Правило Марковникова: предсказание исходов реакций присоединения.

Введение

Правило для предсказания исходов некоторых реакций присоединения. В органической химии правило Марковникова описывает исход некоторых реакций присоединения. Это правило было сформулировано русским химиком Владимиром Марковниковым в 1870 году.

Пояснение

Правило гласит, что при добавлении протонной кислоты HX или другого полярного реагента к асимметричному алкену, протон (H) или электроположительная часть присоединяется к углероду с большим количеством атомов водорода, а галогенид (X) или электроотрицательная часть – к углероду с большим количеством алкильных заместителей. Это отличается от первоначального определения Марковникова, в котором утверждается, что компонент X присоединяется к углероду с наименьшим числом атомов водорода, а атом водорода – к углероду с наибольшим их числом. То же справедливо и при реакции алкена с водой в реакции присоединения с образованием спирта, включающей образование карбокатионов. Гидроксильная группа (OH) присоединяется к углероду, имеющему большее число углерод-углеродных связей, в то время как водород присоединяется к углероду на другом конце двойной связи, имеющему большее число углерод-водородных связей. Химическая основа правила Марковникова заключается в образовании наиболее стабильного карбокатиона в процессе присоединения. Присоединение иона водорода к одному атому углерода в алкене создает положительный заряд на другом атоме углерода, формируя карбокатионный интермедиат. Чем больше замещен карбокатион, тем он стабильнее, благодаря индукции и гиперконъюгации. Основным продуктом реакции присоединения будет продукт, образованный из более стабильного интермедиата. Следовательно, основной продукт присоединения HX (где X – атом, более электроотрицательный, чем H) к алкену содержит атом водорода в менее замещенном положении и X – в более замещенном. Однако другой, менее замещенный и менее стабильный карбокатион также будет образовываться в некоторой концентрации и станет предшественником побочного продукта с обратным, конъюгированным присоединением X.

Анти-Марковниковские реакции

Также называемый эффектом Хараша (названным в честь Морриса С. Хараша), эти реакции, не включающие карбокатионный интермедиат, могут протекать по другим механизмам, обладающим региоселективностью, не определяемой правилом Марковникова, например, присоединение по свободнорадикальному механизму. Такие реакции называют анти-Марковникова, поскольку галоген присоединяется к менее замещенному атому углерода, что противоположно реакции Марковникова. Правило анти-Марковникова можно проиллюстрировать на примере присоединения бромистого водорода к изобутилену в присутствии пероксида бензоила или перекиси водорода. Реакция HBr с замещенными алкенами была основополагающей в изучении присоединения свободных радикалов. Ранние химики обнаружили, что изменчивость соотношения продуктов реакций по Марковникову и анти-Марковникову объясняется неожиданным присутствием веществ, инициирующих образование свободных радикалов, таких как пероксиды. Объяснение заключается в том, что связь O–O в пероксидах относительно слаба. Под действием света, тепла или даже самопроизвольно эта связь может расщепляться с образованием двух радикалов. Эти радикалы затем могут взаимодействовать с HBr, образуя радикал брома, который, в свою очередь, реагирует с двойной связью. Поскольку атом брома относительно велик, он с большей вероятностью вступает в реакцию с наименее замещенным атомом углерода, поскольку такое взаимодействие создает меньше стерических препятствий между углеродом и радикалом брома. Кроме того, подобно положительно заряженным частицам, радикалы наиболее стабильны, когда неспаренный электрон находится в более замещенном положении. Радикальный интермедиат стабилизируется гиперконъюгацией. В более замещенном положении больше углерод-водородных связей выровнены с вакантной молекулярной орбиталью радикала. Это означает, что эффекты гиперконъюгации более выражены, и это положение более благоприятно. В данном случае терминальный атом углерода является реагентом, образующим продукт первичного присоединения, а не вторичного. Новый метод анти-Марковниковского присоединения был описан Гамильтоном и Ниццевичем, которые используют ароматические молекулы и световую энергию от диода с низкой энергией для превращения алкена в катион-радикал. Анти-Марковниковское поведение распространяется на большее число химических реакций, чем просто присоединение к алкенам. Анти-Марковниковское поведение наблюдается при гидратации фенилацетилена в присутствии аурического катализатора, приводящей к образованию ацетофенона; однако при использовании специального рутениевого катализатора образуется другой региоизомер – 2-фенилацетальдегид. Анти-Марковниковское поведение также может проявляться в некоторых реакциях перегруппировки. В реакции формального нуклеофильного замещения в энантиочистом соединении 1 (см. схему ниже), катализируемой хлоридом титана(IV), образуются два продукта – 2a и 2b. Поскольку в целевой молекуле имеется два хиральных центра – атом углерода, несущий хлор, и атом углерода, несущий метильную и ацетоксиэтильную группы – должны образоваться четыре различных соединения: 1R,2R (изображено как 2b), 1R,2S, 1S,2R (изображено как 2a) и 1S,2S. Следовательно, обе изображенные структуры будут существовать в D- и L-формах. Распределение продуктов можно объяснить, предположив, что потеря гидроксильной группы в 1 приводит к образованию третичного карбокатиона A, который перегруппировывается во, казалось бы, менее стабильный вторичный карбокатион B. Хлор может атаковать этот центр с двух сторон, что приводит к наблюдаемой смеси изомеров. Еще одним заметным примером анти-Марковниковского присоединения является гидроборирование.

Also called Kharasch effect (named after Morris S. Kharasch), these reactions that do not involve a carbocation intermediate may react through other mechanisms that have regioselectivities not dictated by Markovnikov's rule, such as free radical addition. Such reactions are said to be anti Markovnikov, since the halogen adds to the less substituted carbon, the opposite of a Markovnikov reaction. The anti Markovnikov rule can be illustrated using the addition of hydrogen bromide to isobutylene in the presence of benzoyl peroxide or hydrogen peroxide. The reaction of HBr with substituted alkenes was prototypical in the study of free radical additions. Early chemists discovered that the reason for the variability in the ratio of Markovnikov to anti Markovnikov reaction products was due to the unexpected presence of free radical ionizing substances such as peroxides. The explanation is that the O O bond in peroxides is relatively weak. With the aid of light, heat, or sometimes even just acting on its own, the O O bond can split to form 2 radicals. The radical groups can then interact with HBr to produce a Br radical, which then reacts with the double bond. Since the bromine atom is relatively large, it is more likely to encounter and react with the least substituted carbon since this interaction produces less static interactions between the carbon and the bromine radical. Furthermore, similar to a positive charged species, the radical species is most stable when the unpaired electron is in the more substituted position. The radical intermediate is stabilized by hyperconjugation. In the more substituted position, more carbon hydrogen bonds are aligned with the radical's electron deficient molecular orbital. This means that there are greater hyperconjugation effects, so that position is more favorable. In this case, the terminal carbon is a reactant that produces a primary addition product instead of a secondary addition product. A new method of anti Markovnikov addition has been described by Hamilton and Nicewicz, who utilize aromatic molecules and light energy from a low energy diode to turn the alkene into a cation radical. Anti Markovnikov behaviour extends to more chemical reactions than additions to alkenes. Anti Markovnikov behaviour is observed in the hydration of phenylacetylene by auric catalysis, which gives acetophenone; although with a special ruthenium catalyst it provides the other regioisomer 2 phenylacetaldehyde:

Anti Markovnikov behavior can also manifest itself in certain rearrangement reactions. In a titanium(IV) chloride catalyzed formal nucleophilic substitution at enantiopure 1 in the scheme below, two products are formed – 2a and 2b Due to the two chiral centers in the target molecule, the carbon carrying chlorine and the carbon carrying the methyl and acetoxyethyl group, four different compounds are to be formed: 1R,2R (drawn as 2b) 1R,2S 1S,2R (drawn as 2a) and 1S,2S Therefore, both of the depicted structures will exist in a D and an L form. :

This product distribution can be rationalized by assuming that loss of the hydroxy group in 1 gives the tertiary carbocation A, which rearranges to the seemingly less stable secondary carbocation B. Chlorine can approach this center from two faces leading to the observed mixture of isomers. Another notable example of anti Markovnikov addition is hydroboration.