Галогеналканы и реакции отщепления

Галогеналканы и реакции отщепления
Галогеналканы претерпевают реакцию β-отщепления при взаимодействии с основаниями Брёнстеда. Происходит отрыв атома Н и Х группы и образуется алкен.
Реакции отщепления (E) часто конкурируют с реакциями SN, так как нуклеофилы являются также основаниями Брёнстеда (SN2 versus E2), а карбкатионы способны легко отщеплять протон (SN1 versus E1).

E1: Двухстадийные, мономолекулярные, X отщепляется первым с образованием карбкатиона, затем основание отщепляет протон от карбкатиона.
E1cb: Двухстадийные, мономолекулярные, протон отщепляется первым с образованием карбаниона, затем отщепляется X от карбаниона.
E2: Одностадийные, бимолекулярные, Х отщепляется одновременно с отрывом протона основанием.
Механизм реакций отщепления

Основания используются для реакций отщепления
Для реакций отщепления используются сильные основания. Как правило это натриевые или калиевые соли спиртов (RO- алкоксиды).
Это иногда представляет проблему, потому что они также могут реагировать как нуклеофилы. Чтобы избежать этого, используется соль трет-бутанола. трет-бутоксид очень громоздкий, что мешает ему быть нуклеофилом.
Основания, используемые в реакциях отщепления
гидроксид натрия
гидроксид калия
метоксид натрия
этоксид натрия
трет-бутоксид калия

Основания и нуклеофилы
Нуклеофил/основание попадет в одну из четырех категорий: сильный нуклеофил/ сильное основание, сильный нуклеофил/ слабое основание, слабый нуклеофил/ сильное основание, слабый нуклеофил / слабое основание. И разные категории являются доказательством за и против различных механизмов реакций.
Сильные нуклеофилы,
Сильные основания
Слабые нуклеофилы,
Сильные основания
Сильные нуклеофилы,
Слабые основания
Слабые нуклеофилы,
Слабые основания
трет-бутоксид ДБУ LDA гидрид

Реакции отщепления
Как нарисовать продукт реакции отщепления?
1. Найти α (с ним связана Х – уходящая группа) углеродный атом.
2. Определить все β углеродные атомы с атомами H.
3. Удалить элементы H и X от α и β углеродных атомов и нарисовать между ними π связь.

Кинетика второго порядка: скорость реакции определяют концентрации и галогеналкана и основания.
Механизм реакции отщепления — E2
Скорость = k[(CH3)3CBr][¯OH]
Одностадийный механизм без интермедиатов – все связи разрываются и образуются за одну стадию.
В переходном состоянии связи С-Н и С-Br частично разорваны, а связь О-Н и π-связь частично сформированы, и основание и уходящая группа имеют частичный отрицательный заряд.

Существуют тесные параллели между механизмами E2 и SN2 в том, как природа основания, уходящей группы и растворителя влияют на скорость реакции.
Основание присутствует в уравнении скорости, поэтому скорость реакции Е2 увеличивается с увеличением силы основания.
Реакции E2 обычно протекают с сильными отрицательно заряженными основаниями, такими как HO- и RO-. Часто используются сильные и объёмные (не нуклеофильные) азотистые основания (DBN и DBU).
Механизм реакции отщепления — E2

1,5-диазабицикло[4.3.0]нон-5-ен и 1.8-диазабицикло[5.4.0]ундец-7-ен
Объёмные азотистые основания (DBN и DBU)

Реакции отщепления — E2
Растворитель
Полярные апротонные растворители ускоряют реакции Е2: ацетон, ДМФА, ДМСО.
Уходящая группа
Так как связь с уходящей группой в переходном состоянии частично разорвана, хорошие уходящие группы ускоряют реакции отщепления.
Порядок увеличения активности галогеналканов в Е2 реакциях

Замещение vs. отщепление
Структура субстрата
Реакции отщепления — E2
С увеличением количества R-групп в субстрате, связанных с уходящей группой, скорость Е2 реакций увеличивается.

Медленнее
Быстрее
Реакции отщепления — E2
Структура субстрата
монозамещённый алкен менее стабилен
дизамещённый алкен более стабилен

Правило Зайцева: основной образующийся продукт при β-отщеплении имеет более замещённую двойную связь.
Реакция Е2 является региоселективной, то есть даёт преимущественно один структурный изомер, когда возможно образование более чем одного изомера.
Правило Зайцева

Стереоселективность реакций Е2
Когда возможна смесь стереоизомеров в результате отщепления, основным продуктом является более стабильный стереоизомер.
Реакция E2 является стереоселективной, потому что образуется преимущественно один из стереоизомеров, когда возможно образование двух или более изомеров.

В переходном состоянии реакции E2 все участвующие атомы должны быть в одной плоскости: один атом водорода, два атома углерода и уходящая группа (X).
Существует два способа такого расположения связей С-Н и С-Х.
Отщепление Е2 происходит в антиперипланарной конформации.
Это связано с молекулярными орбиталями. Такое расположение позволяет молекуле реагировать в заторможенной конформации с более низкой энергией и позволяет входящему основанию и уходящей группе быть дальше друг от друга.
Стереоселективность реакций Е2

Стереоселективность реакций Е2
Антиперипланарное расположение имеет заторможённую конформацию
Синперипланарное расположение имеет заслонённую конформацию
Две электронодонорные группы
далеко друг от друга
Две электронодонорные группы
близко друг к другу

Обобщая характеристики E2 реакций

Реакции E1 имеют кинетику первого порядка:
Реакции отщепления E1
Сокрость = k[(CH3)3CCI]
Реакция E1 протекает по двухстадийному механизму: вначале разрывается связь с уходящей группой, затем образуется π-связь. Медленная стадия является мономолекулярной, включающей только галогеналкан.

Механизм реакции E1

Скорость реакций E1 увеличивается с увеличением количества алкильных групп, связанных с углеродом, имеющим уходящую группу.
Влияние субстрата и основания на реакции E1
Сильные основания, такие как ¯OH и¯OR, приводят к реакциям E2, тогда как слабые основания, такие как H2O и ROH благоприятствуют E1 реакциям.

Региоселективность реакций Е1
Реакции E1 являются региоселективными, приводя к образованию более замещённого, более стабильного алкена.
То есть правило Зайцева относится и к реакциям Е1.

Обобщая характеристики E1 реакций
Не требуется антиперипланарная конформация!

Реакции E1cB
Двухстадийные реакции: на первом этапе основание отрывает протон от молекулы с образованием интермедиата – карбаниона.
На втором этапе карбанион теряет X- с образованием алкена.

Есть два основных требования, чтобы реакция протекала по пути E1cB. Соединение должно иметь кислый водород на своём β-углероде и относительно плохую уходящую группу на α-углероде.
Примерами соединений, которые содержат плохие уходящие группы и могут подвергаться механизму E1cB, являются карбонильные соединения, спирты и фторалканы.
Наиболее известной реакцией E1cB, является реакция альдольная конденсация в основных условиях.
Реакции E1cB

Механизм E1cB особенно распространен. Субстрат обычно
спирт, а не галогеналкан, и отщепляется атом H обычно от углерода, примыкающего к карбонильной группе. Таким образом, 3-гидроксикарбонильные соединения часто превращаются в ненасыщенные карбонильные соединения реакциями элиминирования.
Типичный пример - биосинтез жиров, когда 3-гидроксибутирилтиоэфир дегидратируется до соответствующего ненасыщенного (кротонил) тиоэфира. Основанием в этой реакции является аминокислота гистидин в ферменте, и потере группы ОН способствует одновременное протонирование.
Биологические реакции отщепления

SN1 и E1 реакции часто конкурируют с друг другом и имеют одинаковый первый этап – формирование карбкатиона. Они отличаются тем, что происходит с карбкатионом.
SN1 и E1 реакции
В E1 реакциях основание отщепляет от карбкатиона протон с образованием новой π-связи. E1 способствуют высокие температуры.
В SN1 реакциях нуклеофил атакует карбкатион с образованием продукта замещения. SN1 способствуют низкие температуры.

Механизмы реакций SN1, SN2, E1, E2

Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E2
Необходимо рассмотреть 4 момента: нуклеофил, структура галогеналкана, растворитель, температура реакции.
1) Нуклеофил. Несёт ли нуклеофил отрицательный заряд? Если да (то есть он сильный), то тип реакции SN2 или E2. Если заряда нет (нуклеофил слабый, то тип реакции SN1 или E1).

Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E2
Необходимо рассмотреть 4 момента: нуклеофил, структура галогеналкана, растворитель, температура реакции.
2) Галогеналкан. Какова структура галогеналкана? Если первичный (не разветвленный) то тип реакции SN2. Если третичный, то тип реакции точно не SN2.

Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E2
Необходимо рассмотреть 4 момента: нуклеофил, структура галогеналкана, растворитель, температура реакции.
3) Растворитель. Растворитель полярный протонный или полярный апротонный? Полярные апротонные способствуют преобладанию SN2 над E2. Полярные протонные способствуют преобладанию E2 над SN2.

Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E2
Необходимо рассмотреть 4 момента: нуклеофил, структура галогеналкана, растворитель, температура реакции.
4) Температура.
Увеличение температуры способствует протеканию реакций отщепления.
Низкие температуры способствуют реакциям замещения.
Если в задании/упражнении написано нагрев или кипение, то это указание на то, что тип реакции – отщепление!!

Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E1cB, E2
Сильные основные нуклеофилы дают больше продуктов отщепления при увеличении объёма молекулы основания.
Первичные галогеналканы с сильными основными нуклеофилами дают в основном продукты SN2.
Разветвлённые галогениды с сильно основными нуклеофилами дают 50/50 продуктов SN2 и E2.
Третичные галогениды с сильно основными нуклеофилами дают только продукты E2. С нейтральными или слабоосновными нуклеофилами конкурируют пути SN1 и E1.

Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E1cB, E2

Хорошие нуклеофилы, которые являются слабыми основаниями, дают продукты реакции замещения, а не отщепления. К ним относятся анионы I¯, Br¯, HS¯, ¯CN.
Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E1cB, E2

Объёмные ненуклеофильные основания способствуют отщеплению, а не замещению - KOC(CH3)3, DBU и DBN слишком большие, чтобы атаковать четырехвалентный углерод, но способны удалять небольшой протон, т.е действовать как основания.
Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E1cB, E2

Первичные галогеналканы
Реакции SN2 протекают с сильными нуклеофилами (RS-, I-, CN-, Br-) и в полярных апротонных растворителях. Реакции E2 протекают с сильными, объёмными основаниями (трет-бутоксид).
Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E1cB, E2

Вторичные галогеналканы
Конкурируют SN2 и E2.
Если используется слабоосновный и сильный нуклеофил (CH3COO-, Br-, I-) и полярный апротонный растворитель, то преобладает продукт SN2 реакции.
Если основание сильное (-OR) и растворитель протонный, то преобладает продукт E2 реакции.
Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E1cB, E2

Вторичные галогеналканы
Если нуклеофил и основание слабое, то конкурируют SN1 и E1, трудно предсказать, что будет преобладать.
Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E1cB, E2

Третичные галогеналканы
В присутствии сильного основания (-OH, -OR), в основном происходят реакции E2. Реакция в нейтральных условиях ведёт к смеси продуктов реакций SN1 и E1, где обычно продукты SN1 преобладают.
Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E1cB, E2

Галоагеналканы вступают в два вида реакций нуклеофильного замещения : SN1 и SN2, и два вида реакций отщепления: E1 и E2 (плюс в E1cB).
SN2 и E2 бимолекулярные одностадийные реакции.
SN1 и E1 мономолекулярные двухстадийные реакции.
SN1 ведут к смеси стереоизомеров.
SN2 обращает конфигурацию ассиметричного атома С.
Главным продуктом отщепления является самый стабильный алкен.
SN2 и E2 протекают с сильными нуклеофилами/основаниями.
SN2 реакции протекают с первичными галогеналканами.
E2 реакции протекают с третичными галогеналканами.
Выбор механизма реакций:
SN1, SN2, E1, E1cB, E2

Замещение vs. отщепление
Помните, что любая частица с парой электронов может в принципе выступать в качестве основания или нуклеофила. Определение того, является ли замещение или отщепление более вероятным, требует оценки структуры исходного материала (например, 1°, 2°, 3° и т. д.), природы уходящей группы (например, I> Br> Cl) и свойств нуклеофила/основания (например, стабилизированный или нестабилизированный, объёмный и т. д.).
A. метилгалогениды и бензилгалогениды не могут вступать в реакции отщепления, так как они не содержат α-водородов. Точно так же, третичные галогеналканы не могут участвовать в реакциях SN2, потому что слишком велико стерическое затруднение.
B. Метил (или бензил) галогеналкан со слабым нуклеофилом будет реагировать очень медленно или не реагировать вообще. Точно так же, третичный галогеналкан со слабым основанием может или реагировать очень медленно, совсем не реагировать или подвергаться замещению.
C. Электронодонорные частицы, которые являются хорошими нуклеофилами и плохими основаниями, предпочтут реагировать посредством замещения; электронодонорные частицы, которые являются хорошими основаниями и слабыми нуклеофилами, предпочтут реагировать посредством отщепления.
D. Замещение является предпочтительным для первичных галогеналканов, поскольку они являются пространственно доступными, и поскольку конкурирующий путь отщепления будет приводить к незамещённому (и, следовательно, менее стабилизированному) алкену.
Е. Вторичные галогеналканы могут реагировать по любому пути. Элиминирование имеет тенденцию преобладать для многих «типичных» вторичных галогеналканов, но: - SN2 преобладает для аллильных, бензильных и пропаргиловых галогеналканов. - SN2 способствует использование полярного апротонного растворителя или уменьшение основности нуклеофила. - E2 более вероятно для циклических вторичных галогеналканов.

Определите тип реакции и продукты реакции:

Какой механизм (SN1, SN2, E1 или E2) имеет реакция?

Напишите получение фенилэтина из следующих веществ:

Напишите продукты взаимодействия следующих веществ с этоксидом натрия. Укажите какой будет основной продукт, если их образуется несколько.

Напишите механизм реакции, ведущий к изображенным продуктам:

Что является основным продуктом в следующей реакции?

Напишите основной продукт реакции:
Как провести данную реакцию в три стадии?

Как провести данные превращения в две стадии?