Введение
Химическая реакция алкена с ацетатом ртути для образования спирта. В органической химии реакция оксимеркурации — это реакция электрофильного присоединения, которая превращает алкен (R₂C=CR₂) в нейтральный спирт. При оксимеркурации алкен реагирует с ацетатом ртути (AcO₂HgOAc) в водном растворе, образуя присоединение группы ацетоксимеркурия (HgOAc) и гидроксильной группы (OH) к двойной связи. В этом процессе не образуются карбокатионы, поэтому перегруппировки не наблюдаются. Реакция протекает по правилу Марковникова (гидроксильная группа всегда присоединяется к более замещенному атому углерода) и является анти-присоединением (обе группы располагаются по разные стороны двойной связи). Оксимеркурация, за которой следует восстановительная демеркурация, называется реакцией оксимеркурации-восстановления или оксимеркурации-демеркурации. Эта реакция, которая на практике почти всегда используется вместо простой оксимеркурации, рассматривается в заключительной части статьи.
In organic chemistry, the oxymercuration reaction is an electrophilic addition reaction that transforms an alkene (|R2C\dCR2) into a neutral alcohol. In oxymercuration, the alkene reacts with mercuric acetate (|AcO\sHg\sOAc) in aqueous solution to yield the addition of an acetoxymercury (|\sHgOAc) group and a hydroxy (|\sOH) group across the double bond. Carbocations are not formed in this process and thus rearrangements are not observed. The reaction follows Markovnikov's rule (the hydroxy group will always be added to the more substituted carbon) and it is an anti addition (the two groups will be trans to each other). Oxymercuration followed by reductive demercuration is called an oxymercuration–reduction reaction or oxymercuration–demercuration reaction. This reaction, which is almost always done in practice instead of oxymercuration, is treated at the conclusion of the article.
Механизм
Оксимеркурация может быть полностью описана в трех этапах (весь процесс иногда называется дезоксимеркурацией), которые проиллюстрированы последовательно справа. На первом этапе нуклеофильная двойная связь атакует ион ртути, отщепляя ацетоксигруппу. Пара электронов на ионе ртути, в свою очередь, атакует углеродный атом двойной связи, образуя меркуриниевый ион, в котором атом ртути несет положительный заряд. Электроны в высшей занятой молекулярной орбитали двойной связи переходят в свободную 6s-орбиталь ртути, а электроны в dxz (или dyz)-орбитали ртути переходят в низшую незанятую молекулярную орбиталь двойной связи. На втором этапе нуклеофильная молекула воды атакует более замещенный углерод, высвобождая электроны, участвующие в его связи с ртутью. Электроны переходят к иону ртути, нейтрализуя его. Атом кислорода в молекуле воды теперь несет положительный заряд. На третьем этапе отрицательно заряженный ацетатный ион депротонирует алкилоксониевый ион, образуя побочный продукт HOAc. Два электрона, участвующие в связи между кислородом и атакованным атомом водорода, возвращаются к кислороду, нейтрализуя его заряд и формируя конечный спиртовой продукт.
Региоселективность и стереохимия
Оксимеркурация обладает высокой региоселективностью и является классическим примером реакции Марковникова; за исключением крайних случаев, нуклеофил воды всегда предпочтительно атакует более замещенный углерод, присоединяя к нему гидроксильную группу. Это явление объясняется рассмотрением трех резонансных структур иона меркурония, образующегося на завершающем этапе первой стадии. Анализ этих структур показывает, что положительный заряд атома ртути иногда локализуется на более замещенном углероде (примерно в 4% случаев). Это приводит к образованию временного третичного карбокатиона, который является высокореактивным электрофилом. Нуклеофил атакует ион меркурония именно в этот момент. Следовательно, нуклеофил атакует более замещенный углерод, поскольку он сохраняет большую положительную плотность заряда, чем менее замещенный углерод. Стереохимически, оксимеркурация протекает как анти-присоединение. Как показано на втором этапе, нуклеофил не может атаковать углерод с той же стороны, что и ион ртути, из-за стерических препятствий. На этой стороне молекулы просто недостаточно места для одновременного размещения иона ртути и атакующего нуклеофила. Поэтому, когда свободное вращение невозможно, гидрокси- и ацетоксимеркурийные группы всегда находятся в транс-положении друг относительно друга. Ниже приведен пример проявления региоселективности и стереоспецифичности реакции оксимеркурации с замещенными циклогексенами. Объемная группа, такая как трет-бутильная, фиксирует кольцо в конформации кресла и препятствует инверсии кольца. В случае 4-трет-бутилциклогексена оксимеркурация приводит к образованию двух продуктов, где присоединение к двойной связи всегда происходит по анти-типу, с небольшим предпочтением к расположению ацетоксимеркурийной группы в транс-положении к трет-бутильной группе, что приводит к незначительному преобладанию цис-продукта. В случае 1-метил-4-трет-бутилциклогексена оксимеркурация дает только один продукт – все еще с анти-присоединением к двойной связи, где вода атакует исключительно более замещенный углерод. Причина анти-присоединения к двойной связи заключается в максимизации перекрывания орбиталей неподеленной электронной пары воды и вакантной орбитали иона меркурония, расположенных по разные стороны от ацетоксимеркурийной группы. Региоселективность проявляется в предпочтительном присоединении воды к более замещенному углероду, однако вода не присоединяется по син-типу к двойной связи, что указывает на то, что переходное состояние благоприятствует атаке воды с противоположной стороны от ацетомеркурийной группы.
Оксимеркурацияредукция
На практике продукт ртутного аддукта, образующийся в реакции оксимеркурации, почти всегда обрабатывают боргидридом натрия (NaBH4) в водной щелочи в реакции, называемой демеркурацией. В ходе демеркурации ацетоксимеркурная группа замещается водородом в стереохимически нечувствительной реакции, известной как редуктивное элиминирование. Комбинация оксимеркурации, непосредственно за которой следует демеркурация, называется реакцией оксимеркурации-восстановления. Таким образом, реакция оксимеркурации-восстановления представляет собой чистое присоединение воды к двойной связи. Любая стереохимия, установленная на стадии оксимеркурации, нарушается на стадии демеркурации, в результате чего водород и гидроксильная группа могут располагаться по отношению друг к другу в цис- или транс-конфигурации. Оксимеркурация-восстановление – популярный лабораторный метод для осуществления гидратации алкенов с селективностью по Марковникову, избегая при этом карбокатионных интермедиатов и, следовательно, перегруппировок, которые могут привести к образованию сложных смесей продуктов.
Другие применения
Оксимеркурация не ограничивается реакцией алкена с водой для присоединения гидроксильной и ртутной групп. Углерод-ртутная структура может подвергаться спонтанному замещению ртути водородом, а не сохраняться до отдельной стадии восстановления. Таким образом, ртуть выступает в роли катализатора кислоты Льюиса. Например, использование алкина вместо алкена приводит к образованию енола, который таутомеризуется в кетон. Использование спирта вместо воды дает эфир (см. также реакцию Хофмана-Сенда). В обоих случаях наблюдается правило Марковникова. Использование винилового эфира в присутствии спирта позволяет заменить одну алкоксигруппу (RO–) на другую через ацетальный промежуточный продукт. Аллиловый спирт и виниловый эфир в условиях оксимеркурации могут давать R–CH=CH–CH2–O–CH=CH2, который пригоден для перегруппировки Клейзена.