Реакции β-элиминирования

T Vasilieva
Реакции β-элиминирования
Лекция 10
T Vasilieva
Реакции элиминирования
Реакции элиминирования (отщепления) – реакции, при которых
происходит расщепление тех или иных связей в молекуле с
образованием новых устойчивых молекул, стабильных или
нестабильных частиц, например, ненасыщенных соединений,
циклов, радикалов, бирадикалов и др.
T Vasilieva
Типы реакций элиминирования
α-Элиминирование
α
C
C:
H
-HX
X
β-Элиминирование
β
C
карбен
α
C
-HX
H
X
алкен
γ-Элиминирование
γ
C
β α
C C
-HX
H
X
трехчленный цикл
T Vasilieva
β-Элиминирование
-
β-Элиминирование (Е) – отщепление протона и группы Х от
соседних атомов углерода с образованием кратной углеродуглеродной связи
β α
C
C
-HX
H
X
Атом углерода, от которого отщепляется группа Х
-
- α-атом
Атом углерода, от которого отщепляется протон – β-атом
T Vasilieva
Электронные переходы при βэлиминировании
1
H
2
X
3
Y:
C
C
• Мономолекулярный механизм Е1 – двухстадийный процесс, переход 3 осуществляется
раньше переходов 1 и 2
• Бимолекулярный механизм Е2 – одновременные электронные переходы
• Мономолекулярное отщепление по сопряженному основанию Е1сВ –
двухстадийный процесс, переход 1 предшествует переходам 2 и 3
T Vasilieva
Бимолекулярное β-элиминирование
(E2)
X
c
α
C
a
b
β
C
a
d
H
X
C
-
b
Nu
Y
a
c
C
d
H
Y
Nu
c
C
b
Переходное
состояние
+
C
d
переходное
состояние
Еа
Скорость реакции = k[субстрат][Y-]
Реакция второго порядка
субстрат
продукт
Характерна для первичных и вторичных
галогеноалканов с небольшими по объему
заместителями у реакционных центров
Координата реакции
HNu
HY
+
X
-
T Vasilieva
Конкуренция реакций SN2 и Е2
-
Y
+
H C
C
δ-
X
Y
H
C
C
δ-
X
HY
+
C
C
+
X-
E2
H
C
-
Y
+
H C
C
δ-
X
Y
C
δ-
X
Y
C
CH
+X-
SN2
E2
Y-
Y-
X
δ+
H
δ+
CH
CH
δ+
H
Реагент со свободной парой электронов действует как
нуклеофил → реакция SN2
CH2
Y-
Направление атаки управляется основностью Y- высокая основность благоприятствует
элиминированию
SN2
Реагент со свободной парой электронов действует как
основание → реакция E2
T Vasilieva
Стереоспецифичность реакций Е2
H
C6H 5
H
Br
CH3
анти-элиминирование
C6H5
H
:Y
Ξ
C6H 5
CH3
C6 H5
C6H 5
H
H
CH3
C6 H5
Br
(Z)-1,2-дифенилпропен
(1R, 2R)-1-бромо-1,2-дифенилпропан
Антиперипланарная
конформация субстрата
H
C6H5
H
CH3
H
Br
Ξ
CH3
C6H5
:Y
C6H5
H
C6H5
Br
(1R, 2S)-1-бромо-1,2-дифенилпропан
C 6H5
анти-элиминирование H C
3
H
C6H5
(Е)-1,2-дифенилпропен
Переходное состояние более затруднено, чем исходное. Скорость реакции Е2 уменьшается при увеличении объема заместителей.
T Vasilieva
Мономолекулярное β-элиминирование
(E1)
Двухстадийная реакция с промежуточным образованием карбокатиона
1
2
H
X
3
δ-
H
Y:
C
C
C
δ+
X
H
C
C
+ Nu
H
H3C
C
CH3
Br
2-бромопропан
- Br -
H
H3C
H
H3C
медленная стадия
C
+
C
C
CH3
SN1
CH2
E1
Nu
α
+
β
CH2
H
-H
H
+
H3C
C
пропен
T Vasilieva
Механизм образования пропена из 2бромопропана
H
+
H
H
C
H3C
-H
C
+
H
H
Вид сбоку
H
H
C
H3C
C
H
H
H
CH3
H
-H
+
H
H
Вид с конца молекулы
Свободная орбиталь положительно заряженного атома углерода и
расщепляемая связь С-Н должны находиться в одной плоскости
H
CH3
T Vasilieva
Стереоспецифичность реакций Е1
CH3CH2
CH
CH3
- HBr
Br
CH3CH
CHCH3
транс > цис
+
H3CH2CHC
>>
+
+
H
H
- H+
H
H
CH2
CH3
CH3
СН3-группы сближены,
большая энергия цискомплекса
цис
- H+
H
CH3
CH3
H
транс
T Vasilieva
Энергетическая диаграмма реакции
Е1
H3C
CH3
H3C
+
H3C
CH3
Cl
H3C
CH2
H2 C
H
-
H3C
OH
Еа
Скорость реакции = k[субстрат]
Еа2
Еа1
карбокатион
Реакция первого порядка
Скорость реакции не зависит от концентрации
основания
Координата реакции
T Vasilieva
Региоспецифичность реакций βэлиминирования I
Правило Зайцева:
В большинстве реакций дегидрогалогенирования атом
водорода отщепляется преимущественно от соседнего
наименее гидрогенизированного атома углерода
атака по Сβ-Н
H
H
C
H
Br
β’
C
H
H
C
H
2-бромобутан
β
CH3
Продукт по Зайцеву
H3C
CH
CH3
2-бутен
81%
C2H5O- HBr, - C2H5OH
CH
атака по Сβ’-Н
Продукт по Гофману
H2C
CH
CH2
CH3
1-бутен
19%
Увеличение числа алкильных групп при двойной связи повышает ее стабильность. Поэтому в тех случаях,
когда выполняется правило Зайцева, следует ожидать образования наиболее замещенного алкена
T Vasilieva
Региоспецифичность реакций βэлиминирования II
1) Дегидрогалогенирование алкилгалогенидов
CH3
CH3
H3C
CH
C
CH3
CH3
- HBr
2-бромо-2,3-диметилбутан
H3C
C
CH3
C
C
CH3
CH3
CH2
CH
CH2
CH3
2,3-диметилбутен-1
21%
Br
CH3
H3C
CH3
- HBr
H3C
C
«антизайцевские»
алкены
CH3
CH2
C
CH2
CH3
Br
2,3,3-триметилпентен-1
86%
2-бромо-2,3,3-триметилпентан
2) Элиминирование третичного амина из четвертичных аммониевых солей
+
(CH3)3N
CH
CH3
CH2
CH3
-
(CH3)3N
OH
- H2O
+
H2C
CH
бутен-1
95%
CH2
CH3
+ H3C
CH
CH
бутен-2
5%
CH3
T Vasilieva
Элиминирование третичного амина из
четвертичных аммониевых солей:
элиминирование по Гофману
+
(CH3)3N
а
CH
б
CH2
-
CH3
(CH3)3N
OH
- H2O
CH3
H2C
CH
CH2
CH3
+ H3C
бутен-1
95%
+
C2H5
Для связи «а»
+
N (CH3)3
H
CH3
CH
CH
CH3
бутен-2
5%
Для связи «б»
+
H
H
N (CH3)3
H
H
H
H
CH3
H
CH3
H
C2H5
H
H
+
N (CH3)3
H
CH3
H
H
+
N (CH3)3
не существует выгодной
конформации с
«трансоидным»
расположением
фрагментов, поэтому
элиминирование по
правилу Зайцева не идет
T Vasilieva
Региоспецифичность реакций βэлиминирования IV
Правило Гофмана:
При разложении аммониевых, сульфониевых,
фосфониевых и т.п. солей с наибольшим выходом
образуется наименее замещенный алкен
H3C
-
CH
CH
CH3
+
H3C
H3C
CH
нагревание
CH
CH2
H3C
S
H3C
H3C
OH
+
C
CH
CH3
+
H3C
S
CH3
H3C
CH3
преобладает
Реакция протекает по правилу Гофмана с соединениями, в которых уходящая
+
+
группа положительно заряжена (-NR3, -SR2)
T Vasilieva
Региоспецифичность реакций βэлиминирования: влияние размера
основания
EtO- / t-BuOCH3CH2
CH
Br
CH3
CH3CH2
CH
CH2
19%
или
53%
Увеличение объема основания приводит к увеличению доли наименее замещенного
алкена в продуктах дегидрогалогенировния
T Vasilieva
Мономолекулярное элиминирование
по сопряженному основанию Е1cB
Y
H
C
C
-..
X
C
быстро
C
-X
X
C
медленно
C
карбанион
α-элиминирование (образование галогенкарбенов из полигалогеналканов)
Cl
OH
H
C
-
Cl
Cl
..-
C
Cl
быстро
Cl
Cl
хлороформ
трихлорметил-анион
conjugate base - сопряженное основание
- Cl
-
медленно
Cl
..
C
Cl
дихлорокарбен
полимер
T Vasilieva
Региоспецифичность реакций Е1cB
+
-H
H3C
C
CH2
CH
CH3
H3C
C
-
X
O
X
O
-
X
O
CH
CH
CH3
CH
CH
CH3
+
H3C
C
CH
CH
+H
O
-
-X
H3C
C
В реакциях Е1сВ образуется алкен, двойная связь которого сопряжена с двойной
связью стабилизирующей группы (обладает –М-эффектом)
CH3
T Vasilieva
Факторы, влияющие на скорость
реакций β-элиминирования
1)
Строение субстрата
2)
Свойства уходящей группы
3)
Свойства основания
4)
Полярность растворителя
T Vasilieva
Влияние строения субстрата на
скорость β-элиминирования
1) Реакции Е1
H
β
Заместители с +I при Сα или Сβ ускоряют Е1
α
C
+
C
Заместители с +М при Сα ускоряют Е1
Заместители с +М при Сβ замедляют Е1 (не могут сопрягаться с вакантной р-орбиталью
карбокатиона и дестабилизируют карбокатион)
2) Реакции Е1сВ
Заместители с -I (особенно при Сβ) ускоряют Е1сВ
..β
C
C
X
α
Заместители с -М при Сβ сильно ускоряют Е1сВ (сопряжение со свободной электронной
парой карбаниона)
Заместители с -М при Сα слабо ускоряют Е1сВ
3) Реакции Е2
Y
H
β
C
1
Карбокатионный характер переходного состояния см. Е1
α
C
X
Карбанионный характер переходного состояния см. Е1сВ
H
2
X
Y:
C
C
3
T Vasilieva
Влияние уходящей группы и основания
на скорость β-элиминирования
1) Влияние уходящей группы
Чем легче отщепляется уходящая группа Х (т.е. чем слабее основание Х-), тем
быстрее протекают реакции β-элиминирования.
Ускорение уменьшается в ряду механизмов:
Е1 > Е2 >> Е1сВ
2) Влияние основания
Е1: не зависит от природы и концентрации основания (не участвует в скорость
лимитирующей стадии реакции)
Е2: ускорение при увеличении силы основания
Е1сВ: варьирование (от сильной (самая медленная стадия – первая) до слабой (скорости
обеих стадий близки между собой))
T Vasilieva
Влияние полярности растворителя
на скорость β-элиминирования
Если в переходном состоянии заряды более локализованы, чем в
исходном, то увеличение полярности растворителя ускоряет реакцию
Механизм
Исходное
состояние
Е2
Y - + RX
Е2
Y + RX
Е2
Е2
Переходное
состояние
Локализация
зарядов
Влияние полярности
растворителя
δY
H
Слабое замедление
C
δX
Уменьшение
C
δ+
Y
H
C
C
δX
Увеличение
Сильное ускорение
+
Y + RX
δY
H
C
C
δ+
X
Уменьшение
Сильное замедление
Y + RX +
δ+
Y
H
C
C
δ+
X
Уменьшение
Слабое замедление
Е1
RX
Е1
RX
δ+
δ-
Увеличение
Сильное ускорение
δ+
δ+
Уменьшение
Слабое замедление
R
+
R
X
X
T Vasilieva
Резюме. Спектр механизмов реакций
β-элиминирования: Е1, Е2, Е1сВ
Y
β
..C
C
α
δH
δC
Y
β
C
C
X
X
H
H
C
X
Е1сВ
две
стадии
δ-
H
α
C
β
δ+
C
C
C
+
X δ-
δ-
Е1
Е2
увеличение карбанионного характера
Условия преобладания
две
стадии
увеличение карбокатионного характера
согласованный
процесс
Условия преобладания
•Группы, стабилизирующие анионы
•Первичные алкильные субстраты
•Ионизирующие растворители
•Сильные основания
•Хороший нуклеофуг
α
Условия преобладания
•Стабильность катиона (1º<2º<3º)
+
+
•Хороший нуклеофуг (-OH2, -N2)
•Ионизирующие растворители
T Vasilieva
Реакции нуклеофильного замещения
и β-элиминирования в сравнении
1) Элиминированию благоприятствуют высокая температура и сильные основания
+
(например, -NH2). Предпочтительным оказываются Е2 и Е1сВ механизмы.
2) Замещению благоприятствуют хорошие нуклеофуги: RSO3
3) В более полярных растворителях предпочтительно протекают реакции SN2 по
сравнению с Е2: в Е2-реакциях используют спиртовой раствор КОН, в SN2 – водный
раствор КОН
4) Карбокатионы неизменно дают большее количество продукта замещения, чем
элиминирования (SN1>Е1), и это соотношение нельзя изменить путем замены
растворителя
5) Замещение при Сα способствует реакции Е2 в большей степени, чем SN2. Замещение
при Сβ способствует элиминированию. Электроноакцепторные группы (например, Br и
CN) в положении повышают кислотность водорода, связанного с Сβ и способствуют
протеканию реакций Е2 (Е1сВ).
T Vasilieva
Сравнение условий протекания реакций
SN и Е
а – реакции с таким сочетанием протекают слишком медленно, чтобы иметь практическое значение
б – обозначение протонированного спирта
в – повышение температуры способствует протеканию реакции Е2
T Vasilieva
Важнейшие реакции β-элиминирования
1) Дегидратация спиртов
OH
RCH2
CH
H2SO4, t°
CH3
RCH
CH
CH3
- H2O
H
..
RCH2
α
CH
H
β’
CH3
+
H
+
RCH2
CH
быстро
H
O
OH
β
+
медленно
CH3
RCH
..
+
CH
CH3
H2O
- H2O
..
H2O
RCH
CH
CH3
+
H3O
+
Дегидратация вторичных и третичных спиртов: Е1
Дегидратация первичных спиртов: Е1. Для спиртов с доступным для атаки α-атомом углерода не исключен
Е2.
T Vasilieva
Важнейшие реакции β-элиминирования
2) Дегидрогалогенирование
H3C
CH2
CH2
Br
OH
H3C
- HBr
CH
CH2
3) Расщепление четвертичных аммониевых оснований по Гофману
H3C
CH2
CH2
NR3
t°
- NR3
H3C
CH
CH2