Правило Зайцева в органической химии

Введение

Эмпирическое правило в органической химии
В органической химии правило Зайцева (или правило Зайцева, правило Сайцеффа, правило Сайцева) — это эмпирическое правило для предсказания преобладающего продукта(ов) алкена в реакциях элиминирования. Работая в Казанском университете, русский химик Александр Зайцев изучал различные реакции элиминирования и заметил общую закономерность в получаемых алкенах. Основываясь на этой закономерности, Зайцев предположил, что алкен, образующийся в наибольшем количестве, соответствует отщеплению водорода от альфа-углерода с наименьшим числом водородных заместителей. Например, при обработке 2-иодбутана спиртовым раствором гидроксида калия (KOH) основным продуктом является 2-бутен, а побочным – 1-бутен. В более общем виде правило Зайцева предсказывает, что в реакции элиминирования наиболее замещенный продукт будет наиболее стабильным и, следовательно, наиболее предпочтительным. Правило не делает обобщений относительно стереохимии образующегося алкена, а касается только региохимии реакции элиминирования. Хотя правило Зайцева эффективно предсказывает преобладающий продукт во многих реакциях элиминирования, оно имеет множество исключений. Многие из них связаны с продуктом Хофмана (аналогичным продукту Зайцева). К ним относятся соединения, содержащие четвертичный азот и уходящие группы, такие как NR3+, SO3H и т.д. В этих реакциях элиминирования предпочтительным является продукт Хофмана. Если уходящей группой являются галогены, за исключением фтора, то образуется продукт Зайцева.

История

Александр Зайцев впервые опубликовал свои наблюдения относительно продуктов реакций элиминирования в журнале Justus Liebigs Annalen der Chemie в 1875 году. Хотя в статье содержались некоторые оригинальные исследования, выполненные студентами Зайцева, она в основном представляла собой обзор литературы и в значительной степени опиралась на ранее опубликованные работы. В ней Зайцев предложил чисто эмпирическое правило для прогнозирования предпочтительной региохимии при дегидрогалогенировании алкилгалогенидов, хотя оказалось, что это правило применимо и к различным другим реакциям элиминирования. Статья Зайцева широко цитировалась на протяжении всего XX века, однако термин "правило Зайцева" начали использовать в учебниках только в 1960-х годах. Зайцев представил свои результаты в Казанском университете в 1873 году. Зайцев ссылался на работу Попова 1872 года в своих предыдущих работах и работал в Казанском университете, поэтому, вероятно, был знаком с предложенным Поповым правилом. Тем не менее, в статье Зайцева, опубликованной в Liebigs Annalen в 1875 году, нет упоминания о работе Попова.

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.

Наименование соединения | Структура | Молярная теплота гидрирования | Степень замещения | в кДж/моль | в ккал/моль
---|---|---|---|---|---
Этилен | H2C=CH2 | 137 | 32,8 | Незамещенный |
1-Бутен | | 127 | 30,3 | Монозамещенный |
*транс*-2-Бутен | | 116 | 27,6 | Диссубституированный |
2-Метил-2-бутен | | 113 | 26,9 | Трисубституированный |
2,3-Диметил-2-бутен | | 111 | 26,6 | Тетрассубституированный |

Увеличение стабильности, связанное с дополнительными заместителями, обусловлено несколькими факторами. Алкильные группы являются донорами электронов по индуктивному эффекту и увеличивают электронную плотность сигма-связи алкена. Кроме того, алкильные группы стерически объемны и наиболее стабильны, когда находятся на максимальном расстоянии друг от друга. В алкане максимальное расстояние соответствует тетраэдрическому углу связи, 109,5°. В алкене угол связи увеличивается почти до 120°. В результате расстояние между алкильными группами максимально в наиболее замещенном алкене. Гиперконъюгация, описывающая стабилизирующее взаимодействие между ВНМО алкильной группы и НСМО двойной связи, также помогает объяснить влияние алкильных заместителей на стабильность алкенов. Что касается орбитальной гибридизации, связь между атомами углерода sp2 и sp3 прочнее, чем связь между двумя атомами углерода sp3. Расчеты показывают, что доминирующий стабилизирующий эффект гиперконъюгации составляет 6 ккал/моль на одну алкильную группу.

Стерические эффекты

В реакциях E2-элиминирования основание отщепляет протон, находящийся в бета-положении к уходящей группе, такой как галогенид. Отщепление протона и потеря уходящей группы происходят в одном согласованном этапе с образованием новой двойной связи. При использовании небольшого, незатрудненного основания – такого как гидроксид натрия, метоксид натрия или этиоксид натрия – для E2-элиминирования продукт Зайцева обычно предпочтительнее наименее замещенного алкена, известного как продукт Хофмана. Например, обработка 2-бром-2-метилбутана этиоксидом натрия в этаноле дает продукт Зайцева с умеренной селективностью. Из-за стерических препятствий объемное основание, такое как трет-бутоксид калия, триэтиламин или 2,6-лютидин, не может легко отщепить протон, который привел бы к продукту Зайцева. В этих ситуациях предпочтительно отщепляется менее стерически затрудненный протон. В результате продукт Хофмана обычно предпочтительнее при использовании объемных оснований. При обработке 2-бром-2-метилбутана трет-бутоксидом калия вместо этиоксида натрия предпочтение отдается продукту Хофмана. Стерические взаимодействия внутри субстрата также препятствуют образованию продукта Зайцева. Эти внутримолекулярные взаимодействия важны для распределения продуктов в реакции элиминирования Хофмана, которая превращает амины в алкены. В элиминировании Хофмана обработка соли кватернарного аммонийного йодида оксидом серебра приводит к образованию ионов гидроксида, которые действуют как основание и элиминируют третичный амин с образованием алкена. В элиминировании Хофмана наименее замещенный алкен обычно предпочтителен из-за внутримолекулярных стерических взаимодействий. Кватернарная аммониевая группа велика, и взаимодействие с алкильными группами в остальной части молекулы нежелательно. В результате конформация, необходимая для образования продукта Зайцева, менее энергетически выгодна, чем конформация, необходимая для образования продукта Хофмана. В результате продукт Хофмана образуется преимущественно. Элиминирование по Копу очень похоже на элиминирование по Хофману по принципу, но протекает в более мягких условиях. Оно также способствует образованию продукта Хофмана по тем же причинам.

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

В некоторых случаях стереохимия исходного материала может препятствовать образованию продукта Зайцева. Например, при обработке ментилхлорида этиоксидом натрия образуется исключительно продукт Хофмана, но в очень низком выходе.

Этот результат обусловлен стереохимией исходного материала. Реакции E2 элиминирования требуют антиперипланарной геометрии, при которой протон и уходящая группа находятся по противоположным сторонам связи C–C, но в одной плоскости. Если изобразить ментилхлорид в конформации кресла, то необычное распределение продуктов становится понятным. Образование продукта Зайцева требует элиминирования во 2-м положении, однако изопропильная группа, а не протон, находится в антиперипланарном положении относительно хлоридной уходящей группы, что делает элиминирование во 2-м положении невозможным. Для образования продукта Хофмана элиминирование должно происходить в 6-м положении. Поскольку протон в этом положении имеет необходимое расположение относительно уходящей группы, элиминирование может и происходит. В результате, данная реакция приводит только к образованию продукта Хофмана.