Зайцев ережесі: Элиминация реакцияларындағы өнімдерді болжау

Кіріспе

Органикалық химиядағы эмпирикалық ереже
Органикалық химияда Зайцев ережесі (немесе Зайцев ережесі, Сайцеф ережесі, Сайцев ережесі) – жою реакцияларындағы басым алкен өнімдерін болжауға арналған эмпирикалық ереже. Орыс химигі Александр Зайцев Қазан университетінде оқып жүргенде түрлі жою реакцияларын зерттеді және түзілген алкендерде жалпы тенденцияны байқады. Осы тенденцияға сүйене отырып, Зайцев ең көп мөлшерде түзілген алкеннің альфа-көміртегінен сутегінің алынуына сәйкес келетінін, мұнда ең аз сутегі бар екенін ұсынды. Мысалы, 2-иодбутанды спирттік калий гидроксидімен (KOH) өңдегенде, 2-бутен негізгі өнім, ал 1-бутен қосалқы өнім болады. Жалпы алғанда, Зайцев ережесі жою реакциясында ең көп сутегі бар топтармен алмастырылған өнім ең тұрақты және демек, ең басым болады деп болжайды. Бұл ереже жаңа түзілген алкеннің стереохимиясы туралы емес, тек жою реакциясының региохимиясы туралы мәлімдейді. Көптеген жою реакциялары үшін басым өнімді болжауда тиімді болғанымен, Зайцев ережесі көптеген ерекшеліктерге ие. Олардың көпшілігі Хофман өніміне (Зайцев өніміне ұқсас) қатысты ерекшеліктерді қамтиды. Бұларға төртіншілік азотқа ие және NR3+, SO3H сияқты кетуші топтары бар қосылыстар жатады. Мұндай жоюларда Хофман өнімі артықшылыққа ие. Егер кетуші топ фтордан басқа галогендер болса, қалғандары Зайцев өнімін береді.

Тарих

Александр Зайцев ең алғаш рет 1875 жылы Justus Liebigs Annalen der Chemie журналында жою реакцияларының өнімдеріне қатысты өз байқауларын жариялады. Мақалада Зайцевтің шәкірттері жүргізген кейбір түпкілікті зерттеулер болғанымен, ол негізінен әдебиеттерге шолу болды және бұрын жарияланған жұмыстарға көп сүйенді. Онда Зайцев алкил йодты сусыздауда қолайлы аймақтық химияны болжау үшін таза эмпирикалық ереже ұсынды, бірақ бұл ереже басқа да алуан түрлі жою реакцияларына да қолданылады. Зайцевтің еңбегі 20-шы ғасырда кеңінен сілтеме жасалғанмен, оқулықтарда "Зайцев ережесі" термині 1960-шы жылдарда ғана қолданыла бастады. Ол 1873 жылы өз зерттеулерін Қазан университетінде ұсынды. Зайцев бұрынғы жұмыстарында Поповтың 1872 жылғы мақаласын сілтемелеп, Қазан университетінде жұмыс істегендіктен, Попов ұсынған ереже туралы білуі мүмкін. Дегенмен, Зайцевтің 1875 жылғы Liebigs Annalen мақаласында Поповтың еңбегіне ешқандай сілтеме жоқ. Қосылыс атауы Құрылымы Молярлық жылуының гидродагенделуі (kJ/mol) (kcal/mol) Субституция дәрежесі Этилен H2C=CH2 137 32,8 Субституцияланбаған 1-Бутен 127 30,3 Моносубституцияланған транс-2-Бутен 116 27,6 Дисубституцияланған 2-Метил-2-бутен 113 26,9 Трисубституцияланған 2,3-Диметил-2-бутен 111 26,6 Тетрасубституцияланған Қосымша субституциялармен байланысты тұрақтылықтың артуы бірнеше факторлардың нәтижесі болып табылады. Алкил топтары индуктивті әсер арқылы электрон беретін болып табылады және алкеннің сигма байланысындағы электрон тығыздығын арттырады. Сонымен қатар, алкил топтары стериялық жағынан үлкен және бір-бірінен алыс болғанда ең тұрақты болады. Алкан үшін максималды арақашықтық тетраэдрлік байланыс бұрышына, яғни 109,5°-қа тең. Алкенде байланыс бұрышы шамамен 120°-қа дейін өседі. Нәтижесінде, алкил топтарының арасындағы арақашықтық ең көп субституцияланған алкенде ең үлкен болады. Гиперконъюгация, алкил тобының ЖОО (HOMO) мен қос байланыстың БЖО (LUMO) арасындағы тұрақтандыратын өзара әрекеттесуді сипаттайды және алкил субституцияларының алкендердің тұрақтылығына әсерін түсіндіруге көмектеседі. Орбиталық гибридтендіруге келетін болсақ, sp2 көміртегі мен sp3 көміртегі арасындағы байланыс екі sp3 гибридтелген көміртегі арасындағы байланыстан күштірек. Есептеулер алкил тобы үшін 6 ккал/моль болатын басым тұрақтандыратын гиперконъюгациялық әсерді көрсетеді.

Alexander Zaytsev first published his observations regarding the products of elimination reactions in Justus Liebigs Annalen der Chemie in 1875. Although the paper contained some original research done by Zaytsev's students, it was largely a literature review and drew heavily upon previously published work. In it, Zaytsev proposed a purely empirical rule for predicting the favored regiochemistry in the dehydrohalogenation of alkyl iodides, though it turns out that the rule is applicable to a variety of other elimination reactions as well. While Zaytsev's paper was well referenced throughout the 20th century, it was not until the 1960s that textbooks began using the term "Zaytsev's rule". and presented his findings at the University of Kazan in 1873. Zaytsev had cited Popov's 1872 paper in previous work and worked at the University of Kazan, and was thus probably aware of Popov's proposed rule. In spite of this, Zaytsev's 1875 Liebigs Annalen paper makes no mention of Popov's work. Compound Name Structure Molar Heat of Hydrogenation Degree of Substitution in kJ/mol in kcal/mol Ethylene H2C=CH2 137 32.8 Unsubstituted 1 Butene 127 30.3 Monosubstituted trans 2 Butene 116 27.6 Disubstituted 2 Methyl 2 butene 113 26.9 Trisubstituted 2,3 Dimethyl 2 butene 111 26.6 Tetrasubstituted

The increase in stability associated with additional substitutions is the result of several factors. Alkyl groups are electron donating by inductive effect, and increase the electron density on the sigma bond of the alkene. Also, alkyl groups are sterically large, and are most stable when they are far away from each other. In an alkane, the maximum separation is that of the tetrahedral bond angle, 109.5°. In an alkene, the bond angle increases to near 120°. As a result, the separation between alkyl groups is greatest in the most substituted alkene. Hyperconjugation, which describes the stabilizing interaction between the HOMO of the alkyl group and the LUMO of the double bond, also helps explain the influence of alkyl substitutions on the stability of alkenes. In regards to orbital hybridization, a bond between an sp2 carbon and an sp3 carbon is stronger than a bond between two sp3 hybridized carbons. Computations reveal a dominant stabilizing hyperconjugation effect of 6 kcal/mol per alkyl group.

Стериялық әсерлер

E2 жою реакциясында база халоид сияқты шығып кететін топқа жақын бета-протонды абстракциялайды. Протонның алынуы және шығып кететін топтың жоғалуы бірдей, бірлескен қадамда жаңа қос байланыстың түзілуіне әкеледі. E2 жою үшін натрий гидроксиді, натрий метоксиді немесе натрий этиоксиді сияқты кішкентай, кедергісіз база қолданғанда, Хофманн өнімі деп аталатын ең аз алмастырылған алкенге қарағанда Зайцев өнімі әдетте артықшылыққа ие. Мысалы, 2-бром-2-метилбутанды этанолда натрий этиоксидімен өңдегенде Зайцев өнімі орташа селективтілікпен түзіледі. Стерикалық өзара әрекеттесулерге байланысты, калий трет-бутоксиді, триэтиламин немесе 2,6-лютидин сияқты көлемді базалар Зайцев өнімін түзіретін протонды оңай абстракциялай алмайды. Мұндай жағдайларда, стерикалық кедергісі аз протонды абстракциялауға басымдық беріледі. Нәтижесінде, көлемді базаларды қолданғанда Хофманн өнімі көбінесе артықшылыққа ие болады. 2-бром-2-метилбутанды натрий этиоксиді орнына калий трет-бутоксидімен өңдегенде Хофманн өнімі артық түзіледі. Субстраттың ішкі стерикалық өзара әрекеттесулері Зайцев өнімінің түзілуіне де кедергі келтіреді. Бұл ішкі өзара әрекеттесулер аминдерді алкендерге айналдыратын Хофманн жою реакциясындағы өнімдердің таралуына қатысты. Хофманн жою кезінде төртінші аммоний йодиді тұзын күміс оксидімен өңдеу гидроксид иондарын түзеді, олар база ретінде әрекет етеді және үшіншілік аминнің жоюына алып келіп, алкенді түзеді. Хофманн жоюында ішкі стерикалық өзара әрекеттесулерге байланысты ең аз алмастырылған алкен әдетте артықшылыққа ие. Төртінші аммоний тобы үлкен, сондықтан молекуланың қалған бөлігіндегі алкил топтарымен өзара әрекеттесулерге ұмтылу қажет емес. Нәтижесінде, Зайцев өнімінің түзілуіне қажетті конформация Хофманн өнімінің түзілуіне қажетті конформациядан энергиялық тұрғыдан аз қолайлы. Осының салдарынан Хофманн өнімі басым түзіледі. Коп жоюы принцип бойынша Хофманн жоюына өте ұқсас, бірақ ол жұмсақ жағдайларда жүзеге асады. Ол да Хофманн өнімінің түзілуін ұсынады, және осы себептерге байланысты.

In E2 elimination reactions, a base abstracts a proton that is beta to a leaving group, such as a halide. The removal of the proton and the loss of the leaving group occur in a single, concerted step to form a new double bond. When a small, unhindered base – such as sodium hydroxide, sodium methoxide, or sodium ethoxide – is used for an E2 elimination, the Zaytsev product is typically favored over the least substituted alkene, known as the Hofmann product. For example, treating 2 Bromo 2 methyl butane with sodium ethoxide in ethanol produces the Zaytsev product with moderate selectivity. Due to steric interactions, a bulky base – such as potassium tert butoxide, triethylamine, or 2,6 lutidine – cannot readily abstract the proton that would lead to the Zaytsev product. In these situations, a less sterically hindered proton is preferentially abstracted instead. As a result, the Hofmann product is typically favored when using bulky bases. When 2 Bromo 2 methyl butane is treated with potassium tert butoxide instead of sodium ethoxide, the Hofmann product is favored. Steric interactions within the substrate also prevent the formation of the Zaytsev product. These intramolecular interactions are relevant to the distribution of products in the Hofmann elimination reaction, which converts amines to alkenes. In the Hofmann elimination, treatment of a quaternary ammonium iodide salt with silver oxide produces hydroxide ions, which act as a base and eliminate the tertiary amine to give an alkene. In the Hofmann elimination, the least substituted alkene is typically favored due to intramolecular steric interactions. The quaternary ammonium group is large, and interactions with alkyl groups on the rest of the molecule are undesirable. As a result, the conformation necessary for the formation of the Zaytsev product is less energetically favorable than the conformation required for the formation of the Hofmann product. As a result, the Hofmann product is formed preferentially. The Cope elimination is very similar to the Hofmann elimination in principle but occurs under milder conditions. It also favors the formation of the Hofmann product, and for the same reasons.

Стереохимия

Кейбір жағдайларда бастапқы материалдың стереохимиясы Зайцев өнімінің түзілуіне кедерес жасайды. Мысалы, ментил хлоридін натрий этиоксидімен өңдегенде, Хофман өнімі ғана түзіледі, бірақ өте төмен өнімділікпен:

Бұл нәтиже бастапқы материалдың стереохимиясымен байланысты. E2 жою реакциясы үшін антиперипланарлық геометрия қажет, онда протон және кететін топ C-C байланысының қарама-қарсы жақтарында, бірақ бір жазықтықта орналасады. Ментил хлоридін кресло конформациясында көрсеткенде, ерекше өнім таралуын түсіндіру оңай. Зайцев өнімінің түзілуі үшін 2-орында жою қажет, бірақ изопропил тобы – протон емес – хлорид тобына қатысты антиперипланарлық жағдайда болады; бұл 2-орында жоюды мүмкінсіз етеді. Хофман өнімінің түзілуі үшін 6-орында жою жүзеге асуы керек. Осы орындағы протонның кететін топқа қатысты дұрыс бағыты болғандықтан, жою реакциясы жүреді. Нәтижесінде, бұл реакция тек Хофман өнімін ғана береді.