При син-элиминировании из заслоненной конформации транс-алкены образуются в значительно большем количестве, чем их цис-изомеры:

Этот случай был описан ранее в разделе 10.2.4 на примере (децил-5)-триметиламмонийгидроксида, где транс-изомера при син-элиминировании получается в 30 раз больше, чем цис-изомера при син-элиминировании из другой, менее устойчивой конформации. Из этого следует, что син-элиминирование отличается от анти-элиминирования гораздо более высокой стереоселективностью в отношении конфигурации получающегося алкена.

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

Реагент Y: или растворитель может действовать и как нуклеофил по отношению к атому углерода, и как основание по отно­шению к атому водорода при соседнем углеродном атоме. Поэтому реакции нуклеофильного замещения и элиминирования конкурируют друг с другом. В мономолекулярном процессе -El-механизм конкурирует с S_Nl-механизмом замещения. Действительно, первая стадия в механизме E1 совпадает с первой ста-дией механизма S_Nl и заключается в ионизации субстрата с образованием карбокатиона. Во второй стадии Е1-процесса растворитель отщепляет протон от -углеродного атома, тогда как при S_N1- механизме происходит атака растворителя по положительно заряженному атому углерода. Это составляет единственное различие двух родственных реакций - отщепления и замещения. Как уже было отмечено ранее, для карбокатионов скорость «захвата» нуклеофильного агента превышает скорость депротонирования, т.е. S_Nl > E1, и это соотношение практически не удается изменить заменой растворителя или нуклеофильного агента. Более сильный нуклеофил способствует замещению, а более сильное основание вызывает изменение механизма эли­минирования с мономолекулярного Е1 на бимолекулярный Е2. Изменение в соотношении продуктов S_Nl-замещения и E1-элиминирования может быть достигнуто в ионизирующих, полярных и ненуклеофильных растворителях, таких, как трифторметансульфокислота, и суперкислотах FSO₃Н-SbF₅, SO₂ClF-SbF₅ или в тех случаях, когда карбокатионный центр стерически пол­ностью блокирован разветвленными алкильными группами.

Соотношение продуктов S_N2-замещения и E2-элиминирования зависит от целого ряда факторов, важнейшими из кото­рых являются природа радикала в RX и основания, выполняющего одновременнои роль нуклеофильного агента. Более сильные основания способствуют E2-элиминированию, а более сильные нуклеофильные агенты - S_N2-замещению:

Эту закономерность легко проследить на примере З-бром-2-ме-тилбутана. С хлорид-ионом -Е2-элиминирование и S_N2-замещение идут с равными скоростями, но с ацетат-ионом и особенно с этилат-ионом элиминирование становится главным или даже единственным направлением реакции. Применение более сильных, пространственно затрудненных оснований - (СН₃)₃СОК, (С₂H₅)₃СОК, (изо-С₃Н₇)₂NLi - для вторичных алкилгалогенидов и алкилсульфонатов резко смещает направление реакции в сторону элиминирования, а для третичных RX E2-элиминирование становится единственным направлением реакции:

Одновременно происходит изменение направления отщепления, которое для этих оснований определяется правилом Гофмана:

Для того чтобы главным направлением реакции стало элиминирование по Зайцеву, для третичных алкилгалогенидов и циклоалкилгалогенидов в качестве дегидрогалогенирующего агента необходимо использовать хлорид лития, фторид калия в диполярных апротонных растворителях - ДМФА, ГМФТА или ДМСО:

Для вторичных алкилгалогенидов и сульфонатов для элиминирования по Зайцеву в качестве основания следует применять соли триметилуксусной (пивалиновой) кислоты или другой стерически затрудненной кислоты. Эти основания практически лишены свойств нуклеофильного реагента, так как кислородный центр карбоксилат-иона триметилуксусной кислоты пространственно блокирован для атаки по sp³-гибридизованному атому углерода, и Е2-элиминирование становится практически единственным направлением реакции:

Первичные алкилгалогениды подвергаются дегидрогалогенированию и дают алкены в качестве главного продукта только при использовании в качестве основания пространственно затрудненных третичных аминов, таких, как, например, этилдиизопропиламин (изо-С₃Н₇)₂LiС₂Н₂ или диизопропиламид лития:

Еще более эффективными дегидрогалогенирующими агентами являются бициклические азотистые основания — 1,5-диазабицикло[4,3,0]нонен-5 (ДБН) и особенно 1,8-диазабицикло[5,4,0]ундецен-7 (ДБУ):

Стерически затрудненные алкоголят-ионы также способствуют дегидрогалогенированию первичных алкйлгалогенидов, однако с алкилсульфонатами реализуется только S_N2-замещение:

Структурные факторы в субстрате также играют решающую роль в конкуренции S_N2-замещения и Е1 -элиминирования. Замещение атомов водорода при -углеродном атоме на алкильные группы изменяет направление реакции в сторону Е2-элиминирования под действием самых разнообразных оснований в ряду первичный < вторичный < третичный (гл. 9, ч. 1). Разветвление при -углеродном атоме также повышает степень E2-элиминирования по сравнению с S_N2-замещением. Это связано со стерическими препятствиями для нуклеофильной атаки стерически затрудненного -замещенного алкилгалогенида. Данные, представленные в табл. 10.3, наглядно иллюстрируют конкуренцию Е2- и S_N2-реакций для различных алкилбромидов.

Разветвления при -углеродном атоме, как это следует из данных табл. 10.3, способствуют E2-элиминированию, поскольку скорость S_N2-замещения резко уменьшается, в то время как скорость Е1-элиминирования изменяется незначительно. Электроноакцепторные группы в -положении повышают скорость E2-элиминирования, и выход стирола при взаимодействии С_бН₅СН₂СН₂Вг с этилатом натрия в этаноле при 55°С более чем втрое превышает выход пропилена из 1-бромпропана в тех же условиях.

Таблица 10.3

Влияние разветвления при - и -углеродных атомах. на соотношение продуктов S_N2-замещення и Е2-элиминирования в реакции алкилбромидов с этилатом натрия в этаноле

На соотношение продуктов S_N2-замещения и Е2-элиминирования оказывает влияние также температура. При повышении температуры скорость реакции отщепления возрастает намного быстрее по сравнению со скоростью замещения.

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

Предыдущие разделы этой главы посвящены реакциям эли­минирования, протекающим по гетеролитическому, ионному механизму. Известно немало примеров реакций, для которых характерен совершенно иной механизм элиминирования. Так, например, сложные эфиры карбоновых кислот при нагрева­нии до 400-600^oС в отсутствие каких-либо реагентов подвергаются пиролизу в газовой фазе с образованием алкенов и карбоновых кислот:

Для этой реакции предложен согласованный механизм Е_i с шестизвенной циклической структурой переходного состояния, где разрыв старых и образование новых связей происходят согласованно в одну стадию. Описанию механизма подобного рода перициклических реакций посвящена гл. 25 (ч. 4). Здесь мы ограничимся лишь кратким описанием синтетических возможностей этого метода получения алкенов. Направление элиминирования при пиролизе сложных эфиров ациклического ряда не отличается высокой региоселективностью и часто носит статистический характер, т.е. определяется числом атомов водорода при -углеродных атомах. Так, например, при пиро­лизе втор-бутилацетата получается 55-62% бутена-1 и 38-45% бутена-2, что близко к соотношению 3:2 по числу имеющихся атомов водорода при двух -углеродных атомах:

Для син-элиминирования карбоновой кислоты необходимо на­личие атома водорода при -углероде в цис-положении по отношению к сложноэфирной группе. В ациклических соединениях это легко достигается в результате вращения вокруг простой углерод-углеродной связи обеих алкильных групп в -положении. Однако для сложных эфиров циклических спиртов, когда свободное вращение невозможно, отщепляется атом водорода в цис-положении к сложноэфирной группе, и реализуется син-элиминирование карбоновой кислоты. В ментилацетате имеются два атома водорода в цис-положении с обеих сторон по отношению к ацетоксигруппе, и при термическом отщеплении уксусной кислоты от ментилацетата образуется смесь двух изомерных ментенов в соотношении 65:35, что резко отличает этот тип элиминирования от гетеролитического стереоспецифического анти- элиминирования НСl из ментилхлорида при действии основания, где образуется исключительно ментен-2:

Таким образом, и для циклических сложных эфиров не на­блюдается какой-либо определенной региоселективности. Пиролитическое разложение сложных эфиров карбоновых кислот имеет препаративное значение в том случае, когда возможно образование лишь одного алкена без примеси изомерных продуктов, например:

Для получения высших алкенов-1 с числом углеродных атомов более десяти наилучшие результаты достигаются при пиролизе спирта в смеси с уксусным ангидридом: