbut-1-een is de dubbele binding aan de ene kant gebonden aan een isopropylgroep (-CH(CH₃)CH₃) maar aan de andere kant zijn er alleen waterstofatomen aanwezig. Alhoewel een isopropylgroep een betere elektronenstuwer is dan een methylgroep, zal de aanwezigheid van drie methylgroepen toch een sterker stuwend effect geven.

Voorbeeld 2: De dehalogenering van 2-chloorbutaan

Bij deze reactie zal er vooral but-2-een worden gevormd daar bij dit molecule de dubbele binding gebonden is aan 2 methylgroepen. Bij but-1-een is de dubbele binding gebonden met een ethylgroep. Alhoewel een ethylgroep een betere elektronengever is in vergelijking met een methylgroep zorgt de aanwezigheid van alleen maar waterstofatomen aan de andere kant voor een lagere stabiliteit.