II.2.2. Реакции -элиминирования (дегидрогалогенирования)

При действии нуклеофильных реагентов на галогенпроизводные наряду с замещением возможно протекание другого типа реакций – отщепления галогеноводорода (дегидрогалогенирования):

Дегидрогалогенирование – частный случай реакций элиминирования; эти реакции обозначаются индексом Е. Это – реакции, при которых от молекулы субстрата отщепляются две группы. Если обе группы отщепляются от одного атома, реакция называется -элиминированием, если от соседних атомов элиминированием, если из положений 1,3 - элиминированием и т.д. В результате элиминирования образуются карбены или их аналоги, в результате элиминирования образуются двойные или тройные связи, в результате - и прочих вариантов элиминирования образуются циклы.

Дегидрогалогенирование относится к реакциям -элиминирования. Одной из отщепляющихся групп является водород; он отщепляется в виде протона. Акцептором протона является реагент Y¯; здесь он выступает не в качестве нуклеофила, а в качестве основания Бренстеда. Таким образом, в общем случае реагент типа Y¯ может участвовать в двух реакциях: как нуклеофил замещать атом галогена (реакции S_N), а как основание Бренстеда – приводить к элиминированию. Реакции замещения и элиминирования конкурируют; конкурентное соотношение зависит от многих факторов и может сильно изменяться, так что, в принципе, можно направить реакцию в нужную сторону.

Для дегидрогалогенирования можно представить три формальные схемы:

1. Вначале отщепляется атом галогена, затем атом водорода; 2. Обе группы отщепляются синхронно; 3. Вначале отщепляется атом водорода, затем атом галогена. Все три схемы реализуются; каждой из них соответствует свой механизм протекания реакции.

1. Механизм Е1. Реакция проходит в две стадии:

На первой стадии происходит диссоциация субстрата с образованием карбокатиона и галогенид-аниона; на второй стадии реагент, действуя как основание, отрывает протон от атома, соседнего с катионным; образуется двойная связь. Первая стадия является скоростьопределяющей (лимитирующей); она мономолекулярна, поэтому данный механизм называется мономолекулярным  элиминированием и обозначается индексом Е1 (Eliminanion monomolecular). Реакция Е1 имеет первый порядок (по субстрату).

Первая стадия механизма Е1 идентична первой стадии механизма S_N1, в ее результате образуется тот же карбокатион; поэтому здесь очевидна конкурирующая реакция: реагент, действуя как нуклеофил, может присоединяться к катионному атому углерода с образованием продукта реакции S_N1.

2. Механизм Е2. Реакция протекает в одну стадию:

О тщепление атомов водорода и галогена происходит синхронно; в переходном состоянии участвуют пять атомов (пятицентровое переходное состояние); две связи разрываются, две связи образуются. Единственная стадия реакции бимолекулярна; реакция называется бимолекулярным -элиминированием и обозначается индексом Е2 (Elimination bimolecular). Реакция по механизму Е2 может осуществиться только в том случае, если все пять атомов, участвующих в реакции, расположены в одной плоскости.

Это означает, что в исходном субстрате перед началом элиминирования оба атома углерода, от которых идет отщепление, и обе отщепляющиеся группы должны находиться в одной плоскости (“правило четырёх центров”). Таково стереоэлектронное требование к этому механизму (только в этом случае может происходить синхронный разрыв связей и образование связей). Механизм Е2 – наиболее распространенный вариант -элиминирования

С реакцией E2 конкурирует реакция S_N1, когда реагент Y‾, действуя как нуклеофил, атакует атом углерода С¹ (через трехцентровое переходное состояние):

Таким образом, обозначаются две пары конкурентных механизмов: S_N1-Е1 и S_N2-Е2. при этом для мономолекулярных механизмов лимитирующие стадии конкурирующих реакций идентичны, в случае бимолекулярных механизмов – имеют отличия.

3. Механизм Е1сВ. В этом случае реакция двухстадийна; ее схема обратна схеме реакции по механизму Е1:

На первой стадии основание отрывает протон от С², т.е. субстрат выступает в роли СН-кислоты; образуется интермедиат (282) – карбанион, являющийся сопряженным основанием субстрата. На второй стадии из карбаниона выталкивается галогенид-анион (происходит своеобразная внутримолекулярная реакция S_N2), и образуется конечный продукт. Вторая стадия представляет собой мономолекулярный распад сопряженного основания субстрата; поэтому данный механизм называется механизмом с мономолекулярным распадом сопряженного основания и обозначается индексом Е1сВ (сВ – сonjugate Base – cопряженное основание). Другое название – карбанионный механизм. Скоростьопределяющей может быть как первая, так и вторая стадия. Механизм Е1сВ встречается несколько реже, чем механизмы Е1 и Е2, но включает ряд важных реакций.

Механизм Е1 более вероятен в тех случаях, когда может образоваться достаточно устойчивый карбокатион, а уходящая группа хорошая; механизм Е1сВ – когда атом водорода при С² «кислый», т.е. образуется достаточно устойчивый карбанион; уходящая группа – плохая. В промежуточных случаях более вероятен механизм Е2. Для простых галогенпроизводных (галогеналканов) механизм Е1сВ нехарактерен (субстраты, реагирующие по этому механизму, содержат другие функциональные группы). Для третичных алкилгалогенидов характерен механизм Е1 (и конкурирующий с ним механизм S_N1), для первичных – Е2 (и S_N2); вторичные алкилгалогениды могут реагировать как по моно-, так и по бимолекулярным механизмам.

Региоселективность и регионаправленность реакций -элиминиро- вания. Для несимметричных субстратов возможны два или три направления отщепления, приводящих к изомерным продуктам. В простейшем примере субстратов типа (283) возможны два направления:

Атом водорода может отщепляться от менее гидрогенизированного атома углерода с образованием соединений (284) (элиминирование по правилу Зайцева) или от более гидрогенизированного с образованием соединений (285) (элиминирование по правилу Гофмана). Вопрос частично обсуждался при рассмотрении получения алкенов (стр. 76); здесь он будет обсужден несколько более подробно.

В случае механизма Е1 направление отщепления определяется не на лимитирующей стадии; поэтому все решает термодинамика – образуется более термодинамически устойчивый продукт. Для простых алкенов устойчивость тем выше, чем больше заместителей находится при двойной связи. Поэтому для галогеналканов при элиминировании по механизму Е1 доминирует элиминирование по правилу Зайцева [в соединениях (284) двойная связь более замещена, чем в соединениях (285)].

В случае механизма Е2 региоселективность ниже, но в большинстве случаев для галогеналканов все же преобладает отщепление по правилу Зайцева.

[В случае механизма Е1сВ преобладало бы отщепление по правилу Гофмана, но этот механизм для галогеналканов не характерен (см. выше)].

Для циклических субстратов могут появиться дополнительные моменты. Один из таких моментов – элиминирование в мостиковых субстратах:

Например, элиминирование из субстрата (286) (производного норборнана) идет формально по правилу Гофмана с образованием циклоалкена (287). Альтернативное («зайцевское») направление не проходит, потому что в соединении (288) заместители при двойной связи не могут находиться в одной плоскости; копланарность нарушается при атоме С¹ («в голове мостика»); поэтому невозможно эффективное перекрывание π-орбиталей, и соединение (288) крайне неустойчиво. Соответственно, соединение (289) с галогеном «в голове мостика» вообще не подвергается элиминированию (как и замещению, см. стр. 157)).

Приведенные примеры иллюстрируют известное правило Бредта (запрет Бредта): в мостиковых соединениях с малыми и обычными циклами наличие двойной связи «в голове мостика» (т.е. при узловом атоме) невозможно. В случае достаточно больших циклов запрет Бредта теряет силу, т.к. система приобретает конформационную подвижность, и становятся возможными конформации с «плоской» двойной связью в голове мостика.

Стереонаправленность элиминирования. При элиминировании по механизму Е2 реакция протекает только тогда, когда оба атома углерода, от которых идет отщепление, и обе отщепляемые группы находятся в одной плоскости (см. выше). Это возможно, если исходный субстрат находится в одной из двух конформаций – А или S:

В первом случае отщепляемые группы находятся по разные стороны от связи С-С; этот вариант называется анти-элиминированием; во втором случае они находятся по одну сторону от связи С-С; в этом случае наблюдается син-элиминирование. При этом могут образоваться разные стереоизомеры алкена; в частности, в приведенном примере при RН в результате анти-элиминирования образуется Z-алкен, а в результате син-элиминирования – Е-алкен. Конформация А (скошенная) более устойчива, чем конформация S (заслоненная); поэтому в условиях механизма Е2 для ациклических субстратов преобладает анти-элиминирование. В некоторых случаях оно полностью доминирует, в частности, в приведенном примере при R=Ph. В циклических субстратах, в которых вращение вокруг связей С-С ограничено, встречаются ситуации, когда анти-элиминирование невозможно; тогда происходит син-элиминирование.

При элиминировании по механизму Е1 стереоэлектронные требования отсутствуют; поэтому преимущественно образуется просто более устойчивый алкен; в частности, для 1,2-дизамещенных алкенов R¹CH=CHR² (особенно при объёмных радикалах R¹ и R²) более устойчивыми являются транс-изомеры (Е-изомеры), в которых радикалы расположены по разные стороны двойной связи и не отталкиваются друг от друга.

Таким образом, для получения алкенов требуемой геометрии (особенно цис-алкенов) целесообразно использовать реакции Е2-элиминирования, в которых стереоэлектронные требования связывают стереохимию исходного галогенида и образующегося алкена.

Конкурентное соотношение между реакциями β-элиминирования и нуклеофильного замещения. Выше подчеркивалось, что реакции Е и S_N протекают при действии на галогеналканы сходных реагентов и, следовательно, конкурируют между собой. Конкурентное соотношение этих реакций зависит от сочетания многих факторов; здесь будут приведены три важнейших.

А. Электронный фактор (соотношение нуклеофильности и основности). Этот фактор играет особую роль при конкуренции бимолекулярных механизмов (S_N2 – Е2). Как уже упоминалось, элиминирование идет тем легче, чем более сильным основанием Бренстеда является реагент (чем более он протофилен). Поэтому при необходимости провести именно элиминирование (а не замещение) используют сильные основания Бренстеда: типичными реагентами являются спиртовые растворы NaOH или КОН, а также алкоголяты RONa (ОН^-, RO^- - типичные жесткие основания). Эти реагенты сдвигают конкурентное соотношение в сторону элиминирования даже для первичных субстратов. Напротив, для замещения по механизму S_N2 необходима не бренстедовская основность, а нуклеофильность (что характерно для мягких оснований); поэтому такой реагент, как RS^- (тиолят-анион) реагирует с галогеналканами преимущественно по схеме замещения.

Б. Пространственный фактор. Здесь играют роль пространственные структуры как субстрата, так и реагента.

а) Структура субстрата. Сравним структуру продуктов реакций замещения и элиминирования, получаемых из субстрата 290:

В продукте нуклеофильного замещения (291) атомы углерода находятся в sр³-состоянии; они тетракоординированы; в продукте элиминирования атомы углерода находятся в sр²-состоянии; они трехкоординированы. Группы R¹…R⁴ в продукте (291) находятся ближе друг к другу, чем в продукте (292); поэтому, если эти заместители (или их часть) имеют достаточно большой объём, в продукте замещения возникает пространственное напряжение (отталкивание); в продукте элиминирования оно проявляется в меньшей степени. Поэтому при наличии в субстрате объёмных групп (особенно при С¹) преимущество получает реакция элиминирования. Это применимо и для моно- и для бимолекулярных механизмов, но особенно заметно – для бимолекулярных (конкуренция S_N2 - Е2). В этом случае переходное состояние реакции S_N2 (293) испытывает гораздо большее напряжение (пентакоординированный атом углерода), чем переходное состояние реакции Е2 (294) (атака на «окраинный» атом водорода):

Поэтому скорость реакции Е2 заметно выше, чем реакции S_N2.

Исходя из сказанного, ясно, что конкурентное соотношение больше всего сдвинуто в сторону элиминирования для третичных галогенидов, в меньшей степени – для вторичных и в наименьшей степени – для первичных. В случае бимолекулярных механизмов для третичных галогенидов, как правило, вообще не удается провести реакцию нуклеофильного замещения.

б). Структура реагента. Чем более экранирован основный (нуклеофильный) атом реагента, тем более предпочтительна реакция элиминирования. Действительно, сильно разветвленный реагент может атаковать лишь «периферийный» атом водорода (как основание) и не может «пробиться» к более «глубоко» расположенному атому углерода (как нуклеофил). В качестве примеров можно привести диизопропиламид лития (LDA) и 2,6-дитрет-бутилпиридин (DBP):

В обоих реагентах атом азота сильно экранирован изопропильными и трет-бутильными группами. LDA, помимо этого, является сильнейшим основанием (еще более сильным, чем ион NH₂‾), поэтому он исключительно энергично отрывает протон от субстратов, за что даже получил прозвище «протонного гарпуна». DBP – слабое основание, но «никакой» нуклеофил, поэтому может использоваться для «мягкого» элиминирования, например, для субстратов, которые могут претерпевать побочные реакции под действием такого супероснования, как LDA.

В. Температура. С ростом температуры реакции растет доля продукта элиминирования. Это связано с тем, что при элиминировании энтропия системы возрастает (т.к. образуется большее число частиц, чем в исходной системе). Поэтому с ростом температуры увеличивается значение TΔS, благоприятствующее протеканию этой реакции.

Из сказанного выше можно заключить, что при необходимости провести замещение (особенно для вторичных и третичных субстратов) лучше проводить реакцию по мономолекулярному механизму, использовать слабые основания (по Бренстеду) и вести реакцию при возможно более низких температурах; при необходимости провести элиминирование приведенные условия следует изменить на противоположные.

К реакциям -элиминирования относится также дегалогенирование виц-дигалогенидов при действии металлов, например, цинка:

Э та реакция не конкурирует с реакциями замещения.