Направление отщепления

Е сли атом углерода, несущий отщепляемую группу Х, имеет два или три соседних углеродных атома, содержащих С-Н–связи, возможно образование нескольких изомерных алкенов. Направление отщепления в этом случае определяется правилом Зайцева, согласно которому водород предпочтительно отщепляется от наименее гидрированного атома углерода с образованием разветвленного алкена. Например, при щелочном дегидробромировании 3-бром-2,3-диметилпентана доминирующим продуктом реакции будет 2,3-диметилпентен-2

В основе такого направления отщепления лежит более высокая термодинамическая стабильность разветвленных алкенов.

Правило Зайцева применимо к реакциям, протекающим и по Е1 и по Е2-механизмам.

В несимметричных дигалогенэтанах направление отщепления также соответствует правилу Зайцева. Однако в этом случае в основе его лежит более высокая кислотность атомов водорода при наименее гидрированном, углеродном атоме из-за наличия у него большего числа электрноакцепторных заместителей

При разложении четвертичных аммониевых и сульфониевых соединений направление отщепления противоположное и определяется правилом Гофмана, согласно которому водород отщепляется от наиболее гидрированного атома углерода, в результате чего образуется менее разветвленный алкен:

Такой порядок расщепления связан с близостью механизмов этих реакций к механизму Е1_св. В переходном состоянии записанной реакции связь С-Н ослаблена сильнее, чем связь С-N, и промежуточный карбанион (или близкое к нему по структуре переходное состояние) оказывается менее дестабилизированным алкильными группами при образовании менее разветвленного алкена.

Конкуренция реакций нуклеофильного замещения и отщепления и роль изомеризации

Е сли структура субстрата делает возможным его расщепление, эта реакция всегда конкурирует с замещением. Очевидно, что состав продуктов будет зависеть от соотношения скоростей этих конкурирующих реакций, определяемых различными факторами. При конкуренции S_N1– и Е1-реакций

cостав продуктов не зависит от общей скорости и определяется соотношением констант скоростей быстрых стадий k₁/k₂. На состав продуктов не влияют ни способ образования карбкатиона, ни природа отщепляемой группы Х, что может служить подтверждением S_N1– и Е1-механизма.

Удлинение и разветвление алкильной группы в исходном соединении приводит к росту доли алкена в продуктах реакции при конкуренции S_N1– и Е1-механизмов. Это объясняется большей стабилизацией переходного состояния образования более разветвленного алкена из-за его высокой термодинамической стабильности. переход к более сольватирующей среде способствует увеличению удельного веса продукта замещения, так как переходное состояние быстрой стадии реакции S_N1 характеризуется большей степенью локализации заряда

(RCH₂)₃C^+… O^H₂

чем переходное состояние конкурирующей с ней реакции отщепления

Благодаря этому первое сольватируется сильнее, что приводит к большему понижению энергетического барьера реакции замещения.

При конкуренции реакций S_N2 и Е2

удлинение и разветвление алкильного радикала субстрата приводит к увеличению доли продукта отщепления, как и в случае конкуренции S_N1–E1. В основе такого влияния лежат две причины: более высокая термодинамическая стабильность разветвленных алкенов и возрастание стерических препятствий в реакции S_N2 с увеличением размера алкильной группы субстрата. В то же время в реакции отщепления Е2 атака основания направлена на периферийный атом водорода и практически не имеет стерических препятствий. Из приведенных соображений следует, что при переводе механизма из S_N1– Е1 в S_N2– Е2 должен повышаться выход продукта отщепления.

В реакции S_N2 по сравнению с Е2 переходное состояние характеризуется большей поляризацией отрицательного заряда, поскольку в случае S_N2 заряд распределен по трем атомам, а в случае Е2 – по пяти. Поэтому при переходе к более сольватирующему растворителю энергия переходного состояния S_N2 будет понижаться в большей степени, чем энергия переходного состояния Е2, что приводит к увеличению доли продукта замещения. Наоборот, при использовании неполярных апротонных растворителей увеличивается выход алкена.

Важным фактором регулирования состава продуктов замещения-отщепления является температура. Как правило, энергия активации реакции отщепления (Е2) выше, чем энергия активации замещения (S_N2). Поэтому увеличение температуры приводит к увеличению веса продукта отщепления. Понижение температуры приводит к противоположному результату. В случае конкуренции S_N1– Е1 температура в меньшей степени влияет на состав продуктов, так как различия в энергиях активации конкурирующих реакций из-за их экзотермичности существенно ниже.

Большое значение в конкуренции реакций замещения и отщепления имеет природа нуклеофильного реагента. Успех реакций S_N2 определяется его сродством к углеродному атому, имеющему частичный положительный заряд, т.е. нуклеофильностью. При Е2- и Е1_св-отщеплении нуклеофил атакует положительно заряженный атом водорода и его активность определяется его основностью. Различие между нуклеофильностью и основностью часто является очень большим и это во многом определяет направление реакции. Для таких сильных оснований, как едкие щелочи и третичные амины наиболее характерны реакции отщепления, что обусловливает их практическое применение для процессов дегидрохлорирование. Наоборот, для относительно сильных нуклеофилов, но слабых оснований (HS^–, RS^–, ArO^–, NH₃, Br^–, J^–) преобладающим направлением является замещение. Этим пользуются при промышленном гидролизе хлорпроизводных в спирты, когда применение едких щелочей дает слишком большой выход алкенов. Замена щелочей на более слабое основание (карбонат натрия, его буферные смеси со щелочью или бикарбонат натрия) позволяет существенно повысить выход спиртов.

В случае конкуренции S_N1– Е1, различия в нуклеофильности и основности не играют такой существенной роли по двум причинам: во-первых, нуклеофильная атака центрального атома углерода карбкатиона не встречает серьезных стерических препятствий из-за плоского строения последнего; во-вторых, быстрая стадия реакции S_N1 в значительной степени определяются зарядовым контролем, в котором роль основности существенно возрастают.

Таким образом, преимущественному замещению способствует менее разветвленная структура алкильной группы в исходном соединении, высокая нуклеофильность реагента по сравнению с его основностью, большая сольватирующая способность среды и умеренная температура. Очевидно, что отщеплению благоприятствуют противоположные условия.

Кроме рассмотренной конкуренции реакций реакции S_N1 и Е1 могут сопровождаться побочными реакциями изомеризации. причина этих реакций состоит в том, что промежуточно образующийся карбкатион, прежде чем прореагировать с соответствующими нуклеофилом, способен к внутримолекулярной стабилизации за счет миграции к заряженному атому углерода отдельных атомов или групп.

В результате образуется новый карбкатион (или несколько карбкатионов), который при последующей реакции с нуклеофилом дает смесь продуктов замещения и отщепления. Подобные перегруппировки могут осуществляться следующими путями: