Алканы и алкены: реакционная способность, строение и синтез

Алканы называют парафинами — от латинского parum affinis, «малосродственный». Действительно, с кислотами, щелочами, перманганатом и бромной водой при комнатной температуре они не реагируют. Но на этой «инертности» стоит вся нефтехимия: из алканов делают бензин с высоким октановым числом, этилен и пропилен для пластмасс, моющие средства, растворители и найлон. Нужно только знать, какими средствами молекулу алкана можно «расшевелить»: радикалами, очень сильными кислотами или катализаторами. Алкены, напротив, реагируют охотно, и главная задача химика здесь — построить двойную связь в нужном месте и с нужной геометрией.

Статья написана по материалам университетского курса органической химии и рассчитана на тех, кто уже знаком с основами (что такое алканы и алкены, гибридизация, радикальное галогенирование). Мы разберём радикальные реакции алканов, которые выходят за пределы школьной программы, — сульфохлорирование, нитрование, окисление кислородом, крекинг и риформинг; затем ионные реакции алканов в суперкислотах, за которые Джордж Ола получил Нобелевскую премию. Во второй половине — строение двойной связи, E/Z-номенклатура, устойчивость алкенов и напряжённые алкены, а затем методы синтеза: элиминирование, расщепление по Гофману, восстановление алкинов, реакции Виттига, МакМурри и Хека. В конце — раздел для олимпиад и 22 задания с разбором. Основы — в статьях «Алканы и циклоалканы» и «Алкены», реакции присоединения — в статье «Реакции алкенов».

• 1. Почему алканы малоактивны
• 2. Сульфохлорирование и сульфоокисление
• 3. Нитрование: реакция Коновалова
• 4. Окисление кислородом
• 5. Крекинг, риформинг и перегруппировки
• 6. Алканы в суперкислотах
• 7. Двойная связь
• 8. Геометрическая изомерия и E/Z-номенклатура
• 9. Какие алкены устойчивее
• 10. Напряжённые алкены и правило Бредта
• 11. Элиминирование галогеноводородов
• 12. Дегидратация спиртов
• 13. Дегалогенирование дигалогенидов
• 14. Расщепление по Гофману и син-элиминирование
• 15. Дегидрирование алканов
• 16. Восстановление алкинов
• 17. Реакция Виттига
• 18. Реакция МакМурри
• 19. Реакция Хека
• 20. Как выбрать метод синтеза
• 21. Из истории
• 22. Что нужно знать для ЕГЭ
• 23. Для олимпиад
• Задания с разбором
• Литература

1. Почему алканы малоактивны

В молекуле алкана есть только два типа связей — C–C и C–H, и обе одинарные, σ-типа. У таких связей три свойства, из-за которых алкану «нечем» реагировать с большинством реагентов.

• Связи прочные. Чтобы разорвать связь C–H в метане на два радикала, нужно 439 кДж/моль; в этане — 421, у вторичного атома углерода (пропан) — 411, у третичного (изобутан) — 400 кДж/моль [1]. Связи C–C немного слабее (около 350–380 кДж/моль), но они спрятаны внутри молекулы, за «шубой» из атомов водорода.
• Связи почти неполярны. Электроотрицательность углерода (2,55) и водорода (2,20) различается мало. На атомах нет заметных зарядов, и ни нуклеофил, ни электрофил не находят в молекуле «точки приложения».
• Нет неподелённых пар и π-электронов. Электроны связей C–H и C–C находятся на низких по энергии σ-орбиталях, а свободные орбитали (σ*) лежат высоко. Алкан — очень слабый донор электронов и очень слабый акцептор. Даже как кислота метан ничтожен: его pK_a оценивают примерно в 50, то есть он слабее воды в 10³⁴ раз [2].

Отсюда три способа заставить алкан реагировать, и все они встретятся в статье.

1. Радикалы. Частица с неспаренным электроном (Cl•, NO₂•, RO₂•) отрывает атом водорода, и образуется алкильный радикал. Если образующаяся связь (H–Cl, 432 кДж/моль) прочнее разрываемой, стадия выгодна. Так идут галогенирование, сульфохлорирование, нитрование, окисление кислородом и термический крекинг.
2. Очень сильные электрофилы. В суперкислотах протон настолько «голый», что атакует саму σ-связь — электронную пару между атомами C и H. Так получаются карбокатионы прямо из алканов.
3. Металлы. Поверхность платины, комплексы иридия, родия, палладия способны встраиваться в связь C–H. На этом основаны риформинг, дегидрирование и современная «активация C–H связей».

2. Сульфохлорирование и сульфоокисление

Если через алкан на свету пропускать смесь хлора и диоксида серы, вместо хлоралкана получается алкансульфонилхлорид R–SO₂Cl. Реакцию открыл американский химик Рид (C. F. Reed) в 1936 году, и её часто называют реакцией Рида [4]. Суммарно

R–H + SO₂ + Cl₂ → R–SO₂Cl + HCl.

Это цепная радикальная реакция. Её главная тонкость — в том, что алкильный радикал успевает присоединить молекулу SO₂ раньше, чем встретит хлор: диоксид серы берут в избытке, а присоединение радикала к атому серы идёт почти без барьера.

Атом водорода отрывает тот же атом хлора, что и при хлорировании, поэтому избирательность невелика: в длинной цепи сульфонильная группа встаёт практически к любому вторичному атому углерода, и продукт — смесь изомеров. Третичные атомы углерода сульфохлорирования почти не дают. Причина в том, что присоединение радикала к SO₂ обратимо: R• + SO₂ ⇄ RSO₂•, и для устойчивого третичного радикала равновесие сдвинуто влево. Третичный радикал успевает «сбросить» SO₂ и реагирует с хлором — получается третичный хлоралкан [2].

Сульфонилхлориды — ценные полупродукты. Щёлочь превращает их в натриевые соли алкансульфокислот R–SO₃Na. Если R — цепь из 12–18 атомов углерода, такая соль — поверхностно-активное вещество: углеводородный «хвост» растворяется в жире, а ионная группа — в воде. В Германии в годы Второй мировой войны сульфохлорированием парафинов, полученных из угля по Фишеру — Тропшу, делали моющее средство «мерзолят», заменявшее мыло, на которое не хватало жиров [4]. Со спиртами в присутствии основания сульфонилхлориды дают эфиры сульфокислот — R′–O–SO₂R. Сульфонатная группа — одна из лучших уходящих групп, поэтому метансульфонаты (мезилаты) и п-толуолсульфонаты (тозилаты) постоянно используют, чтобы превратить «плохую» уходящую группу OH в хорошую.

Если хлор заменить кислородом, получается сульфоокисление: на ультрафиолетовом свету алкан, SO₂ и O₂ дают алкансульфокислоту R–SO₃H. Радикал R–SO₂• присоединяет O₂, образуется пероксисульфонильный радикал R–SO₂–O–O•, который отрывает водород от следующей молекулы алкана. Этим способом из н-парафинов C₁₄–C₁₇ и сейчас получают вторичные алкансульфонаты — компонент жидких моющих средств, который хорошо разлагается бактериями [4].

3. Нитрование: реакция Коновалова

Концентрированная азотная кислота, которая легко нитрует бензол, с алканами при комнатной температуре почти не реагирует: в ней действует катион нитрония NO₂⁺, а ему нужны π-электроны. Алканы нитруются по другому механизму — радикальному.

В 1888 году Михаил Иванович Коновалов, тогда сотрудник Московского университета, нагревал «нафтены» кавказской нефти с разбавленной азотной кислотой в запаянных стеклянных трубках и получил нитросоединения. В 1890-е годы он показал, что так нитруются и алканы: при 130–140 °C и 12–14 %-й кислоте замещается атом водорода, причём легче всего у третичного атома углерода, затем у вторичного [5]. Разбавленная кислота работает лучше концентрированной, потому что концентрированная окисляет алкан и разрушает углеродную цепь.

Механизм нитрования — радикальная цепь, в которой переносчиком служит молекула NO₂, сама являющаяся радикалом.

Проще всего проследить цепь на метане. При 400 °C он нитруется парами азотной кислоты до нитрометана:

CH₄ + HNO₃ 400 °C CH₃NO₂ + H₂O

CH₄ + NO₂• → CH₃• + HNO₂;   CH₃• + NO₂• → CH₃NO₂;   HNO₂ + HNO₃ → H₂O + 2 NO₂•.

Сумма трёх стадий даёт итоговое уравнение. Две частицы NO₂•, потраченные на первых двух стадиях, возвращаются на третьей, поэтому радикал не расходуется — он переносчик цепи.

В 1930-х годах в Университете Пердью Генри Хасс перенёс реакцию Коновалова в газовую фазу: пары алкана и азотной кислоты пропускают через реактор при 400–450 °C, время контакта — секунды [6]. Здесь избирательность почти теряется: при такой температуре радикал NO₂• отрывает любые атомы водорода, а алкоксильные радикалы RO• из алкилнитритов распадаются с разрывом связей C–C. Поэтому из пропана получается смесь всех четырёх возможных нитроалканов — 1- и 2-нитропропана, нитроэтана и нитрометана, а из этана — нитроэтан и нитрометан. Смесь легко разделяется перегонкой, а каждый компонент находит применение [7]. Нитрометан — растворитель, полупродукт синтеза и знаменитое топливо: на нём ездят драгстеры класса Top Fuel и летают модели самолётов, потому что в молекуле CH₃NO₂ окислитель уже содержится и на сгорание нужно меньше воздуха. 2-Нитропропан — растворитель лаков и красок.

Каркасные молекулы нитруются по узловым атомам. У адамантана четыре третичных атома углерода, и все они в вершинах каркаса. С тетраоксидом диазота N₂O₄ (в равновесии с NO₂) при 85 °C получается в основном 1-нитроадамантан, при 110 °C — 1,3-динитроадамантан, а при 160 °C — 1,3,5-тринитроадамантан: чем выше температура, тем больше радикалов NO₂• и тем больше узловых атомов успевает прореагировать.

Электроноакцепторный заместитель замедляет реакцию: уже введённая нитро- или сложноэфирная группа делает соседние связи C–H беднее электронами, а радикал NO₂• электрофилен. Поэтому метиловый эфир адамантан-1-карбоновой кислоты нитруется при 20 °C только по одному узловому атому, а второй нитрогруппе нужна температура 140 °C. Связи C–H кубана ещё прочнее (атомы углерода в нём имеют повышенный s-характер связей C–H из-за углов 90°), и диэфир кубан-1,4-дикарбоновой кислоты с N₂O₄ за год даёт лишь 14 % нитропроизводного. Нитрование кубана долго не удавалось. Октанитрокубан C₈(NO₂)₈, в котором каждый атом углерода несёт нитрогруппу, Филип Итон получил только в 2000 году, после почти двадцати лет работы, причём последние нитрогруппы пришлось вводить окольными путями через анионы [8]. Ожидали рекордную взрывчатку: напряжённый каркас плюс восемь нитрогрупп и ни одного атома водорода. Но кристаллы оказались менее плотными, чем предсказывал расчёт, и рекорда не случилось.

4. Окисление кислородом

Алканы горят — это самая энергетически значимая их реакция. Но при 100–200 °C в жидкой фазе, особенно в присутствии солей кобальта и марганца, кислород окисляет алкан не до CO₂, а до гидропероксидов, спиртов, кетонов и карбоновых кислот. Это тоже радикальная цепь, она называется автоокислением [9].

Роль металла — разлагать гидропероксид. Без катализатора ROOH накапливается и распадается медленно, а соль кобальта или марганца, переходя из одной степени окисления в другую (Co²⁺/Co³⁺, Mn²⁺/Mn³⁺), превращает каждую молекулу ROOH в радикалы. Число цепей растёт, реакция ускоряется. Из гидропероксида вторичного атома углерода получаются спирт и кетон; дальнейшее окисление кетона рвёт соседнюю связь C–C, и образуются две карбоновые кислоты с более короткими цепями.

На автоокислении построены крупные производства.

• Циклогексан → адипиновая кислота. Циклогексан окисляют воздухом при 150–160 °C в присутствии нафтената кобальта. Степень превращения держат на уровне 4–6 %: циклогексанол и циклогексанон окисляются легче самого циклогексана, и при большей глубине реакции растёт доля побочных продуктов [9]. Смесь спирта и кетона окисляют азотной кислотой до адипиновой кислоты HOOC(CH₂)₄COOH, а из неё и гексаметилендиамина делают найлон-6,6. Побочный продукт этой стадии — оксид азота(I) N₂O, парниковый газ, примерно в 300 раз более сильный, чем CO₂; поэтому на заводах адипиновой кислоты теперь стоят установки его разложения.
• Бутан → уксусная кислота. Жидкофазное окисление бутана воздухом при 150–200 °C и давлении около 50 атм на ацетатах кобальта и марганца долго было одним из главных способов получения уксусной кислоты. Цепь из четырёх атомов рвётся посередине, и из одной молекулы бутана получаются две молекулы кислоты; сейчас этот способ вытеснен карбонилированием метанола.
• Изобутан → гидропероксид трет-бутила. Здесь окисляется связь C–H у третичного атома, самая слабая в молекуле. Гидропероксид затем передаёт атом кислорода пропилену, и получаются оксид пропилена и трет-бутиловый спирт.
• Парафин → жирные кислоты. Окислением твёрдого парафина (C₂₀–C₃₅) с солями марганца получают смесь синтетических жирных кислот разной длины: цепь рвётся в случайных местах. В Германии 1930-х годов из таких кислот делали мыло.

Окисление углеводородов кислородом — не только технология, но и источник опасности. 1 июня 1974 года на заводе по окислению циклогексана во Фликсборо (Англия) лопнул временный трубопровод, поставленный вместо снятого реактора; десятки тонн горячего циклогексана под давлением вырвались наружу, облако паров взорвалось, погибли 28 человек [10]. Эта авария во многом определила современные правила промышленной безопасности: любые изменения на установке должны проходить ту же инженерную проверку, что и исходный проект.

5. Крекинг, риформинг и перегруппировки

Термический крекинг

При нагревании до 450–900 °C без доступа воздуха длинные молекулы алканов распадаются на более короткие алканы и алкены. Первую установку непрерывного термического крекинга запатентовали в России Владимир Шухов и Сергей Гаврилов в 1891 году; промышленный процесс появился в США в 1913 году (Уильям Бёртон). Сегодня термическим крекингом мазута получают дополнительный бензин и дизельное топливо, а пиролизом (паровым крекингом) этана, пропана и бензина при 800–900 °C — этилен и пропилен; мировое производство этилена превышает 200 млн т в год.

Механизм — радикальная цепь, которую в 1934 году описали Ф. Райс и К. Херцфельд [11].

1. Зарождение. Самая слабая связь в молекуле — C–C (около 350 кДж/моль, слабее C–H). Она рвётся гомолитически, и образуются два алкильных радикала.
2. β-Распад. Алкильный радикал рвёт связь C–C, удалённую на один атом от неспаренного электрона. Неспаренный электрон и один электрон разрываемой связи образуют π-связь, второй электрон уходит с осколком. Получаются молекула алкена и радикал, короче исходного. Для первичного радикала R–CH₂–CH₂• осколок — всегда этилен, поэтому этилен — главный продукт крекинга.
3. Передача цепи. Радикал отрывает атом водорода от новой молекулы сырья. Сам он становится алканом, а молекула сырья — радикалом, который распадается дальше.
4. Обрыв. Два радикала рекомбинируют или диспропорционируют (один отдаёт другому атом водорода: получаются алкан и алкен).

Радикалы практически не перегруппировываются, поэтому продукты термического крекинга — в основном линейные: этилен, линейные α-олефины, н-алканы, немного метана и водорода. Для бензина это плохо: линейные алканы детонируют.

Октановое число

В бензиновом двигателе смесь паров с воздухом сжимают и поджигают искрой. Если часть смеси самовоспламеняется раньше прихода фронта пламени, возникает детонация — ударная волна, металлический стук и разрушение поршней. Устойчивость топлива к детонации выражают октановым числом. Шкалу предложил в 1927 году Грэм Эдгар: гептану приписали 0, а 2,2,4-триметилпентану («изооктану») — 100 [12].

Разветвлённые алканы и арены детонируют гораздо меньше линейных. Причина — в химии предпламенного окисления. В линейной цепи много вторичных атомов водорода, и пероксильные радикалы легко внутримолекулярно отрывают их, порождая новые радикалы, — цепь разветвляется лавинообразно. В разветвлённых молекулах таких удобных атомов меньше, а в аренах нет вовсе. Поэтому задача нефтепереработки — превратить линейные алканы в разветвлённые и ароматические. Для этого служат каталитический крекинг, риформинг, изомеризация и алкилирование.

Каталитический крекинг

В 1936 году французский инженер Эжен Гудри пустил в США первую установку крекинга на алюмосиликатном катализаторе, а с 1960-х годов катализатором стали цеолиты — кристаллические алюмосиликаты с порами размером с молекулу [13]. Каталитический крекинг идёт при 480–550 °C, то есть ниже термического, и через другие частицы — карбокатионы. Кислотные центры цеолита (группы Si–O(H)–Al, по силе сравнимые с концентрированной серной кислотой) протонируют следы алкенов или отнимают у алкана гидрид-ион [14].

У карбокатионов есть то, чего нет у радикалов: они быстро перегруппировываются — гидрид-ион и метильная группа перескакивают к соседнему атому, и вторичный катион превращается в третичный. Затем катион рвётся по β-связи, причём так, чтобы оба осколка были по возможности не хуже вторичных: изобутен и втор-бутил-катион выгоднее этилена и первичного катиона. Поэтому продукты каталитического крекинга — разветвлённые алканы и алкены C₃–C₈, почти без метана и этилена, — и бензин получается высокооктановым. При малой глубине превращения, как показали В. Хааг и Р. Дессау в 1984 году, цеолит протонирует сам алкан по связи C–H или C–C, и образуется пятикоординированный карбониевый ион (о таких ионах — в разделе 6) [14].

Риформинг

Каталитический риформинг превращает бензиновую фракцию с низким октановым числом в смесь, богатую аренами. Катализатор — платина (часто вместе с рением) на оксиде алюминия, обработанном хлором; условия — 480–520 °C, давление водорода. Такой катализатор бифункционален: платина отщепляет и присоединяет водород, а кислотные центры носителя перестраивают углеродный скелет [15].

Главные реакции риформинга — дегидрирование циклогексанов в арены, изомеризация циклопентанов в циклогексаны, дегидроциклизация алканов (гептан превращается в толуол, октан — в ксилолы) и изомеризация линейных алканов в разветвлённые. Например,

C₇H₁₆ Pt, t° C₇H₈ + 4H₂

Попутно получается много водорода, без которого нефтеперерабатывающий завод не может очищать топливо от серы. Первый процесс на платине, «платформинг», запустила компания UOP в 1949 году; его автор Владимир Хенсел родился в 1914 году во Фрайбурге и вырос в Москве, откуда в 16 лет уехал с семьёй в США.

Перегруппировки: путь к адамантану

Сильные кислоты Льюиса (AlCl₃, AlBr₃) в присутствии следов воды или HCl тоже порождают карбокатионы из алканов. Катион многократно перегруппировывается, отдаёт и забирает гидрид-ионы и в конце концов приводит молекулу к термодинамически самому устойчивому изомеру. Самый эффектный пример нашёл Пауль фон Рагé Шлейер в 1957 году [16].

Адамантан C₁₀H₁₆ — это фрагмент решётки алмаза: десять атомов углерода расположены так же, как в кристалле, все циклы — кресла без напряжения. Впервые его выделили в 1933 году из нефти месторождения Годонин в Чехословакии; Владимир Прелог в 1941 году синтезировал его многостадийным путём с выходом 0,16 %. Перегруппировка Шлейера сразу дала 15–20 % из доступного сырья, и адамантан стал дешёвым реактивом. Из него сделали лекарства: амантадин и ремантадин (против гриппа А) и мемантин (при болезни Альцгеймера) [16]. В природном газе нашлись и «высшие алмазоиды» — молекулы из нескольких сросшихся адамантановых клеток размером около нанометра; их выделили в 2003 году [17].

6. Алканы в суперкислотах

Суперкислотами называют кислоты сильнее 100 %-й серной. Силу таких сред измеряют функцией кислотности Гаммета H₀: для 100 %-й H₂SO₄ она равна −12, а у смесей фтороводорода или фторсульфоновой кислоты с пентафторидом сурьмы опускается до −20 и ниже. Шкала логарифмическая: разница в 8 единиц означает, что протонирующая способность выше в 10⁸ раз [18]. Роль SbF₅ — связать фторид-ион в очень устойчивый и очень слабо основный анион SbF₆⁻ (или Sb₂F₁₁⁻), так что протону просто не к кому присоединиться.

Смесь FSO₃H–SbF₅ называют «магической кислотой». Название появилось в 1966 году в лаборатории Джорджа Олы в Кливленде: на рождественской вечеринке сотрудник Йозеф Лукас опустил в эту смесь кусочек парафиновой свечи, свеча растворилась, а ЯМР раствора показал трет-бутил-катион [19]. Из прямых цепей парафина в кислоте получился самый устойчивый катион C₄ — следы того, что алкан протонировался, рвался и перегруппировывался.

Протонирование σ-связи и ион CH₅⁺

Протон не может присоединиться к неподелённой паре алкана — у алкана их нет. Он атакует электронную пару связи C–H. Образуется частица, где пять атомов водорода связаны с одним атомом углерода, — ион метония CH₅⁺. В нём восемь валентных электронов, то есть четыре пары на пять «связей». Три пары образуют обычные двухэлектронные связи C–H, а четвёртая связывает сразу три атома — углерод и два водорода. Это трёхцентровая двухэлектронная связь, такая же, как мостики B–H–B в диборане [20].

Ион CH₅⁺ впервые увидели в масс-спектрах метана в 1952 году В. Л. Тальрозе и А. К. Любимова в Москве. В растворе он живёт ничтожно мало, но реакции метана в суперкислотах показывают, что он образуется [21]. Если растворить метан в DSO₃F–SbF₅, атомы водорода постепенно заменяются на дейтерий: CH₄ → CH₃D → CH₂D₂ и так далее. Каждый обмен — это присоединение D⁺ к связи C–H с образованием CH₄D⁺ и отщепление H⁺. Одновременно часть ионов теряет H₂ и даёт метил-катион, который атакует следующую молекулу метана; так в магической кислоте из метана получаются трет-бутил- и другие катионы C₄–C₆. У адамантана в DF–SbF₅ на дейтерий обмениваются только четыре атома водорода при узловых атомах углерода: протон атакует самые богатые электронами третичные связи C–H.

Строение CH₅⁺ оказалось одной из самых трудных задач спектроскопии. Расчёты дают «равновесную» структуру — фрагмент CH₃, к которому трёхцентровой связью присоединена пара атомов H, — но барьер для перескока атомов водорода между позициями меньше 1 кДж/моль. Все пять атомов водорода непрерывно меняются местами, и молекула не имеет определённой формы даже в основном колебательном состоянии. Инфракрасный спектр «голого» CH₅⁺ удалось получить и объяснить только в 2005 году [22], а в 2015 году та же группа из Кёльна измерила его вращательные уровни при температуре около 10 К; спектр не похож на спектр ни одной «жёсткой» молекулы [23].

Карбониевые и карбениевые ионы

Ола в 1972 году предложил различать два типа карбокатионов [20]. Карбениевые ионы (R₃C⁺, например трет-бутил-катион) — трёхкоординированные, плоские, с пустой p-орбиталью; это «обычные» карбокатионы реакций S_N1, E1 и электрофильного присоединения. Карбониевые ионы (CH₅⁺, R₃CH₂⁺) — пяти- или четырёхкоординированные, с трёхцентровой связью; они возникают, когда электрофил атакует σ-связь. К этому же типу Ола отнёс неклассический 2-норборнильный катион, спор о строении которого длился полвека (подробнее — в статье «Электрофильное присоединение к алкенам»).

Что происходит с алканами в суперкислотах

Ола и его сотрудники установили порядок, в котором протон атакует σ-связи: связь C–H у третичного атома углерода > связь C–C > связь C–H у вторичного атома >> связь C–H у первичного [18]. Карбониевый ион, образовавшийся при атаке, может пойти по одному из трёх путей:

• потерять H₂ — получается карбениевый ион (из изобутана — трет-бутил-катион, устойчивый в растворе при −78 °C часами);
• распасться по связи C–C на алкан и меньший карбениевый ион — это протолитический крекинг, который идёт уже при комнатной температуре;
• вернуть протон и остаться исходным алканом, но с обменянным атомом водорода (дейтерообмен).

В общем виде электрофил E⁺ (протон, карбениевый ион, NO₂⁺) атакует σ-связь C–H или C–C и образует карбониевый ион с трёхцентровой связью, который распадается одним из двух способов:

R₃C–H + E⁺ → [R₃C···H···E]⁺ → R₃C⁺ + H–E (перенос гидрид-иона) или R₃C–E + H⁺ (электрофильное замещение);
R₃C–CR₃ + E⁺ → [R₃C···E···CR₃]⁺ → R₃C–E + R₃C⁺ (замещение у атома углерода с разрывом связи C–C).

Карбениевый ион, встретив другую молекулу алкана, чаще всего забирает у неё гидрид-ион. Эта реакция — межмолекулярный перенос гидрид-иона — быстрая и обратимая; она связывает все катионы в растворе в одну систему равновесий. Реже катион атакует связь C–H «по-настоящему» и образует новую связь C–C: Ола наблюдал, как трет-бутил-катион с изобутаном даёт 2,2,3,3-тетраметилбутан, но с выходом всего около 2 %; менее объёмный изопропил-катион с изобутаном даёт 2,2,3-триметилбутан с выходом 12 % [18]. Так же, через атаку σ-связи, нитроний-катион из солей NO₂⁺PF₆⁻ нитрует алканы и даже рвёт связь C–C с образованием нитроалкана меньшей длины [24], а хлор в присутствии SbF₅ хлорирует метан ионным путём (в растворе выход хлорметана всего 3–5 %). На твёрдых суперкислотах из метана таким путём получают хлорметан с избирательностью выше 90 %, почти без CH₂Cl₂ и CHCl₃, — в отличие от радикального хлорирования [25].

Алкилирование: карбокатионы в промышленности

Та же химия — протонирование, присоединение катиона к алкену и перенос гидрид-иона — лежит в основе алкилирования изобутана бутенами. Реакция идёт в концентрированной серной кислоте при 0–10 °C или в безводном фтороводороде. Получается «алкилат» — смесь разветвлённых алканов C₈, главным образом триметилпентанов, с октановым числом 92–96, без аренов и серы. Это один из лучших компонентов бензина [26].

Ключевая стадия — перенос гидрид-иона от изобутана к катиону C₈: она одновременно даёт продукт и регенерирует трет-бутил-катион, так что на одну молекулу кислоты приходятся тысячи молекул продукта. Фтороводород очень опасен (облако HF при утечке смертельно), поэтому ищут замену: с 2020-х годов работают установки на кислых ионных жидкостях с хлоридом алюминия.

Ола получил Нобелевскую премию по химии 1994 года «за вклад в химию карбокатионов». Венгр по происхождению, он уехал из Будапешта после событий 1956 года, работал в американской промышленности и университетах, а в последние десятилетия занимался «метанольной экономикой» — идеей получать метанол из CO₂ и водорода и использовать его как топливо и сырьё вместо нефти. Он умер в 2017 году.

7. Двойная связь

В этилене каждый атом углерода связан с тремя атомами и находится в sp²-гибридизации. Три гибридные орбитали лежат в одной плоскости под углами около 120°: две образуют σ-связи с атомами водорода, третья — σ-связь C–C. У каждого атома остаётся негибридная p-орбиталь, перпендикулярная плоскости молекулы. Две p-орбитали перекрываются боковыми «лепестками» над и под плоскостью — так образуется π-связь. Двойная связь — это одна σ-связь и одна π-связь [27].

Двойная связь прочнее одинарной, но не вдвое: 614 кДж/моль вместо 2 × 348 = 696. Значит, π-составляющая стоит около 614 − 348 = 266 кДж/моль, заметно меньше σ-связи. Причина — боковое перекрывание p-орбиталей слабее, чем перекрывание «лоб в лоб». Независимая оценка энергии π-связи — барьер термической цис-транс-изомеризации бут-2-ена, около 260 кДж/моль [28]: чтобы повернуть одну половину молекулы относительно другой, нужно разорвать именно π-связь. Близость двух чисел подтверждает простую модель «σ + π».

Из этого следует химия алкенов. Когда к алкену что-то присоединяется, рвётся слабая π-связь (≈ 266 кДж/моль), а образуются две σ-связи (например, C–H и C–Br, вместе около 700 кДж/моль). Поэтому присоединение почти всегда выгодно: гидрирование этилена выделяет 137 кДж/моль. А электроны π-связи лежат выше по энергии, чем электроны σ-связей, и вынесены из плоскости молекулы — их легко «достать» электрофилу. Алкен — нуклеофил, и большинство его реакций начинается с атаки электрофила на π-электроны (подробнее — в статье «Электрофильное присоединение к алкенам»).

Барьер вращения в 260 кДж/моль настолько высок, что при комнатной температуре цис- и транс-изомеры бут-2-ена не превращаются друг в друга практически никогда — время полупревращения превышает 10²⁴ лет (расчёт — в разделе для олимпиад). Сравните: в бутане вращение вокруг центральной связи C–C встречает барьер около 20 кДж/моль, и конформации меняются миллиарды раз в секунду. Но квант света может перевести электрон с π- на π*-орбиталь; в возбуждённом состоянии порядок связи падает до одного, и вращение становится свободным. На этом устроено зрение: в родопсине 11-цис-ретиналь, поглотив фотон, поворачивается вокруг двойной связи в полностью транс-форму за 200 фемтосекунд — это одна из самых быстрых химических реакций в природе [29].

8. Геометрическая изомерия и E/Z-номенклатура

Если у каждого из двух атомов двойной связи два разных заместителя, возможны два пространственных изомера. У бут-2-ена метильные группы могут стоять по одну сторону двойной связи (цис) или по разные (транс). Это разные вещества с разными свойствами: цис-бут-2-ен кипит при 3,7 °C, транс — при 0,9 °C; цис-изомер полярен (0,3 Д), транс — нет, так как дипольные моменты связей взаимно уничтожаются. Ещё ярче разница у кислот: малеиновая (цис-бутендиовая) плавится при 135 °C и при нагревании легко отщепляет воду с образованием циклического ангидрида, а фумаровая (транс) плавится лишь около 290 °C (в запаянном капилляре) и ангидрида не образует — её карбоксильные группы слишком далеко друг от друга. Фумарат — промежуточное соединение цикла Кребса, и фермент фумараза присоединяет к нему воду, не трогая малеат.

Обозначения «цис» и «транс» удобны, только когда у двойной связи два одинаковых заместителя или два атома водорода. Для 1-бром-1-хлорпропена или 3-метилпент-2-ена непонятно, «что с чем» сравнивать. Поэтому IUPAC использует E/Z-систему, основанную на правилах старшинства Кана — Ингольда — Прелога [30, 31]:

1. У каждого из двух атомов двойной связи выбирают старший из двух заместителей. Старше тот, у которого больше атомный номер первого атома (Br > Cl > O > N > C > H).
2. Если первые атомы одинаковы, сравнивают наборы атомов, связанных с ними, по убыванию атомного номера: у этила (C, H, H) старше, чем у метила (H, H, H); у CH₂OH (O, H, H) старше, чем у изопропила (C, C, H) — решает первое различие, а не сумма.
3. Кратные связи учитываются удвоением: C=O считают как атом углерода, связанный с двумя атомами кислорода.
4. Если два старших заместителя по одну сторону двойной связи — изомер Z (от нем. zusammen, «вместе»), если по разные — E (entgegen, «напротив»).

Важно понимать, что Z не всегда означает «цис». В (E)-1-бром-1-хлорпроп-1-ене (формула 4) метильная группа стоит по одну сторону с хлором, и по привычке хочется назвать изомер «цис», — но старший заместитель у первого атома углерода — бром, а он по другую сторону от метила. Обозначения цис/транс описывают положение конкретных групп, а E/Z — положение старших групп; формально это разные системы.

9. Какие алкены устойчивее

Сравнить устойчивость изомерных алкенов позволяет теплота гидрирования. Если два алкена при гидрировании дают один и тот же алкан, то тот, который выделяет меньше теплоты, исходно находился ниже по энергии — то есть устойчивее. В 1935–1936 годах в Гарварде Джордж Кистяковский с сотрудниками измерил теплоты гидрирования десятков алкенов в газовой фазе с точностью до десятых долей килокалории [32].

Из этих данных следует ряд устойчивости:

тетразамещённые > тризамещённые > транс-дизамещённые ≈ 1,1-дизамещённые > цис-дизамещённые > монозамещённые > этилен.

Каждая алкильная группа у двойной связи стабилизирует алкен примерно на 5–10 кДж/моль. Объяснений два, и оба работают одновременно [3].

• Гиперконъюгация. Электроны соседних σ-связей C–H алкильной группы частично делокализуются на свободную π*-орбиталь двойной связи. Чем больше алкильных групп, тем больше таких взаимодействий. Тот же эффект стабилизирует карбокатионы и радикалы, но там он сильнее, потому что орбиталь не π*, а полностью пустая p-орбиталь.
• Прочность связей. Связь между sp²- и sp³-атомами углерода прочнее, чем между двумя sp³-атомами: в sp²-орбитали больше s-характера. Переместить алкильную группу с насыщенного атома на атом двойной связи — значит заменить связь C_sp3–C_sp3 на более прочную C_sp2–C_sp3.

Отдельный случай — цис-транс. Транс-бут-2-ен на 4,2 кДж/моль устойчивее цис-изомера (теплоты гидрирования 115,5 и 119,7 кДж/моль). Причина пространственная: в цис-изомере метильные группы направлены друг к другу, и их атомы водорода сближаются до расстояния меньше суммы ван-дер-ваальсовых радиусов. Если цис- и транс-бут-2-ен уравновесить в присутствии кислоты (через протонирование и депротонирование), получится около 84 % транс- и 16 % цис-изомера; это прямо следует из разности энергий: K = e^{4200/(8,314 · 298)} ≈ 5,4. Для объёмных групп разница растёт: у цис-ди-трет-бутилэтилена напряжение превышает 40 кДж/моль.

Из устойчивости алкенов вытекает несколько правил, которые встретятся дальше.

• Правило Зайцева (1875): при элиминировании преимущественно образуется более замещённый алкен — потому что переходное состояние элиминирования уже похоже на алкен и «чувствует» его устойчивость [33].
• Миграция двойной связи. В присутствии кислот, оснований или переходных металлов концевые алкены изомеризуются во внутренние: бут-1-ен на 11 кДж/моль менее устойчив, чем транс-бут-2-ен.
• Термодинамический контроль. Если реакция обратима, в продуктах преобладает E-алкен и наиболее замещённый алкен; чтобы получить Z-алкен или концевой алкен, нужна реакция под кинетическим контролем (восстановление по Линдлару, реакция Виттига, расщепление по Гофману).

10. Напряжённые алкены и правило Бредта

Транс-циклоалкены

В малом цикле двойная связь может быть только цис: «перекинуть» короткую цепь через двойную связь с противоположной стороны нельзя. Начиная с восьмичленного цикла транс-изомер существует, но платит за это напряжением. Хорошо видно его по теплотам гидрирования [34].

Измерено в растворе уксусной кислоты; абсолютные значения меньше газофазных, но разность изомеров сопоставима.

У транс-циклооктена напряжение почти 40 кДж/моль. Цепь из шести атомов CH₂ не может соединить концы двойной связи «с разных сторон», не скрутив её: p-орбитали перекрываются под углом, валентные углы растянуты, атомы водорода внутри кольца теснятся. У циклоундецена разница исчезает, а в ещё больших циклах, как и в открытых цепях, транс-изомер устойчивее. Транс-циклогептен существует только при низких температурах, транс-циклогексен — микросекунды после облучения светом. Транс-циклооктен впервые получили в 1953 году Артур Коуп и его сотрудники, причём расщеплением по Гофману (раздел 14) [35].

Транс-циклооктен хирален, хотя в нём нет ни одного асимметрического атома углерода. Цепь CH₂ проходит либо «над» двойной связью, либо «под» ней, и две формы — зеркальные отражения, которые нельзя совместить. Это планарная хиральность. В 1963 году Коуп разделил энантиомеры через комплексы с платиной и хиральным амином [36]; при комнатной температуре они не рацемизуются: чтобы цепь «проскочила» сквозь кольцо, нужно нагревание выше 100 °C.

Напряжение делает транс-циклооктен чрезвычайно реакционноспособным, и это нашло неожиданное применение. В 2008 году Джозеф Фокс с сотрудниками показал, что транс-циклооктен мгновенно реагирует с 1,2,4,5-тетразинами (реакция Дильса — Альдера с обратными электронными требованиями, после которой выделяется азот) [37]. Константа скорости достигает 10⁵–10⁶ л/(моль·с), то есть реакция заканчивается за секунды даже при микромолярных концентрациях, в воде и в живых клетках, не задевая ничего другого. Такие реакции называют биоортогональными, за их развитие Каролин Бертоцци получила Нобелевскую премию 2022 года. Одно из применений — «щелчок с высвобождением»: лекарство пришивают к транс-циклооктену так, что после реакции с тетразином оно отщепляется [38]. Тетразин вводят в опухоль, а неактивное пролекарство — в кровь, и токсичный препарат освобождается только там, где он нужен. В 2020-х годах эту схему начали проверять в клинических испытаниях.

Правило Бредта

В 1924 году Юлиус Бредт, изучая производные камфоры, сформулировал правило: в небольших мостиковых бициклах двойная связь не может находиться у узлового (мостикового) атома углерода [39]. Причина та же: у узлового атома три связи направлены в разные циклы, и p-орбиталь, которая должна образовать π-связь, оказывается почти перпендикулярной p-орбитали соседа. Двойная связь у узла бицикла фактически оказывается транс-двойной связью в одном из колец. Поэтому правило Бредта нарушается, когда это кольцо достаточно большое — восьмичленное и больше.

Сто лет «анти-бредтовские» алкены считались практически недоступными. В 2024 году группа Нила Гарга в Калифорнийском университете показала, что их можно генерировать в растворе мягким отщеплением (фторид-ион снимает силильную группу, уходит соседний трифлат) и сразу перехватывать диенами в реакции Дильса — Альдера; получались сложные каркасные продукты, в том числе с сохранением хиральности [40]. Так «запрещённые» структуры стали обычными реакционноспособными интермедиатами, как когда-то арины (дегидробензол) и напряжённые циклоалкины.

11. Элиминирование галогеноводородов

Большинство лабораторных способов получить алкен — реакции элиминирования (отщепления): от двух соседних атомов углерода уходят атом водорода и уходящая группа X (галоген, вода, амин), и между этими атомами возникает π-связь. Галогеналканы отщепляют HX под действием сильного основания — спиртового раствора KOH, алкоголятов, амидов.

С сильным основанием реакция идёт по механизму E2 — в одну стадию: основание отрывает протон, электронная пара связи C–H становится π-связью, и одновременно уходит галогенид-ион. Скорость пропорциональна концентрациям и галогеналкана, и основания. Чтобы электронная пара связи C–H могла «перетечь» на место уходящей связи C–X, эти две связи должны лежать в одной плоскости, причём по разные стороны от связи C–C. Такое расположение называют анти-перипланарным, и оно определяет стереохимию E2 [2].

Направление элиминирования зависит от основания.

• Небольшое основание (этилат, гидроксид, метилат) достаёт любой атом водорода, и в переходном состоянии уже чувствуется устойчивость будущего алкена. Преобладает более замещённый алкен — правило Зайцева: 2-бром-2-метилбутан с этилатом натрия даёт около 70 % 2-метилбут-2-ена [33].
• Объёмное основание (трет-бутилат калия, диизопропиламид лития) с трудом подходит к атомам водорода у внутренних, загромождённых атомов углерода и отрывает протон метильной группы. Преобладает менее замещённый алкен — продукт «по Гофману»: с трет-бутилатом соотношение становится примерно 28 : 72.

В циклогексанах требование анти-перипланарности жёсткое: атом водорода и галоген должны занимать аксиальные положения у соседних атомов (транс-диаксиальное расположение). Классический пример — изомеры ментилхлорида. В неоментилхлориде атом хлора аксиален в устойчивой конформации, по обе стороны от него есть аксиальные атомы водорода, и с этилатом образуется в основном более замещённый 3-ментен. В ментилхлориде хлор экваториален; кольцо должно перевернуться в невыгодную конформацию, где все три заместителя аксиальны, и там аксиальный атом водорода есть только с одной стороны. Реакция идёт в сотни раз медленнее и даёт только 2-ментен — против правила Зайцева [2].

Элиминирование конкурирует с нуклеофильным замещением, потому что основание почти всегда ещё и нуклеофил. Первичные галогеналканы с этилатом дают в основном простые эфиры (S_N2), а с трет-бутилатом — алкены. Третичные с сильным основанием дают только алкены. Если нужен основный, но не нуклеофильный реагент, берут объёмные амидины — DBU и DBN: они отрывают протон, но к атому углерода не подходят.

12. Дегидратация спиртов

Спирты отщепляют воду при нагревании с концентрированной серной или фосфорной кислотой. Фосфорную кислоту предпочитают в лаборатории: она не окисляет и не обугливает органическое вещество. Механизм для вторичных и третичных спиртов — E1: кислота протонирует группу OH, молекула воды уходит, образуется карбокатион, и он отдаёт протон с соседнего атома углерода [27].

Из механизма вытекают три особенности.

• Лёгкость дегидратации растёт в ряду первичные < вторичные < третичные спирты — так же, как устойчивость карбокатионов. Трет-бутиловый спирт отщепляет воду уже при 50 °C с разбавленной кислотой, этанолу нужна концентрированная серная кислота и 170 °C (первичные спирты реагируют по механизму, близкому к E2, без свободного катиона).
• Перегруппировки. Вторичный карбокатион перестраивается в третичный, если для этого достаточно сдвинуть к нему гидрид-ион или метильную группу от соседнего атома. Поэтому двойная связь может оказаться совсем не там, где стояла группа OH.
• Обратимость. Кислота катализирует и обратную реакцию — гидратацию. Чтобы получить алкен, его отгоняют по мере образования; в продуктах преобладает термодинамически более устойчивый алкен (по Зайцеву, E вместо Z).

Дегидратация этанола — первый известный способ получения этилена. В 1795 году четыре голландских химика (Дейман, Паэтс ван Троствейк, Бонд и Лауверенбург) нагрели винный спирт с купоросным маслом и получили газ, который с хлором давал маслянистую жидкость — 1,2-дихлорэтан, «масло голландских химиков». Газ назвали «маслородным», по-французски gaz oléfiant; отсюда слово олефин — старое название алкенов. Сегодня тот же процесс, только на оксиде алюминия при 350–450 °C, снова стал промышленным: из этанола, полученного брожением сахарного тростника, в Бразилии с 2010 года делают «зелёный» полиэтилен.

13. Дегалогенирование дигалогенидов

Вицинальные дигалогениды (атомы галогена у соседних атомов углерода) превращаются в алкены под действием цинковой пыли в спирте или иодида натрия в ацетоне. Цинк отдаёт два электрона, иодид-ион атакует атом брома и забирает его в виде IBr; в обоих случаях оба атома галогена уходят, а между атомами углерода образуется π-связь. Реакция, как и E2, идёт через анти-перипланарную конформацию и поэтому стереоспецифична: из мезо-дибромида получается один геометрический изомер, а из рацемического — другой [2].

Практическое значение у этой реакции особое. Бромирование алкена и последующее дебромирование цинком возвращают исходный алкен, поэтому пару «Br₂, затем Zn» используют для защиты двойной связи: пока она превращена в дибромид, можно окислять или нитровать другие части молекулы. Тем же путём очищают холестерин: природный препарат переводят в кристаллический дибромид, перекристаллизовывают и обрабатывают цинком.

14. Расщепление по Гофману и син-элиминирование

Аминогруппа NH₂ — очень плохая уходящая группа: амид-ион NH₂⁻ — сильнейшее основание. Август Вильгельм Гофман в 1851 году нашёл способ превратить её в хорошую: амин исчерпывающе метилируют иодметаном до четвертичной аммониевой соли, затем влажным оксидом серебра заменяют иодид на гидроксид и нагревают. Гидроксид-ион отщепляет протон, и уходит нейтральный триметиламин [41].

Главная особенность — правило Гофмана: образуется наименее замещённый алкен. Из соли втор-бутилтриметиламмония получается 95 % бут-1-ена. Объяснений два. Во-первых, группа N(CH₃)₃⁺ объёмна, и в анти-перипланарной конформации, нужной для отрыва внутреннего атома водорода, она теснит соседние алкильные группы. Во-вторых, связь C–N рвётся трудно, и в переходном состоянии связь C–H разорвана сильнее, чем связь C–N: на атоме углерода накапливается отрицательный заряд (переходное состояние «сдвинуто» к механизму E1cb). Отрицательный заряд лучше выдерживает первичный атом углерода, а атомы водорода метильной группы ещё и самые доступные.

До появления спектроскопии расщепление по Гофману было главным инструментом установления строения алкалоидов: молекулу разбирали по одному атому азота, каждый раз получая алкен и укороченный амин. Самый знаменитый результат — синтез циклооктатетраена. В 1911 году Рихард Вильштеттер, исходя из псевдопеллетьерина (алкалоида коры граната), несколькими расщеплениями по Гофману и бромированием получил C₈H₈ — восьмичленный цикл с четырьмя двойными связями [42]. Вещество обесцвечивало бромную воду и перманганат, то есть вело себя как обычный полиен, а не как ароматическое соединение. Это стало первым экспериментальным свидетельством, что «ароматичность» — не просто чередование двойных связей в цикле, и подготовило почву для правила Хюккеля (4n + 2 π-электрона). Синтезу долго не верили, пока в 1940-х годах Вальтер Реппе не получил то же вещество тетрамеризацией ацетилена.

Есть элиминирования, которые идут не через анти-, а через син-перипланарную конформацию, без внешнего основания: уходящая группа сама забирает соседний атом водорода через циклическое переходное состояние.

• Элиминирование по Коупу: N-оксиды третичных аминов при 100–150 °C отщепляют N,N-диметилгидроксиламин через пятичленное переходное состояние.
• Пиролиз сложных эфиров (ацетатов, 400–500 °C) и ксантогенатов (реакция Чугаева, 100–200 °C) — через шестичленное переходное состояние.
• Селеноксиды отщепляют селеновую кислоту уже при комнатной температуре; это мягкий способ ввести двойную связь рядом с карбонильной группой.

Во всех этих реакциях атом водорода и уходящая группа уходят с одной стороны, поэтому стереохимия противоположна E2, а перегруппировок нет — карбокатион не образуется.

15. Дегидрирование алканов

Самый прямой путь от алкана к алкену — отнять два атома водорода:

C₃H₈ Pt–Sn, 600 °C C₃H₆ + H₂

Реакция эндотермична (около +124 кДж/моль для пропана) и идёт с увеличением числа молекул газа. Поэтому равновесие сдвигается вправо только при высокой температуре (550–650 °C) и низком давлении. Катализаторы — платина с оловом на оксиде алюминия или оксид хрома(III) на оксиде алюминия; на них быстро отлагается кокс, и катализатор приходится непрерывно выжигать и восстанавливать [43]. В последние два десятилетия такие установки строят по всему миру: сланцевый газ дал много дешёвого пропана, а пиролиз этана, ставший главным источником этилена, почти не даёт пропилена.

Так же получают и другие крупнотоннажные алкены. Бутан на оксиде хрома даёт смесь бут-1-ена и бут-2-енов, а при более глубоком дегидрировании — бута-1,3-диен, мономер синтетического каучука. Этилбензол дегидрируют на оксиде железа с добавкой оксида калия в присутствии перегретого водяного пара: пар разбавляет смесь (сдвигая равновесие вправо) и выжигает кокс. Так получают стирол — десятки миллионов тонн в год для полистирола и бутадиен-стирольного каучука.

Термодинамику можно обойти, если связать водород кислородом в воду (окислительное дегидрирование). Беда в том, что кислород охотнее окисляет пропилен, чем пропан. В 2016 году оказалось, что нитрид бора катализирует окислительное дегидрирование пропана с избирательностью почти 90 % по пропилену и этилену вместе и почти без CO₂ [44].

Циклогексаны дегидрируются в арены легче, потому что образуется ароматическая система: на платине или палладии при 300 °C циклогексан превращается в бензол. Эту реакцию в 1911 году открыл Н. Д. Зелинский в Московском университете; она лежит в основе риформинга (раздел 5).

16. Восстановление алкинов

Алкины легко получить с нужным углеродным скелетом: ацетилениды алкилируются галогеналканами, и цепь наращивается с обеих сторон тройной связи. Затем тройную связь восстанавливают до двойной — и выбор восстановителя определяет геометрию алкена [27].

Катализатор Линдлара — палладий на карбонате кальция, частично отравленный ацетатом свинца и хинолином. Херберт Линдлар разработал его в 1952 году в компании Hoffmann-La Roche для синтеза витамина A [45]. Обычный палладий восстанавливает алкин сразу до алкана. На отравленном катализаторе алкин, который адсорбируется на поверхности металла намного прочнее алкена, восстанавливается, а образовавшийся алкен вытесняется следующей молекулой алкина и уходит с поверхности прежде, чем присоединит ещё водород. Оба атома водорода приходят с поверхности, то есть с одной стороны, — получается цис-алкен (Z). Похожим образом работает никель P-2 — боридный никель, образующийся из ацетата никеля и борогидрида натрия; с добавкой этилендиамина он даёт цис-алкены с отношением цис : транс больше 100 : 1 [46].

Натрий или литий в жидком аммиаке восстанавливают алкин до транс-алкена (E). Это не каталитическое гидрирование, а последовательный перенос электронов и протонов.

Стереоспецифичное восстановление алкинов незаменимо в синтезе феромонов насекомых. Феромоны — обычно длинные спирты, ацетаты или альдегиды с одной-двумя двойными связями строго определённой геометрии, и неправильный изомер часто не просто не работает, а подавляет действие правильного. Первый феромон, бомбикол тутового шелкопряда, Адольф Бутенандт выделил в 1959 году из пахучих желёз полумиллиона самок; это (10E,12Z)-гексадека-10,12-диен-1-ол [47]. Сегодня синтетические феромоны в тоннах развешивают в садах и виноградниках: самцы, сбитые с толку запахом, не находят самок, и численность вредителей падает без инсектицидов.

17. Реакция Виттига

У всех элиминирований есть общий недостаток: двойная связь может образоваться по разные стороны от уходящей группы, и получается смесь изомеров. Реакция Виттига этого недостатка лишена: двойная связь возникает точно на месте карбонильной группы альдегида или кетона. Георг Виттиг открыл её в 1953 году в Тюбингене, изучая соединения пятивалентного фосфора [48].

Реагент — илид фосфора: частица, в которой атом углерода с отрицательным зарядом связан с положительно заряженным атомом фосфора, Ph₃P⁺–CH₂⁻ (её же записывают как Ph₃P=CH₂). Илид получают в две стадии: трифенилфосфин алкилируют галогеналканом до соли фосфония, а затем сильным основанием (бутиллитием, гидридом натрия, амидом натрия) отрывают протон от атома углерода рядом с фосфором:

Ph₃P + CH₃Br → [Ph₃P–CH₃]⁺Br⁻; [Ph₃P–CH₃]⁺Br⁻ + C₄H₉Li → Ph₃P=CH₂ + C₄H₁₀ + LiBr.

Отрицательно заряженный атом углерода илида атакует атом углерода карбонильной группы.

Долго считали, что сначала образуется биполярный ион — бетаин, а потом он замыкается в четырёхчленный цикл. Исследования методом ЯМР ³¹P при низких температурах показали, что в отсутствие солей лития бетаина нет: илид и карбонильное соединение сразу дают оксафосфетан в одну стадию, как в циклоприсоединении [2+2], и он распадается на алкен и трифенилфосфиноксид [49]. Движущая сила — образование очень прочной связи P=O.

Стереохимия зависит от илида [50].

• Нестабилизированные илиды (при атоме углерода — водород или алкил) очень активны; оксафосфетан образуется быстро и необратимо через ранее, «сморщенное» переходное состояние, в котором заместители выгоднее располагаются по одну сторону. Получается в основном Z-алкен.
• Стабилизированные илиды (при атоме углерода — сложноэфирная, кетонная или нитрильная группа, которая делокализует отрицательный заряд) менее активны, реагируют через более позднее переходное состояние и дают E-алкен. Такие илиды устойчивы на воздухе и продаются готовыми.
• Если нужен E-алкен из нестабилизированного илида, используют модификацию Шлоссера (дополнительное депротонирование при низкой температуре), а для α,β-ненасыщенных эфиров — реакцию Хорнера — Уодсворта — Эммонса с фосфонатами (C₂H₅O)₂P(O)CH₂COOR: она даёт E-изомер, а побочный диэтилфосфат растворим в воде и легко отмывается.

Недостаток реакции Виттига — огромная масса отхода: на каждую молекулу метиленциклогексана (96 г/моль) образуется молекула трифенилфосфиноксида (278 г/моль), которую трудно отделить. Тем не менее на реакции Виттига работает промышленность: компания BASF с 1960-х годов получает витамин A и β-каротин тысячами тонн в год, соединяя фрагменты молекулы именно илидами фосфора [51]. Виттиг получил Нобелевскую премию 1979 года в 82 года, вместе с Гербертом Брауном.

18. Реакция МакМурри

Две молекулы альдегида или кетона можно «сшить» двойной связью C=C, отняв у них оба атома кислорода. Для этого нужен восстановитель, который очень любит кислород, — низковалентный титан. Его получают прямо в колбе, восстанавливая TiCl₃ или TiCl₄ алюмогидридом лития, цинком, цинк-медной парой или калием. Реакцию в 1973 году независимо открыли три группы: Джон МакМурри в США, Тэруаки Мукаяма в Японии и Станислав Тырлик в Польше [52, 53].

Механизм состоит из двух стадий [54].

1. Сочетание. Титан передаёт карбонильной группе электрон, и образуется анион-радикал (кетил), связанный с поверхностью частицы титана. Два кетила соединяются связью C–C — получается пинаколят титана, то есть соль 1,2-диола. Если реакцию остановить при 0 °C, можно выделить пинакон.
2. Деоксигенирование. При кипячении связи C–O рвутся, оба атома кислорода переходят на титан (в итоге — оксид титана), а между атомами углерода возникает двойная связь.

Реакция МакМурри особенно хороша там, где другие методы бессильны. Она даёт тетразамещённые и пространственно загромождённые алкены: у реакции Виттига с кетонами и объёмными илидами выходы падают, а титану стерические препятствия почти не мешают. Так получают адамантилиденадамантан: на его бромониевом ионе в 1985 году впервые установили строение этой частицы рентгеноструктурным анализом. Внутримолекулярная реакция МакМурри замыкает циклы любого размера — от четырёхчленных до макроциклов. В первой же статье МакМурри соединил две молекулы ретиналя и получил β-каротин [52]. Перекрёстное сочетание двух разных кетонов даёт смесь трёх продуктов, но если одного кетона (например, ацетона) взять большой избыток, преобладает нужный. Подбирая заместители, добиваются избирательного перекрёстного сочетания и без избытка — так получают, например, противоопухолевый препарат тамоксифен. Многие молекулярные моторы Бена Феринги (Нобелевская премия 2016 года) — перегруженные алкены, в которых двойная связь вращается под действием света, — тоже собирают реакцией МакМурри.

19. Реакция Хека

Реакция Хека замещает атом водорода при двойной связи на арильную или винильную группу из галогенида. Её открыли независимо Цутому Мидзороки в Японии (1971) и Ричард Хек в США (1972) [55, 56]. Катализатор — соединение палладия в очень малом количестве, нужен ещё основание, которое связывает выделяющийся галогеноводород.

Палладий в цикле меняет степень окисления: 0 → +2 при окислительном присоединении, остаётся +2 при внедрении и β-элиминировании, и возвращается к 0, когда основание забирает HX. Отсюда следуют закономерности реакции [57].

• Региоселективность. Арил переходит к менее замещённому атому углерода двойной связи (у стирола и акрилатов — к концевому), потому что там меньше пространственных препятствий.
• Стереоселективность. Внедрение и β-элиминирование — оба син. Перед β-элиминированием молекула поворачивается вокруг одинарной связи так, чтобы объёмные группы оказались подальше друг от друга, и образуется E-алкен.
• Галогенид. Легче всего реагируют иодиды и трифлаты, затем бромиды; хлориды требуют особых лигандов (объёмных и богатых электронами фосфинов или N-гетероциклических карбенов).

Реакция Хека стала одним из главных инструментов промышленного синтеза. Стадией Хека получают противовоспалительный препарат напроксен (2-метокси-6-винилнафталин из бромида и этилена), солнцезащитный компонент октилметоксициннамат (из 4-бромметоксибензола и 2-этилгексилакрилата), гербицид просульфурон [58]. Внутримолекулярные и асимметрические варианты используются в синтезе сложных природных соединений. В 2010 году Хек получил Нобелевскую премию вместе с Эйити Негиси и Акирой Судзуки «за катализируемое палладием кросс-сочетание в органическом синтезе» [59]. Мидзороки до премии не дожил: он умер в 1980 году. Один из самых цитируемых обзоров по реакции Хека написали химики Московского университета И. П. Белецкая и А. В. Чепраков [57].

20. Как выбрать метод синтеза

Если нужна двойная связь строго в определённом месте — выбирают реакцию Виттига (из карбонильного соединения) или восстановление алкина. Если нужна определённая геометрия — восстановление алкина (Линдлар — Z, Na/NH₃ — E), реакцию Виттига с подходящим илидом или реакцию Хека (E). Для загромождённых тетразамещённых алкенов — реакцию МакМурри. Если нужен концевой алкен из галогенида — трет-бутилат калия; из амина — расщепление по Гофману. А в промышленности простые алкены получают крекингом, пиролизом и дегидрированием: там важна не избирательность, а цена тонны.

21. Из истории

История реакций алканов и алкенов — это в равной мере история промышленности и история идей. Крекинг и риформинг родились из потребности в бензине, а заодно дали химикам этилен, пропилен и арены. Спор о том, как протон может атаковать σ-связь, привёл к понятию карбониевых ионов и трёхцентровых связей. Методы синтеза алкенов прошли путь от отщеплений, известных с XIX века, к реакциям Виттига, МакМурри и Хека, которые строят двойную связь там, где она нужна. Четыре Нобелевские премии из этой статьи (Виттиг и Браун — 1979, Ола — 1994, Хек, Негиси и Судзуки — 2010, а для транс-циклооктена — Бертоцци, Мелдал и Шарплесс в 2022 году) показывают, что тема далека от исчерпания.

22. Что нужно знать для ЕГЭ

Большая часть статьи выходит за рамки школьной программы, но несколько реакций в заданиях ЕГЭ встречаются постоянно (кодификатор ФИПИ [60]).

• Крекинг — распад алкана на алкан и алкен с вдвое меньшим числом атомов углерода (условно): C₈H₁₈ t° C₄H₁₀ + C₄H₈. Пиролиз метана — 2CH₄ 1500 °C C₂H₂ + 3H₂.
• Дегидрирование: C₂H₆ Ni, t° C₂H₄ + H₂; ароматизация гексана и циклогексана на платине.
• Изомеризация алканов на AlCl₃: бутан превращается в изобутан.
• Нитрование по Коновалову: водород замещается у третичного атома углерода — (CH₃)₃CH + HNO₃ t° (CH₃)₃CNO₂ + H₂O.
• Дегидрогалогенирование спиртовым раствором KOH по правилу Зайцева; дегидратация спиртов (H₂SO₄, выше 140 °C); дегалогенирование вицинальных дигалогенидов цинком; гидрирование алкинов (в ЕГЭ — на Ni или Pd, геометрию не уточняют).
• Цис-транс-изомерия: условие её существования — у каждого атома двойной связи два разных заместителя.

23. Для олимпиад

Почему цис-бут-2-ен не превращается в транс

Энергия активации термической изомеризации бут-2-ена — около 263 кДж/моль, предэкспоненциальный множитель — около 6 · 10¹³ с⁻¹ [28]. По уравнению Аррениуса при 298 К

k = 6 · 10¹³ · e^{−263000/(8,314 · 298)} ≈ 5 · 10⁻³³ с⁻¹, t_1/2 = ln 2 / k ≈ 1,3 · 10³² с ≈ 4 · 10²⁴ лет,

что в сотни триллионов раз больше возраста Вселенной. При 500 °C (773 К) та же формула даёт k ≈ 1,0 · 10⁻⁴ с⁻¹ и время полупревращения около двух часов: при пиролизе геометрия алкенов не сохраняется.

Теплота гидрирования из теплот образования

По закону Гесса ΔH гидрирования равна разности теплот образования алкана и алкена (теплота образования H₂ равна нулю). Для этилена: Δ_fH(C₂H₆) − Δ_fH(C₂H₄) = −84,0 − 52,4 = −136,4 кДж/моль, что совпадает с калориметрией Кистяковского [61]. Такие расчёты позволяют сравнивать и алкены, которые при гидрировании дают разные алканы: тогда сравнивают не теплоты гидрирования, а теплоты образования изомеров.

Сколько электронов у CH₅⁺ и почему он «текуч»

Валентных электронов 4 + 5 − 1 = 8, то есть четыре пары на пять атомов водорода. Одна пара обязана быть трёхцентровой. Какие именно два атома водорода её делят, почти не важно энергетически (разница меньше 1 кДж/моль, тогда как RT при 298 К — 2,5 кДж/моль), поэтому атомы водорода непрерывно меняются ролями. Аналогичные «электронодефицитные» связи — в диборане B₂H₆ и в агостических взаимодействиях C–H···M в комплексах металлов.

Стереохимия как улика механизма

Анти-элиминирование (E2, дегалогенирование, расщепление по Гофману) и син-элиминирование (по Коупу, Чугаеву) дают из одного диастереомера разные геометрические изомеры. Поэтому, получив из эритро- или трео-изомера определённый алкен, можно установить, через какую конформацию шла реакция. Например, мезо-2,3-дибромбутан с иодидом натрия даёт только (E)-бут-2-ен, а рацемический — только (Z)-бут-2-ен. В олимпиадных задачах такие пары часто нужно восстанавливать «назад»: по геометрии алкена определить конфигурацию исходного соединения.

Атомная экономия

Атомная экономия — доля массы исходных веществ, оказавшаяся в целевом продукте. У реакции Виттига циклогексанона с Ph₃P=CH₂ она равна 96,2 / (98,1 + 276,3) ≈ 26 %: три четверти массы уходят в трифенилфосфиноксид. У гидрирования алкина или крекинга, где отхода нет или он сам полезен, она близка к 100 %. Поэтому в промышленности реакции Виттига стараются заменить каталитическими (метатезис алкенов, реакция Хека), а трифенилфосфиноксид — восстанавливать обратно в фосфин.

Задания с разбором

Задание 1

Напишите стадии цепного механизма сульфохлорирования пропана. Почему изобутан при сульфохлорировании даёт заметное количество трет-бутилхлорида?

Задание 2

Какой продукт преимущественно образуется при нитровании 2-метилбутана по Коновалову? Почему берут разбавленную, а не концентрированную азотную кислоту?

Задание 3

При парофазном нитровании пропана при 420 °C среди продуктов есть нитрометан и нитроэтан. Как они образуются, если в пропане нет связей C–N и фрагментов CH₃–N?

Задание 4

Почему циклогексан в промышленности окисляют лишь на 4–6 %, а непрореагировавший возвращают в реактор? Зачем нужна соль кобальта?

Задание 5

Какие продукты даёт β-распад радикала пентил CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂• и радикала пент-2-ил CH₃CH•CH₂CH₂CH₃? Почему при термическом крекинге получается много этилена, а при каталитическом — изобутана и изобутена?

Задание 6

Какой объём водорода (н. у.) и какая масса толуола теоретически получаются при риформинге 1 т гептана?

Задание 7

Расположите в порядке роста октанового числа: гептан, толуол, 2-метилгексан, 2,2,3-триметилбутан. Объясните.

Задание 8

Функция кислотности 100 %-й серной кислоты H₀ = −12, смеси HF–SbF₅ — около −20. Во сколько раз различается их протонирующая способность? Сколько валентных электронов в ионе CH₅⁺, и какой вывод о связях из этого следует?

Задание 9

Какую массу 2,2,4-триметилпентана можно получить алкилированием изобутана 1 т изобутена при выходе 85 %? Объясните роль переноса гидрид-иона.

Задание 10

Определите конфигурацию (E или Z): а) изомер BrCH=C(Cl)CH₃, в котором атомы брома и хлора по одну сторону двойной связи; б) изомер 3-метилпент-2-ена, в котором метильная группа C1 и метильная группа при C3 по одну сторону; в) изомер HOCH₂CH=C(CH₃)CH(CH₃)₂, в котором группы CH₂OH и изопропил по одну сторону.

Задание 11

Транс-2,2,5,5-тетраметилгекс-3-ен устойчивее цис-изомера примерно на 40 кДж/моль. Какой была бы доля цис-изомера в равновесной смеси при 298 К? Почему для бут-2-ена эта доля около 16 %?

Задание 12

Теплоты образования (газ, кДж/моль): пропен +20,0, пропан −104,7. Найдите теплоту гидрирования пропена и сравните её с теплотой гидрирования этилена (−137 кДж/моль). Что показывает разница?

Задание 13

Расположите в порядке уменьшения теплоты гидрирования: 2-метилбут-2-ен, 3-метилбут-1-ен, 2-метилбут-1-ен. Все три дают один и тот же алкан — какой?

Задание 14

Почему транс-циклооктен хирален, хотя не имеет асимметрических атомов? Какой из бициклических алкенов может существовать как устойчивое вещество — бицикло[2.2.1]гепт-1-ен или бицикло[3.3.1]нон-1-ен?

Задание 15

2-Бром-2-метилбутан обработали а) этилатом натрия в этаноле; б) трет-бутилатом калия в трет-бутаноле. Какие алкены образуются, какой преобладает и почему?

Задание 16

При нагревании 3,3-диметилбутан-2-ола с фосфорной кислотой основной продукт — 2,3-диметилбут-2-ен. Объясните с помощью механизма.

Задание 17

Мезо-2,3-дибромбутан и рацемический 2,3-дибромбутан обработали иодидом натрия в ацетоне. Какие алкены получились?

Задание 18

Пиперидин (шестичленный цикл C₅H₁₀NH) подвергли двум последовательным расщеплениям по Гофману. Какие вещества образуются на каждом этапе и сколько молей иодметана расходуется на 1 моль пиперидина?

Задание 19

Предложите синтез (Z)- и (E)-дец-5-ена из ацетилена и неорганических реагентов (и бромбутана).

Задание 20

Предложите два варианта синтеза 2-фенилпропена (α-метилстирола) реакцией Виттига. Рассчитайте атомную экономию реакции циклогексанона с Ph₃P=CH₂.

Задание 21

Какие алкены получатся при действии TiCl₃/LiAlH₄ на а) ацетон; б) смесь циклогексанона с большим избытком ацетона; в) декан-2,9-дион?

Задание 22

Напишите продукт реакции Хека иодбензола с метилакрилатом. Укажите степени окисления палладия на всех стадиях каталитического цикла. Почему без основания реакция останавливается?

Литература

1. Blanksby S. J., Ellison G. B. Bond dissociation energies of organic molecules // Accounts of Chemical Research. 2003. Vol. 36. P. 255–263.
2. Smith M. B. March’s Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure. 8th ed. Hoboken: Wiley, 2019.
3. Carey F. A., Sundberg R. J. Advanced Organic Chemistry. Part A: Structure and Mechanisms. 5th ed. New York: Springer, 2007.
4. Asinger F. Paraffins: Chemistry and Technology. Oxford: Pergamon Press, 1968.
5. Реутов О. А., Курц А. Л., Бутин К. П. Органическая химия: в 4 ч. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. Ч. 1.
6. Hass H. B., Hodge E. B., Vanderbilt B. M. Nitration of gaseous paraffins // Industrial and Engineering Chemistry. 1936. Vol. 28. P. 339–344.
7. Markofsky S. B. Nitro Compounds, Aliphatic // Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH, 2000.
8. Zhang M.-X., Eaton P. E., Gilardi R. Hepta- and octanitrocubanes // Angewandte Chemie International Edition. 2000. Vol. 39. P. 401–404.
9. Schuchardt U., Cardoso D., Sercheli R. et al. Cyclohexane oxidation continues to be a challenge // Applied Catalysis A: General. 2001. Vol. 211. P. 1–17.
10. The Flixborough Disaster: Report of the Court of Inquiry. London: HMSO, 1975.
11. Rice F. O., Herzfeld K. F. The thermal decomposition of organic compounds from the standpoint of free radicals. VI. The mechanism of some chain reactions // Journal of the American Chemical Society. 1934. Vol. 56. P. 284–289.
12. Dabelstein W., Reglitzky A., Schütze A., Reders K. Automotive Fuels // Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH, 2007.
13. Vogt E. T. C., Weckhuysen B. M. Fluid catalytic cracking: recent developments on the grand old lady of zeolite catalysis // Chemical Society Reviews. 2015. Vol. 44. P. 7342–7370.
14. Corma A. Inorganic solid acids and their use in acid-catalyzed hydrocarbon reactions // Chemical Reviews. 1995. Vol. 95. P. 559–614.
15. Rahimpour M. R., Jafari M., Iranshahi D. Progress in catalytic naphtha reforming process: a review // Applied Energy. 2013. Vol. 109. P. 79–93.
16. Schleyer P. v. R. A simple preparation of adamantane // Journal of the American Chemical Society. 1957. Vol. 79. P. 3292.
17. Dahl J. E., Liu S. G., Carlson R. M. K. Isolation and structure of higher diamondoids, nanometer-sized diamond molecules // Science. 2003. Vol. 299. P. 96–99.
18. Olah G. A., Prakash G. K. S., Molnár Á., Sommer J. Superacid Chemistry. 2nd ed. Hoboken: Wiley, 2009.
19. Olah G. A. My search for carbocations and their role in chemistry (Nobel lecture) // Angewandte Chemie International Edition in English. 1995. Vol. 34. P. 1393–1405.
20. Olah G. A. The general concept and structure of carbocations based on differentiation of trivalent (“classical”) carbenium ions from three-center bound penta- or tetracoordinated (“nonclassical”) carbonium ions // Journal of the American Chemical Society. 1972. Vol. 94. P. 808–820.
21. Olah G. A., Schlosberg R. H. Chemistry in super acids. I. Hydrogen exchange and polycondensation of methane and alkanes in FSO₃H–SbF₅ (“magic acid”) solution // Journal of the American Chemical Society. 1968. Vol. 90. P. 2726–2727.
22. Asvany O., Kumar P. P., Redlich B., Hegemann I., Schlemmer S., Marx D. Understanding the infrared spectrum of bare CH₅⁺ // Science. 2005. Vol. 309. P. 1219–1222.
23. Asvany O., Yamada K. M. T., Brünken S., Potapov A., Schlemmer S. Experimental ground-state combination differences of CH₅⁺ // Science. 2015. Vol. 347. P. 1346–1349.
24. Olah G. A., Lin H. C. Electrophilic reactions at single bonds. Nitration and nitrolysis of alkanes and cycloalkanes with nitronium salts // Journal of the American Chemical Society. 1971. Vol. 93. P. 1259–1261.
25. Olah G. A., Gupta B., Farina M. et al. Selective monohalogenation of methane over supported acid or platinum metal catalysts and hydrolysis of methyl halides over γ-alumina-supported metal oxide/hydroxide catalysts // Journal of the American Chemical Society. 1985. Vol. 107. P. 7097–7105.
26. Corma A., Martínez A. Chemistry, catalysts, and processes for isoparaffin–olefin alkylation: actual situation and future trends // Catalysis Reviews: Science and Engineering. 1993. Vol. 35. P. 483–570.
27. Clayden J., Greeves N., Warren S. Organic Chemistry. 2nd ed. Oxford: Oxford University Press, 2012.
28. Rabinovitch B. S., Michel K. W. The thermal unimolecular cis–trans isomerization of cis-butene-2 // Journal of the American Chemical Society. 1959. Vol. 81. P. 5065–5071.
29. Schoenlein R. W., Peteanu L. A., Mathies R. A., Shank C. V. The first step in vision: femtosecond isomerization of rhodopsin // Science. 1991. Vol. 254. P. 412–415.
30. Cahn R. S., Ingold C., Prelog V. Specification of molecular chirality // Angewandte Chemie International Edition in English. 1966. Vol. 5. P. 385–415.
31. Favre H. A., Powell W. H. Nomenclature of Organic Chemistry: IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2014.
32. Kistiakowsky G. B., Ruhoff J. R., Smith H. A., Vaughan W. E. Heats of organic reactions. II. Hydrogenation of some simpler olefinic hydrocarbons // Journal of the American Chemical Society. 1935. Vol. 57. P. 876–882.
33. Saytzeff A. Zur Kenntniss der Reihenfolge der Anlagerung und Ausscheidung der Jodwasserstoffelemente in organischen Verbindungen // Justus Liebigs Annalen der Chemie. 1875. Bd. 179. S. 296–301.
34. Turner R. B., Meador W. R. Heats of hydrogenation. IV. Hydrogenation of some cis- and trans-cycloolefins // Journal of the American Chemical Society. 1957. Vol. 79. P. 4133–4136.
35. Cope A. C., Pike R. A., Spencer C. F. Cyclic polyolefins. XXVII. cis- and trans-Cyclooctene from N,N-dimethylcyclooctylamine // Journal of the American Chemical Society. 1953. Vol. 75. P. 3212–3215.
36. Cope A. C., Ganellin C. R., Johnson H. W., Van Auken T. V., Winkler H. J. S. Molecular asymmetry of olefins. I. Resolution of trans-cyclooctene // Journal of the American Chemical Society. 1963. Vol. 85. P. 3276–3279.
37. Blackman M. L., Royzen M., Fox J. M. Tetrazine ligation: fast bioconjugation based on inverse-electron-demand Diels–Alder reactivity // Journal of the American Chemical Society. 2008. Vol. 130. P. 13518–13519.
38. Versteegen R. M., Rossin R., ten Hoeve W., Janssen H. M., Robillard M. S. Click to release: instantaneous doxorubicin elimination upon tetrazine ligation // Angewandte Chemie International Edition. 2013. Vol. 52. P. 14112–14116.
39. Bredt J., Thouet H., Schmitz J. Über das Camphenilon und die Camphenilsäure // Justus Liebigs Annalen der Chemie. 1924. Bd. 437. S. 1–13.
40. McDermott L., Walters Z. G., French S. A. et al. A solution to the anti-Bredt olefin synthesis problem // Science. 2024. Vol. 386. Art. eadq3519.
41. Cope A. C., Trumbull E. R. Olefins from amines: the Hofmann elimination reaction and amine oxide pyrolysis // Organic Reactions. 1960. Vol. 11. P. 317–493.
42. Willstätter R., Waser E. Über Cyclo-octatetraen // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 1911. Bd. 44. S. 3423–3445.
43. Sattler J. J. H. B., Ruiz-Martinez J., Santillan-Jimenez E., Weckhuysen B. M. Catalytic dehydrogenation of light alkanes on metals and metal oxides // Chemical Reviews. 2014. Vol. 114. P. 10613–10653.
44. Grant J. T., Carrero C. A., Goeltl F. et al. Selective oxidative dehydrogenation of propane to propene using boron nitride catalysts // Science. 2016. Vol. 354. P. 1570–1573.
45. Lindlar H. Ein neuer Katalysator für selektive Hydrierungen // Helvetica Chimica Acta. 1952. Vol. 35. P. 446–450.
46. Brown C. A., Ahuja V. K. “P-2” nickel catalyst with ethylenediamine, a novel system for highly stereospecific reduction of alkynes to cis-olefins // Journal of the Chemical Society, Chemical Communications. 1973. P. 553–554.
47. Butenandt A., Beckmann R., Stamm D., Hecker E. Über den Sexual-Lockstoff des Seidenspinners Bombyx mori. Reindarstellung und Konstitution // Zeitschrift für Naturforschung B. 1959. Bd. 14. S. 283–284.
48. Wittig G., Schöllkopf U. Über Triphenyl-phosphin-methylene als olefinbildende Reagenzien (I. Mitteil.) // Chemische Berichte. 1954. Bd. 87. S. 1318–1330.
49. Byrne P. A., Gilheany D. G. The modern interpretation of the Wittig reaction mechanism // Chemical Society Reviews. 2013. Vol. 42. P. 6670–6696.
50. Maryanoff B. E., Reitz A. B. The Wittig olefination reaction and modifications involving phosphoryl-stabilized carbanions. Stereochemistry, mechanism, and selected synthetic aspects // Chemical Reviews. 1989. Vol. 89. P. 863–927.
51. Pommer H. Industrial applications of the Wittig reaction // Angewandte Chemie International Edition in English. 1977. Vol. 16. P. 423–429.
52. McMurry J. E., Fleming M. P. A new method for the reductive coupling of carbonyls to olefins. Synthesis of β-carotene // Journal of the American Chemical Society. 1974. Vol. 96. P. 4708–4709.
53. Mukaiyama T., Sato T., Hanna J. Reductive coupling of carbonyl compounds to pinacols and olefins by using TiCl₄ and Zn // Chemistry Letters. 1973. Vol. 2. P. 1041–1044.
54. McMurry J. E. Carbonyl-coupling reactions using low-valent titanium // Chemical Reviews. 1989. Vol. 89. P. 1513–1524.
55. Mizoroki T., Mori K., Ozaki A. Arylation of olefin with aryl iodide catalyzed by palladium // Bulletin of the Chemical Society of Japan. 1971. Vol. 44. P. 581.
56. Heck R. F., Nolley J. P. Palladium-catalyzed vinylic hydrogen substitution reactions with aryl, benzyl, and styryl halides // Journal of Organic Chemistry. 1972. Vol. 37. P. 2320–2322.
57. Beletskaya I. P., Cheprakov A. V. The Heck reaction as a sharpening stone of palladium catalysis // Chemical Reviews. 2000. Vol. 100. P. 3009–3066.
58. Torborg C., Beller M. Recent applications of palladium-catalyzed coupling reactions in the pharmaceutical, agrochemical, and fine chemical industries // Advanced Synthesis & Catalysis. 2009. Vol. 351. P. 3027–3043.
59. Johansson Seechurn C. C. C., Kitching M. O., Colacot T. J., Snieckus V. Palladium-catalyzed cross-coupling: a historical contextual perspective to the 2010 Nobel Prize // Angewandte Chemie International Edition. 2012. Vol. 51. P. 5062–5085.
60. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы среднего общего образования и элементов содержания для проведения ЕГЭ по химии, 2027 г.
61. Linstrom P. J., Mallard W. G. (eds.) NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database 69. Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology.
62. Wiseman J. R. Bicyclo[3.3.1]non-1-ene // Journal of the American Chemical Society. 1967. Vol. 89. P. 5966–5968.