T Vasilieva

Реакции β-элиминирования

Лекция 10

T Vasilieva

Реакции элиминирования

Реакции элиминирования (отщепления) – реакции, при которыхпроисходит расщепление тех или иных связей в молекуле собразованием новых устойчивых молекул, стабильных илинестабильных частиц, например, ненасыщенных соединений, циклов, радикалов, бирадикалов и др.

T Vasilieva

Типы реакций элиминирования

C H-HX

C

H

C

X-HX

C

C

H

C C

X-HX

α-Элиминирование

β-Элиминирование

γ-Элиминированиеβ α

α

α

β

γ

карбен

алкен

трехчленный цикл

:

X

T Vasilieva

β-Элиминирование

β-Элиминирование (Е) – отщепление протона и группы Х отсоседних атомов углерода с образованием кратной углерод-углеродной связи

-

-

C

H

C

X-HX

αβ

Атом углерода, от которого отщепляется группа Х - α-атом

Атом углерода, от которого отщепляется протон – β-атом

T Vasilieva

Электронные переходы при β-элиминировании

1

C C

H X

Y:2 3

• Мономолекулярный механизм Е1 – двухстадийный процесс, переход 3 осуществляетсяраньше 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)

-

C C

b

a d

X

H

c

C C

b

d

a cX

H Nu

C C

a

d

c

b

+ HNu X+Nu

Переходноесостояние

Скорость реакции = k[субстрат][Y-]

Еа

Координата реакции

-

Y

HY

Y

субстрат

продукт

переходноесостояние

Реакция второго порядка

Характерна для первичных и вторичныхгалогеноалканов с небольшими по объемузаместителями у реакционных центров

βα

T Vasilieva

Конкуренция реакций SN2 и Е2

H C C XY + Y H C C X HY + C C + X

H C C XY + Y C X

C

H

Y C CH + X

-

--

-

δ-δ-

δ-δ-

SN2

E2

Y-

Y- Y-

CHCH

CH2

HH

X

δ+ δ+δ+

SN2

E2

Направление атаки управляется основностью Y- -высокая основность благоприятствуетэлиминированию

Реагент со свободной парой электронов действует какнуклеофил → реакция SN2

Реагент со свободной парой электронов действует какоснование → реакция E2

T Vasilieva

Стереоспецифичность реакций Е2

CH3

C6H5C6H5

BrHH

Br

HC6H5

C6H5

H

CH3 C6H5

CH3

H

C6H5

C6H5

CH3C6H5

BrHH

Br

HC6H5

CH3

H

C6H5H3C

C6H5

H

C6H5

(1R, 2R)-1-бромо-1,2-дифенилпропан

(1R, 2S)-1-бромо-1,2-дифенилпропан

:Y

:Y

(Z)-1,2-дифенилпропен

(Е)-1,2-дифенилпропен

анти-элиминирование

анти-элиминирование

Ξ

Ξ

Переходное состояние более затруднено, чем исходное. Скорость реакции Е2 уменьшается при увеличении объема заместителей.

Антиперипланарнаяконформация субстрата

T Vasilieva

Мономолекулярное β-элиминирование(E1)

Двухстадийная реакция с промежуточным образованием карбокатиона

δ-

C C

XH

C C

Hδ+ +

-

-

++

CH3 C

Br

CH3

H

- BrCH3 C CH2

H

Hα β

медленная стадия

+ Nu

- H

CH3 C

Nu

CH3

H

CH3 C CH2

H

2-бромопропан

SN1

E1пропен

1

C C

H X

Y:2 3

T Vasilieva

Механизм образования пропена из 2-бромопропана

++

C C

H

HH

H

CH3

- HC C

H

HH

CH3

H CH3

H

HH

- H HH

CH3H

+

Вид сбоку Вид с конца молекулы

Свободная орбиталь положительно заряженного атома углерода ирасщепляемая связь С-Н должны находиться в одной плоскости

T Vasilieva

Стереоспецифичность реакций Е1

CH3CH2 CH

Br

CH3- HBr

CH3CH CHCH3 + H3CH2CHC CH2

H

H

H CH3

CH3

- H+

H

H

H CH3

CH3

- H+

>>транс > цис

цис транс

++

СН3-группы сближены, большая энергия цис-

комплекса

T Vasilieva

Энергетическая диаграмма реакцииЕ1

Скорость реакции = k[субстрат]

Реакция первого порядка

Скорость реакции не зависит от концентрацииоснования

Координата реакции

Еа

карбокатион

Еа1Еа2

Cl

CH3

CH3

CH3

H2C H

CH3 CH3

OH

CH2

CH3

CH3-

+

T Vasilieva

Региоспецифичность реакций β-элиминирования I

Правило Зайцева:

В большинстве реакций дегидрогалогенирования атомводорода отщепляется преимущественно от соседнегонаименее гидрогенизированного атома углерода

C C

H

H

H

Br

H

C

H

H

CH3

C2H5O-

- HBr, - C2H5OH

β’ β

атака по Сβ-Н

атака по Сβ’-Н

CH3 CH CH CH3

CH2 CH CH2 CH3

2-бромобутан

2-бутен81%

1-бутен19%

Увеличение числа алкильных групп при двойной связи повышает ее стабильность. Поэтому в тех случаях, когда выполняется правило Зайцева, следует ожидать образования наиболее замещенного алкена

Продукт по Зайцеву

Продукт по Гофману

T Vasilieva

Региоспецифичность реакций β-элиминирования II

1) Дегидрогалогенирование алкилгалогенидов

CH C

CH3 Br

CH3

CH3 CH3 CH C

CH3

CH3

CH3 CH2

CH3 C

CH3

CH3

CH2 C

CH3

Br

CH3 CH3 C

CH3

CH3

CH2 C

CH3

CH2

- HBr

- HBr

2-бромо-2,3-диметилбутан

2-бромо-2,3,3-триметилпентан

2,3-диметилбутен-121%

2,3,3-триметилпентен-186%

«антизайцевские»алкены

2) Элиминирование третичного амина из четвертичных аммониевых солей

(CH3)3N CH

CH3

CH2 CH3 OH- H2O

(CH3)3N + CH2 CH CH2 CH3 + CH3 CH CH CH3

+ -

бутен-195%

бутен-25%

T Vasilieva

Элиминирование третичного амина изчетвертичных аммониевых солей: элиминирование по Гофману

(CH3)3N CH

CH3

CH2 CH3 OH- H2O

(CH3)3N + CH2 CH CH2 CH3 + CH3 CH CH CH3

+ -

бутен-195%

бутен-25%

аб

C2H5 N+(CH3)3

H

H

HH

H H

H

H

N+(CH3)3

C2H5

N+(CH3)3

H

HH

CH3

CH3

CH3

CH3

N+(CH3)3

H

H

H

Для связи «а» Для связи «б»

не существует выгоднойконформации с«трансоидным»расположением

фрагментов, поэтомуэлиминирование по

правилу Зайцева не идет

T Vasilieva

Правило Гофмана:

При разложении аммониевых, сульфониевых, фосфониевых и т.п. солей с наибольшим выходомобразуется наименее замещенный алкен

Региоспецифичность реакций β-элиминирования IV

CH

CH3

CH3

CH

S+

CH3

CH3 CH3

OHCH

CH3

CH3

CH CH2 + C

CH3

CH3

CH CH3 + CH3 S CH3

преобладает

нагревание

-

Реакция протекает по правилу Гофмана с соединениями, в которых уходящая

группа положительно заряжена (-NR3, -SR2)++

T Vasilieva

Региоспецифичность реакций β-элиминирования: влияние размераоснования

CH3CH2 CH CH3

Br

EtO- / t-BuO-

CH3CH2 CH CH2

19%

или

53%

Увеличение объема основания приводит к увеличению доли наименее замещенногоалкена в продуктах дегидрогалогенировния

T Vasilieva

Мономолекулярное элиминированиепо сопряженному основанию Е1cB

conjugate base - сопряженное основание

C C

H

XY

C C X- X

C C-

-..

-

медленно

карбанион

H C

Cl

Cl

ClOH

Cl C

Cl

Cl- Cl

Cl C Cl

---.. ..

полимермедленно

хлороформ трихлор-метил-анион

дихлорокарбен

быстро

быстро

α-элиминирование (образование галогенкарбенов из полигалогеналканов)

T Vasilieva

Региоспецифичность реакций Е1cB

CH3 C

O

CH2 CH CH3

X- H+

+ H+CH3 C

O

CH CH CH3

X

CH3 C

O

CH CH CH3

X

- X-

CH3 C

O

CH CH CH3

-

-

-

В реакциях Е1сВ образуется алкен, двойная связь которого сопряжена с двойнойсвязью стабилизирующей группы (обладает –М-эффектом)

T Vasilieva

Факторы, влияющие на скоростьреакций β-элиминирования

1) Строение субстрата

2) Свойства уходящей группы

3) Свойства основания

4) Полярность растворителя

T Vasilieva

Влияние строения субстрата наскорость β-элиминирования

1) Реакции Е1

-

α

α

C C

H

+

αβ

β

β

Заместители с +I при Сα или Сβ ускоряют Е1

Заместители с +М при Сα ускоряют Е1

Заместители с +М при Сβ замедляют Е1 (не могут сопрягаться с вакантной р-орбитальюкарбокатиона и дестабилизируют карбокатион)

2) Реакции Е1сВ

C C X..

Заместители с -I (особенно при Сβ) ускоряют Е1сВ

Заместители с -М при Сβ сильно ускоряют Е1сВ (сопряжение со свободной электроннойпарой карбаниона)

Заместители с -М при Сα слабо ускоряют Е1сВ

3) Реакции Е2Карбокатионный характер переходного состояния см. Е1

Карбанионный характер переходного состояния см. Е1сВC C

X

HY1

C C

H X

Y:2 3

T Vasilieva

1) Влияние уходящей группы

Чем легче отщепляется уходящая группа Х (т.е. чем слабее основание Х-), тембыстрее протекают реакции β-элиминирования.

Ускорение уменьшается в ряду механизмов:

Е1 > Е2 >> Е1сВ

2) Влияние основанияЕ1: не зависит от природы и концентрации основания (не участвует в скоростьлимитирующей стадии реакции)

Е2: ускорение при увеличении силы основанияЕ1сВ: варьирование (от сильной (самая медленная стадия – первая) до слабой (скоростиобеих стадий близки между собой))

Влияние уходящей группы и основанияна скорость β-элиминирования

T Vasilieva

Влияние полярности растворителяна скорость β-элиминирования

Если в переходном состоянии заряды более локализованы, чем висходном, то увеличение полярности растворителя ускоряет реакцию

Слабое замедлениеУменьшениеRXЕ1

Сильное ускорениеУвеличениеRXЕ1

Слабое замедлениеУменьшениеY + RXЕ2

Сильное замедлениеУменьшениеY + RXЕ2

Сильное ускорениеУвеличениеY + RXЕ2

Слабое замедлениеУменьшениеY + RXЕ2

Влияние полярностирастворителя

Локализациязарядов

Переходноесостояние

Исходноесостояние

Механизм

-

-

+

+

+

C C XY H

C C XY H

C C XY H

C C XY H

δ-

δ-

δ+

δ-

δ-

δ-δ+

δ+

δ+

δ+

δ+

δ+

R X

R X

T Vasilieva

Резюме. Спектр механизмов реакцийβ-элиминирования: Е1, Е2, Е1сВ

двестадиисогласованный

процесс

увеличение карбокатионного характераувеличение карбанионного характерадве

стадии

C C

X

HY

C C

X

H

C C

H

C C

X

C C

H

X

Y-

+

αα αβ

β β..

δ- δ-

δ+δ-

δ- δ-

Е1сВ Е1Е2

Условия преобладания

•Группы, стабилизирующие анионы

•Ионизирующие растворители

Условия преобладания

•Первичные алкильные субстраты

•Сильные основания

•Хороший нуклеофуг

Условия преобладания

•Стабильность катиона (1º<2º<3º)

•Хороший нуклеофуг (-OH2, -N2)

•Ионизирующие растворители

+ +

T Vasilieva

Реакции нуклеофильного замещенияи 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 посравнению с Е2: в Е2-реакциях используют спиртовой раствор КОН, в SN2 – водныйраствор КОН

4) Карбокатионы неизменно дают большее количество продукта замещения, чемэлиминирования (SN1>Е1), и это соотношение нельзя изменить путем заменырастворителя

5) Замещение при Сα способствует реакции Е2 в большей степени, чем SN2. Замещениепри Сβ способствует элиминированию. Электроноакцепторные группы (например, Br иCN) в положении повышают кислотность водорода, связанного с Сβ и способствуютпротеканию реакций Е2 (Е1сВ).

+

-

T Vasilieva

Сравнение условий протекания реакцийSN 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

RCH2 CH

OH

CH3

H2SO4, t°

- H2ORCH CH CH3

Дегидратация вторичных и третичных спиртов: Е1

Дегидратация первичных спиртов: Е1. Для спиртов с доступным для атаки α-атомом углерода не исключенЕ2.

RCH2 CH

OH

CH3 + H+ RCH2 CH

O

CH3

HH

- H2ORCH CH CH3

HH2O

RCH CH CH3

H2O + H3O+

..

....

+

+медленно

быстро

α β’β

T Vasilieva

2) Дегидрогалогенирование

3) Расщепление четвертичных аммониевых оснований по Гофману

Важнейшие реакции β-элиминирования

CH3 CH2 CH2 NR3

t°

- NR3

CH3 CH CH2

CH3 CH2 CH2 BrOH

- HBrCH3 CH CH2

-