41

ГЛАВА 10

РЕАКЦИИ ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

10.1. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКЦИЙ ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

10.2. МЕХАНИЗМ b-ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

10.2.1. E1-ЭЛИМИНИРОВАНИЕ

10.2.2. E1cB-МЕХАНИЗМ ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

10.2.3. E2-МЕХАНИЗМ. НАПРАВЛЕНИЕ E2-ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

10.2.4. СТЕРЕОХИМИЯ Е2-ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

10.3. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРИЕНТАЦИЯ ДВОЙНОЙ СВЯЗИ В ПРОДУКТАХ ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

10.4. КОНКУРЕНЦИЯ ЗАМЕЩЕНИЯ И ЭЛИМИНИРОВАНИЯ. ПРИМЕНЕНИЕ РЕАКЦИЙ ЭЛИМИНИРОВАНИЯ В ОРГАНИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ

10.5. ЭЛИМИНИРОВАНИЕ ПРИ ПИРОЛИЗЕ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ, КСАНТОГЕНАТОВ, ОКИСЕЙ ТРЕТИЧНЫХ АМИНОВ И ДРУГИЕ РЕАКЦИИ

10.1. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКЦИЙ ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

Реакции элиминирования (отщепления) можно классифициро­вать в соответствии с относительным расположением атомов уг­лерода, от которых происходит отщепление двух атомов или групп. Если оба отщепляющихся фрагмента связаны с одним и тем же атомом углерода, такой процесс называется -элиминированием. В результате -элиминирования образуется незаряженная электронодефицитная частица с двухкоординированным углеро­дом, известная под названием карбен:

Реакции -элиминирования с образованием карбенов подроб­но рассматриваются в гл. 5 (ч. 1). Если два отщепляющихся ато­ма или группы атомов связаны с соседними (вицинальными) ато­мами углерода, такой процесс называется -элиминированием. В результате -элиминирования образуется -связь:

Реакции элиминирования групп, отделенных друг от друга одним, двумя и большим числом атомов углерода, носят назва­ния соответственно  - и т.д. элиминирования. Продуктами элиминирования в этих случаях являются циклические соедине­ния — производные циклопропана, циклобутана и т.д.

Для того чтобы произошло замыкание цикла, молекула должна принять строго определенную конформацию, т.е. должно быть ограничено вращение вокруг нескольких углерод-углеродных свя­зей. Это приводит к возрастанию энергии активации циклиза­ции G^ = Н^ - ТS^ за счет понижения энтропии активацииS^. Для -элиминирования необходимо ограничить вращение только вокруг одной С-С связи. Следовательно, -элиминирование в принципе должно осуществляться легче по сравнению с процессами отщепления, приводящими к образованию цикла. Циклообразование становится конкурентоспособным только тог­да, когда у -, - или более отдаленного атома углерода находит­ся сильная электроноакцепторная группа CN, COOH, NO₂ и др., например:

В этой главе будут рассмотрены реакции -элиминирования, которые приводят к образованию алкенов.

10.2. МЕХАНИЗМ -ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

Для реакции -элиминирования возможны три механизма, различающиеся последовательностью отщепления протона и ухо­дящей группы Х - Е1, Е1сВ и Е2.

10.2.1. E1-ЭЛИМИНИРОВАНИЕ

В механизме Е1 (элиминирование мономолекулярное) ста­дией, определяющей скорость всего процесса, является иониза­ция субстрата с образованием карбокатиона, который стабили­зируется в результате отщепления протона от -углеродного ато­ма в быстрой стадии, не влияющей на скорость реакции

Первая стадия мономолекулярного элиминирования Е1 идентична определяющей скорость стадии реакции мономолекулярного нуклеофильного замещения S_Nl (гл.9). Поэтому оба типа реакций, и Е1 и S_Nl, описываются одним и тем же кинетическим уравнени­ем v = k₁[RX], где скорость реакции не зависит ни от концентра­ции, ни от природы основания, отщепляющего протон во вто­рой, быстрой стадии E1-процесса. Фактически карбокатион, об­разующийся в результате ионизации субстрата, участвует в двух параллельных, конкурирующих реакциях: присоединения нуклеофильного агента к карбокатионному центру (S_N1) и отщепления протона от -углеродного атома при действии того же основа­ния (Е1). В подавляющем большинстве случаев роль нуклеофильного агента при S_Nl - механизме и основания при E1-механизме выполняет растворитель. В конкурирующих S_Nl- и E1 -реакциях доля продукта сольволиза оказывается значительно выше, чем алкена, образующегося в результате мономолекулярного элими­нирования, например:

При сравнении родственных реакций для двух соединений, от­личающихся только уходящей группой X, очевидно, что скорос­ти их должны быть различны, поскольку скорости реакций S_Nl и Е1 определяются стадией ионизации связи С-Х. Однако после образования карбокатион в обоих случаях претерпевает одно и то же превращение, так как природа уходящей группы не влияет на вторую стадию процесса. Это означает, что в идеальном слу­чае соотношение продуктов реакций S_Nl/El должно быть оди­наковым и не зависеть от природы уходящей группы (гл. 9). Действительно, при сольволизе трет-бутихлорида и (СН₃)₃С-S⁺(CH₃)₂ в 80% водном этаноле при 65 ^oС получается трет-бутиловый спирт и изобутилен в одном и том же соотношении, хотя скорости реакций сильно отличаются:

Разумеется, такой результат наблюдается только для процессов с участием «свободного» карбокатиона; для S_Nl- и Е1 -реакций с участием ионных пар соотношение продуктов сольволиза и эли­минирования зависит от природы уходящей группы. Так, напри­мер, при сольволизе (СН₃)₃СХ в менее полярном, чем вода, рас­творителе - этаноле — доля Е1 -элиминирования резко возрас­тает и изменяется в ряду С1 > Br > S⁺(CF₃)₂.

Для Е1 -элиминирования, так же как и для других процессов с образованием карбокатиона в качестве интермедиата, харак­терны перегруппировки, включающие анионотропную 1,2-миграцию гидрид-иона или алкильной группы. В качестве примера можно привести кислотно-катализируемую дегидратацию 3-метилбутанола-2 в 80%-и серной кислоте:

Примером скелетной изомеризации карбокатиона в E1-элими­нировании может служить дегидратация 3,3-диметилбутанола-2:

Общим правилом для Е1-элиминирования является преиму­щественное образование наиболее замещенных при двойной свя­зи алкенов, т.е. алкенов, содержащих максимально возможное число алкильных групп при С=С-связи, например:

В механизме Е1 уходящая группа отделяется до того, как про­исходит отщепление протона из карбокатиона. Поэтому направ­ление образования двойной связи определяется относительной устойчивостью двух или трех возможных алкенов. Из данных по теплотам гидрирования (гл. 5) и теплотам сгорания следует, что с ростом числа алкильных заместителей возрастает и тер­модинамическая стабильность алкена. Таким образом, при Е1-элиминировании преимущественно, но не исключительно об­разуется наиболее замещенный при двойной связи и, следова­тельно, наиболее стабильный алкен. Эта закономерность была экспериментально обнаружена русским ученым А.М. Зайцевым (1875) и носит название правила Зайцева, которое эмпирически предсказывает направление элиминирования не только при Е1, но часто и при Е2- механизме элиминирования. Однако пра­вило Зайцева не универсально для реакций E1-элиминирования. Оно не выполняется в тех случаях, когда наименее заме­щенный алкен оказывается по стерическим причинам более устойчивым. Например, при Е1-элиминировании из 1,2-дифенил-2-хлорпропана С_бН₅СC(СН₃)Сl-СНС₆Н₅ получается 60% СН₂=С(С_бН₅)СН₂С_бН₅, несмотря на то что в продукте элими­нирования, по Зайцеву, С_бН₅С(СН₃)=СНС₆Н₅ двойная связь сопряжена с двумя бензольными кольцами.

Элиминирование протона из карбокатиона не отличается стереоселективностью. Протон отщепляется от -углеродного ато­ма как из син-, так и из анти-положения. Поэтому реакции E1 нестереоселективны. Мономолекулярное отщепление НСl от ментилхлорида дает смесь обоих изомерных алкенов в соотноше­нии примерно 1:2:

В отличие от этого E2-элиминирование НСl из ментилхлорида (см. следующий раздел) протекает строго стереоспецифично, как анти-диаксиальное отщепление протона и хлорид-иона с обра­зованием только одного ментена с двойной связью в положе­нии С(2)-С(3). Другим еще более наглядным примером нестереоселективности реакций, протекающих про E1-механизму, может служить сольволиз З-хлор-3-метилгексана в метаноле. В этой ре­акции образуется шесть различных продуктов, пять из которых представляют собой изомерные алкены:

Поэтому неудивительно, что реакции E1-элиминирования не иг­рают заметной роли в органическом синтезе. Например, для по­лучения алкенов и алкинов предпочтение следует отдать процес­сам E2-элиминирования.

10.2.2. E1cB-МЕХАНИЗМ ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

Механизм Е1сВ, так же как механизм Е1, включает две ста­дии, но в обратной последовательности. Отщепление протона предшествует отрыву уходящей группы:

Этот двустадийный механизм является карбанионным, посколь­ку интермедиатом служит карбанион, а символ Е1сВ указывает на то, что уходящая группа отщепляется от сопряженного суб­страту основания. Механизм Е1сВ описывается кинетическим уравнением второго порядка с первым порядком по основанию В^- и по субстрату: v = k[субстрат][В^-]. Тем не менее реакция яв­ляется мономолекулярной, поскольку в стадии, лимитирующей скорость, участвует одна частица. Реакции, протекающие по Е1сВ-механизму, ограничены такими субстратами, которые содержат электроноакцепторные замести­тели при -углеродном атоме, стабилизирующие промежуточно образующийся карбанион. Этот механизм наиболее вероятен в том случае, когда уходящая группа находится в -положении к карбонильной, циано-, нитро- или сульфонильной группе, спо­собным стабилизировать отрицательный заряд на атоме углеро­да в карбонионе, образующемся при отщеплении протона из

R²CH(X)—CH(R¹)—Y , где Y=C(O)R; CN; NO₂; SO₂R; COOR, a X - уходящая группа.

С другой стороны, Е1сB-механизм следует ожидать для субстра­тов, содержащих сильную электроноакцепторную уходящую груп­пу: F; N⁺(CH₃)₃; ОSО₂СF₃ и др. Тот же самый механизм должен быть характерен для пентагалогенэтанов типа СНСl₂СF₃ и по­добных полигалогеналканов, содержащих достаточно «подвиж­ный» атом водорода, при отщеплении которого образуется отно­сительно стабильный карбанион:

Для обычных алкилгалогенидов и алкилсульфонатов Е1сВ-механизм не реализуется. Наиболее простым, но, к сожалению, не универсальным тестом на механизм E1cB, позволяющим отли­чить его от E2-механизма, является метод меченых атомов. Пер­вая стадия карбанионного E1cB-механизма заключается в обра­тимом, катализируемом основанием обмене протона между суб­стратом и средой. Если растворитель содержит дейтерий в гидроксильной группе, регенерируемое исходное соединение так­же должно содержать дейтерий, например: