GL_10_Элиминирование (О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин - Органическая химия в 4-х томах (Word)), страница 3

Эта закономерность отчетливо следует из данных, приведен­ных в табл. 10.1, где соотношение гексен-1/гексен-2 при отщеп­лении НС1 от 2-хлоргексана изменяется от 0,5 до 10, т.е. в двад­цать раз при замене метилата натрия на трет-бутилат калия в качестве основания. Для 2-бром-2-метилбутана направление элиминирования полностью инвертируется при переходе от этила-та калия к трет-бутилату калия:

Направление элиминирования также зависит и от пространст­венных факторов. Сильно пространственно затрудненные осно­вания способствуют дегидрогалогенированию в соответствии с правилом Гофмана. Это, по-видимому, связано с тем, что атом водорода С—Н-связи внутри углерод-углеродной цепи становится малодоступным для пространственно затрудненных объемных оснований, таких, как З-этилпентанолят-3 калия, диизопропиламид и др., например:

10.2.4. СТЕРЕОХИМИЯ Е2-ЭЛИМИНИРОВАНИЯ

Наиболее важной особенностью E2-элиминирования явля­ется его стереоспецифичность. При синхронном элиминирова­нии необходимо, чтобы p-орбитали двух атомов углерода, от которых происходит элиминирование, были параллельны. Толь­ко в этом случае возможно образование -связи. Для этого не­обходимо, чтобы пять атомов, участвующих в реакции (два атома углерода, водород, нуклеофуг и основание), лежали в одной плоскости. Это может быть достигнуто двумя способами. Груп­пы Х и Н могут находиться в транс-положении по отношению друг к другу, тогда двугранный угол между ними составляет 180° (конформация А), если же они находятся в цис-положении, дву­гранный угол составляет 0° (конформация Б). Конформация А называется антиперипланарной; элиминирование из антиперипланарной конформации антиперипланарных групп Н и Х назы­вается анти-элиминированием. Конформация Б носит название синперипланарной, элиминирование из конформации Б синперипланарных групп Н и Х называют син-элиминированием. Известны многочисленные примеры обоих видов элиминиро­вания. В общем случае анти-элиминирование предпочтительнее син-элиминирования, поскольку энергия активации элимини­рования из более стабильной заторможенной конформации А обычно ниже, чем для аналогичной реакции из менее стабиль­ной заслоненной конформации Б:

Наибольшее число исследований стереохимии E2-элиминирования выполнено для производных циклогексана. Для циклогексильных систем характерна очень высокая предпочтитель­ность анти-элиминирования из конформации, в которой про­тон и уходящая группа занимают аксиальные положения. Для циклогексана наиболее стабильной формой является конформа­ция кресла, где атомы водорода или заместители занимают эк­ваториальные (е) или аксиальные (а) положения (подробно см. гл. 24, ч.З). син-Элиминирование из производных циклогексана энергетически и пространственно невыгодно потому, что водо­род, уходящая группа Х и два атома углерода, от которых про­исходит отщепление НХ, не лежат в одной плоскости, и дву­гранный угол между ними резко отличается и от 0 и от 180°:

син-Элиминирование из С₆H₁₁X может происходить как а, е- или е, а-отщепление НХ. Оба этих варианта, как нетрудно заметить, не удовлетворяют условию копланарности Н и X. Этому условию удовлетворяет только анти-элиминирование, когда и Н и Х антиперипланарны и оба занимают аксиальные положе­ния (так называемое анти-диаксиальное элиминирование).

Известно огромное число примеров анти-диаксиального от­щепления из производных циклогексана. В качестве наиболее яркого примера приведем отщепление хлористого водорода из ментилхлорида и неоментилхлорида под действием этилата на­трия в этаноле, для которого установлен Е2-механизм. Ментил-хлорид может находиться в двух крестовидных конформациях, где экваториальные и аксиальные заместители меняются места­ми, и заместитель X, аксиальный в одной кресловидной конформации, становится экваториальным в другой кресловидной конформации. Одна из конформаций ментилхлорида, в кото­рой все три заместителя экваториальны, намного (на 4 ккал/ моль) более стабильна, чем другая, где все они аксиальны (см. гл. 24, ч.З). Однако Е2-элиминирование осуществляется стереоспецифически и региоспецифически из конформации с акси­альным положением атома хлора в результате анти-отщепления хлора и аксиального водорода при соседнем атоме углерода:

У ментилхлорида с аксиальным расположением хлора имеется единственный водород в аксиальном положении при соседнем углероде, поэтому стереоэлектронные требования анти-элиминирования обусловливают образование 2-ментена в качестве единственного продукта элиминирования из ментилхлорида, не­смотря на то что такое направление отщепления противоречит правилу Зайцева о наиболее замещенном при двойной связи про­дукте элиминирования. В отличие от ментилхлорида в его эпимере неоментилхлориде атом хлора в наиболее стабильной конформации находится в аксиальном положении. Атомы водорода при С(2) и С(4) также аксиальны. В результате отщепления НСl от неоментилхлорида образуется смесь двух изомерных ментенов в соотношении 3 : 1 в полном соответствии с правилом Зайцева, поскольку 3-ментен термодинамически стабильнее 2-ментена:

Вицинальные 1,2-дибромиды можно дебромировать под дей­ствием различных восстановительных реагентов, таких, как йодид-ион, трифенилфосфин и др. Стереохимия этой реакции была установлена с помощью меченого 1,1,2-трибромциклогексана, полученного присоединением изотопа ⁸²Вг к немеченому бромциклогексену. Радиоактивность ⁸²Вг, источника -излучения, позволяет определить стереохимический ход элиминиро­вания с очень высокой степенью точности, недоступной други­ми методами. Немеченый бромциклогексен должен быть един­ственным продуктом в случае анти-элиминирования, в то время как при син-элиминировании должен быть получен бромцик­логексен, меченный ⁸²Вг. Дебромирование 1,1,2-трибромцикло-гексана под действием йодид-иона протекает стереоспецифически как анти-элиминирование:

Однако такая чрезвычайно высокая способность к анти-элиминированию характерна только для циклогексильных и кон­денсированных циклогексильных систем. Для циклов с другим числом атомов углерода анти-элиминирование уже не является единственным направлением реакции. Для жестко фиксирован­ной бициклической системы галогенидов норборнана (бицикло[2.2.1]гептана), где двугранный угол между атомом галогена и водородом в экзо-положении близок к 0°, реализуется син-элиминирование галогеноводорода:

анти-Элиминирование не происходит потому, что двугранный угол между группой Х и эндо-водородом составляет 120° и из-за жесткой структуры бицикло[2.2.1]гептана не может достигнуть величины, близкой к 180°, необходимой для анти-элиминирования. Аналогично объясняется и син-элиминирование из гидроксида циклобутилтриметиламмония по Гофману. В этом слу­чае из-за малого размера цикла молекула также не в состоянии принять конформацию, необходимую для анти-элиминирования с двугранным углом, близким к 180°:

В других случаях ситуация не столь определенна, как в выше­приведенных примерах. Отщепление воды от гидроксида циклопентилтриметиламмония осуществляется на 50% как син- и на 50% как анти-элиминирование. Для транс-2-фенилциклопен-тилтозилата скорость реакции син-элиминирования под дейст­вием трет-бутилата калия в трет-бутиловом спирте до 1-фенилциклопентена в десять раз превышает скорость конкуриру­ющего с ним процесса анти-элиминирования, приводящего к образованию 3-фенилциклопентена:

Кроме того, скорость Е2-элиминирования TsOH из транс-2-фе-нилциклопентилтозилата намного превышает скорость Е2-элиминирования TsOH из изомерного ему цис-2-фенилциклопентилтозилата в тех же условиях:

Соотношение процессов син- и анти-элиминирования зависит от того, находится ли основание в форме агломерата ионных пар или свободных ионов. Агломераты ионных пар и мономер­ные ионные пары способствуют син-элиминированию за счет координации катиона металла с уходящей группой:

С другой стороны, для свободного аниона должно быть более характерно анти-элиминирование из конформации, где уходя­щая группа и водород находятся в антиперипланарном положе­нии. Действительно, соотношение 1-фенилциклопентена и 3-фенилциклопентена — продуктов син- и анти-элиминирования из транс-2-фенилциклопентилтозилата — изменяется от 10 : 1 в отсутствие связывающих катион калия добавок до 1 : 2,5 в при­сутствии 18-краун-6 полиэфира. 18-Краун-б полиэфир облада­ет уникальной способностью к образованию стабильного ком­плекса с катионами калия и натрия в результате включения ка­тиона в полость цикла (см. гл. 11). Связывание катиона калия в стабильный комплекс приводит к разрушению ионных ассоциатов трет-бутилата калия и других алкоголятов щелочных ме­таллов вплоть до мономерных ионных пар и свободных ионов. Это сопровождается значительным изменением стереохимии Е1-элиминирования, где преобладающим становится уже анти-элиминирование. Однако даже со свободным, не связанным в ион­ную пару трет-бутилат-ионом и другим алкоголятом, реализу­ются оба конкурирующих процесса - син- и анти-элиминирование. Преимущественное син-элиминирование неоднократно наблюдалось в ряду циклооктильных и циклодецильных производных - соединений с так называемым сред­ним размером цикла.

анти-Элиминирование галогеноводорода в ациклическом ряду было первоначально доказано на примере 2-бром-З-дейтеробутана, который был использован в виде эритро-изомера. Для эритро-формы 2-бром-З-дейтеробутана возможны четыре реакционные конформации, каждая из которых благодаря дейтериевой метке приводит к образованию характерного только для нее продукта реакции элиминирования НВг или DBr.

Это легко проиллюстрировать с помощью следующих урав­нений:

Было установлено, что в результате элиминирования из 2-бром-З-дейтеробутана образуются транс-бутен-2, не содержащий дей­терия, и дейтерированный цис-бутен-2. Это согласуется только с механизмом анти-элиминирования. На этом основании было сформулировано общее правило об анти-элиминировании при Е2-механизме в ряду алкилгалогенидов и алкилсульфонатов. Од­нако так же как и для производных циклоалканов, реальная ситуация оказалась значительно сложнее, чем первоначально предполагалось. Для гомологов 2-галогенбутанов - 3-галогенгексанов, катиона 3-гексилтриметиламмония и ряда других втор-алкилгалогенидов и сульфонатов наблюдается как анти-, так и син-элиминирование при формальном Е2-механизме, причем стереохимия элиминирования очень сильно зависит от природы уходящей группы и основания. В табл. 10.2 представлены данные по стереохимии Е2-элиминирования для ряда втор-AlkX.