Радикальное присоединение HBr к алкенам: перекисный эффект Хараша

В начале 1930-х годов учебники уже шесть десятилетий учили: бромоводород присоединяется к алкену так, что бром оказывается у более замещённого атома углерода. На практике же один и тот же опыт в разных лабораториях давал разные продукты, и никто не мог объяснить почему. Причина нашлась в склянках: алкен, долго постоявший на воздухе, содержал следы пероксидов, и этих следов хватало, чтобы реакция пошла совсем другим путём и привела к другому веществу.

Так было открыто радикальное присоединение HBr, его ещё называют перекисным эффектом, или эффектом Хараша. Сегодня эта реакция работает и в промышленности: с неё начинается производство полиамида 11 из касторового масла, который идёт на топливные трубки автомобилей. Ниже разобраны история открытия, механизм по стадиям, причина, по которой метод подходит только для HBr, и 25 реакций, от пропена до современных фотокаталитических вариантов.

• 1. Правило, у которого были исключения
• 2. Как Хараш и Мейо нашли причину
• 3. Механизм по стадиям
• 4. Почему бром идёт к менее замещённому атому
• 5. Почему только HBr
• 6. Как решать задачи
• 7. Простые алкены: примеры 1–10
• 8. Что меняют соседние группы: примеры 11–16
• 9. Стереохимия: примеры 17–19
• 10. От касторового масла к топливным трубкам: примеры 20–21
• 11. Другие реагенты: примеры 22–25
• 12. Что выросло из этой работы
• 13. Типичные ошибки
• 14. Частые вопросы
• 15. Что нужно знать к ЕГЭ
• 16. Для олимпиад
• 17. Задания с разбором

1. Правило, у которого были исключения

Весной 1869 года Владимир Васильевич Марковников защитил в Казани докторскую диссертацию, а в 1870 году часть этой работы вышла по-немецки в журнале «Annalen» [4, 5]. Формулировка правила занимала там лишь небольшое добавление к длинной статье об изомерных масляных кислотах [5]. Опытных данных у автора было совсем немного. В 2006 году историк химии Питер Хьюз назвал правило вдохновенной догадкой [5], а в 2021 году Дэвид Льюис, изучивший русские диссертации Марковникова, возразил: правило логически вытекает из его работ [6]. Спор этот продолжается и полтора века спустя.

В современной записи правило выглядит так: при присоединении HX к несимметричному алкену атом водорода идёт к тому атому углерода, где водорода больше. Объяснение появилось много позже: первым присоединяется протон, и образуется более устойчивый карбокатион. Для пропена это означает 2-бромпропан.

ионный путь: первым приходит H⁺, бром оказывается у среднего атома

радикальный путь: первым приходит атом брома, бром оказывается у края цепи

Результат верхнего ряда схемы был известен задолго до открытия механизмов, а нижний ряд долго оставался загадкой. Для HCl и HI правило выполнялось надёжно, а с HBr получалась путаница: одни химики сообщали о продукте по правилу, другие о продукте «против правила», и результаты не воспроизводились [7]. Обычно это объясняли температурой, растворителем, светом или примесями в реагентах. Никакого единого объяснения не было.

2. Как Хараш и Мейо нашли причину

Моррис Селиг Хараш родился в 1895 году в Кременце, на территории нынешней Украины, а в тринадцать лет вместе с семьёй переехал в Чикаго [13]. Он окончил Чикагский университет, в 1919 году защитил там докторскую диссертацию, а с 1928 года постоянно работал в этом университете [13]. Присоединением бромоводорода его лаборатория занялась около 1930 года [13], и здесь Хараш работал вместе с молодым химиком Фрэнком Мейо, получившим докторскую степень в том же университете в 1931 году. Позже Мейо написал о том времени воспоминания [12].

Удобным объектом оказался аллилбромид, CH₂=CHCH₂Br: при присоединении HBr из него могут получиться два разных дибромпропана, которые легко различить. Исследователи стали по очереди исключать возможные причины разнобоя. Результат был неожиданным [7].

• Тщательно очищенный аллилбромид без доступа воздуха реагировал медленно, порядка десяти дней, и давал в основном 1,2-дибромпропан, 65–85 %.
• В присутствии воздуха или кислорода реакция шла намного быстрее, и главным становился 1,3-дибромпропан, около 87 %.
• Качественная проба показывала в «быстрых» образцах пероксиды.
• Добавка антиоксиданта возвращала реакцию к 1,2-дибромпропану.

Именно последний пункт сделал вывод убедительным. Если небольшая добавка антиоксиданта полностью меняет продукт, значит, за «аномальное» направление отвечают именно пероксиды. Сегодня мы сказали бы: это цепной процесс, которому нужно очень мало инициатора, а антиоксидант перехватывает радикалы. В 1933 году вышла первая статья серии «Перекисный эффект при присоединении реагентов к ненасыщенным соединениям» [7]. В том же году появились работы о винилбромиде и пропене [8, 9], а в следующем об изобутилене [10].

Согласились не все. Фрэнк Уитмор, Мэри Шеррилл и другие объясняли направление реакции природой растворителя [11]. Хараш показал, что растворитель, температура и свет влияют на результат только через образование пероксидов. Дальнейшие работы подтвердили его правоту.

Цепной механизм Хараш изложил не сразу. Его подробное обсуждение относится к 1936–1937 годам [14], и в 1937 году независимо вышел обзор англичан Хея и Уотерса о реакциях свободных радикалов в растворе [15]. Время для этого уже пришло. Трифенилметильный радикал Мозес Гомберг получил ещё в 1900 году (об этой истории рассказано в статье о задаче про трифенилметил) [16], а в 1929 году Фридрих Панет и Вильгельм Хофедиц показали, что короткоживущий метильный радикал можно получить и обнаружить в газовой фазе [17]. Оставалось признать, что такие частицы могут участвовать и в обычной органической реакции в колбе.

Судьбы участников заслуживают нескольких слов. Хараш стал одним из основателей журнала «Journal of Organic Chemistry», в годы войны работал над программой синтетического каучука [13], а ещё раньше синтезировал ртутьорганический антисептик тиомерсал. У него работал Герберт Браун, будущий нобелевский лауреат, создатель гидроборирования, и это второй классический способ присоединения «против правила», о нём рассказано в статье «Гидроборирование алкенов». Мейо перешёл в промышленные лаборатории и в 1944 году вместе с Фредериком Льюисом вывел уравнение сополимеризации, которым пользуются до сих пор [32].

3. Механизм по стадиям

Радикал — это частица с неспаренным электроном. Он образуется при гомолизе, то есть таком разрыве связи, при котором каждому атому достаётся по одному электрону из пары. Поэтому в механизмах радикальных реакций используют стрелку с половинным наконечником, «крючок»: она переносит один электрон, а обычная стрелка — два.

Реакция идёт цепным путём: несколько первых частиц запускают цикл, который повторяется много раз.

зарождение цепи: распад пероксида (ди-трет-бутилпероксид)

зарождение цепи: алкоксильный радикал отрывает атом водорода от HBr

рост цепи, стадия 1: атом брома присоединяется к концевому атому углерода

рост цепи, стадия 2: радикал отрывает водород от HBr, и атом брома возвращается в цикл

Зарождение цепи. Связь O–O в пероксиде слабая, около 150 кДж/моль, и уже при умеренном нагревании или на свету пероксид распадается на два алкоксильных радикала. Алкоксильный радикал отрывает атом водорода от HBr. Эта стадия выгодна: связь O–H в трет-бутиловом спирте прочнее связи H–Br на 74 кДж/моль (440 и 366 кДж/моль) [25]. Может ли он оторвать атом брома? Связь O–Br намного слабее связи O–H, поэтому такой путь невыгоден [3]. Получается атом брома — частица, которая ведёт цепь. Вместо пероксида можно взять азобисизобутиронитрил (AIBN) или ультрафиолетовый свет: инициирование светом подробно изучили Воан, Раст и Эванс в 1942 году [20].

Рост цепи, стадия 1. Атом брома присоединяется к двойной связи. Один электрон π-связи идёт на образование связи C–Br, второй остаётся на соседнем атоме углерода, и возникает углеродный радикал.

Рост цепи, стадия 2. Углеродный радикал отрывает атом водорода от новой молекулы HBr. Образуется продукт и снова атом брома, который возвращается на стадию 1. Обе стадии выгодны, и вместе они дают около 67 кДж/моль на каждый цикл [3].

Обрыв цепи. Цепь заканчивается, когда встречаются две радикальные частицы. Концентрация радикалов очень мала, поэтому встречи редки, а цикл успевает повториться много раз. Цепи длинные: инициатора нужно мало, а ловушки радикалов сильно подавляют реакцию [3].

Отсюда понятна и роль антиоксидантов. Молекула гидрохинона или дифениламина легко отдаёт атом водорода радикалу и превращается в малоактивный радикал, который цепь не продолжает. Одна такая молекула может остановить целую цепь. Поэтому добавка в очень малом количестве сводит радикальный путь на нет, и остаётся ионный.

4. Почему бром идёт к менее замещённому атому

Сравним две возможности для пропена. Атом брома может присоединиться к концевому атому углерода или к среднему.

атом брома у конца цепи: вторичный радикал, главный путь

атом брома у среднего атома: первичный радикал, путь невыгоден

В первом случае неспаренный электрон оказывается на вторичном атоме углерода, во втором — на первичном. Устойчивость радикалов удобно сравнивать по энергии разрыва связи C–H: чем легче она рвётся, тем устойчивее получающийся радикал [25].

Третичный радикал устойчивее первичного. Причина похожа на ту, что у карбокатионов: связи C–H и C–C соседних алкильных групп частично перекрываются с орбиталью неспаренного электрона (гиперконъюгация). Соседнее кольцо или двойная связь дают намного больший выигрыш, поскольку неспаренный электрон распределяется по сопряжённой системе. Различия между алкильными радикалами скромные, около 10 кДж/моль на ступень. Поэтому важен ещё и второй фактор: концевой атом углерода просто менее загорожен, и атому брома проще к нему подойти [1, 2].

Обратите внимание: в ионной и в радикальной реакции образуется частица с одним и тем же, более замещённым центром. Логика одна и та же: самая устойчивая промежуточная частица. Разница только в том, что приходит первым. В ионной реакции первым приходит протон, а бром приходит последним и занимает более замещённый атом. В радикальной реакции первым приходит бром и занимает менее замещённый атом, а водород приходит последним. Поэтому слова «против правила» относятся лишь к результату. Сам принцип Марковникова, понимаемый как образование наиболее устойчивого промежуточного соединения, здесь не нарушается.

Вот сравнение двух механизмов целиком.

5. Почему только HBr

Цепь будет длинной, только если обе стадии роста быстрые. Для этого каждая из них должна быть выгодной или хотя бы не требовать заметных затрат энергии. Оценим это по средним энергиям связей. На стадии 1 рвётся π-связь (примерно 270 кДж/моль) и образуется связь C–X. На стадии 2 рвётся связь H–X и образуется связь C–H (примерно 415 кДж/моль для вторичного и первичного атома). Положительное значение означает затрату энергии [2, 25].

• HCl. Связь H–Cl слишком прочная. Стадия 2 требует затрат, и углеродный радикал успевает сделать другое: присоединиться к следующей молекуле алкена. Цепи короткие, и синтетического значения реакция не имеет. Заметные эффекты встречаются лишь иногда [3].
• HI. Здесь наоборот: связь C–I слишком слабая. Атом иода присоединяется к алкену с затратой энергии и легко отрывается назад. Вдобавок атомы иода быстро соединяются в I₂. Радикальное присоединение HI не наблюдается [3].
• HF. Связь H–F очень прочная, около 570 кДж/моль, поэтому о цепи не может быть и речи.
• HBr. Обе стадии выгодны, и это редкая удача. Бром оказывается посередине между хлором и иодом.

В таблице значения округлены: это оценка, показывающая ход величин, а не точные справочные числа. Сумма для HBr, −69 кДж/моль, хорошо согласуется с опубликованной величиной около −67 кДж/моль [3]. Полное присоединение HCl и HI тоже выгодно, но цепной реакции нужно, чтобы быстро шла каждая стадия. Общая выгодность ещё не гарантирует, что есть быстрый путь.

Вторая удача касается конкурирующей полимеризации. Углеродный радикал мог бы присоединиться к новой молекуле алкена, и тогда пошла бы цепь полимера. С HBr этого не происходит: отрыв атома водорода от HBr заметно выгоднее и обычно быстрее, чем присоединение к C=C, поэтому образуется простой бромид [2]. С другими реагентами, где связь рвётся труднее, соотношение меняется, и получаются низкомолекулярные продукты с несколькими звеньями алкена, так называемые теломеры.

6. Как решать задачи

Алгоритм короткий. Он подойдёт и к задаче «напишите продукт», и к обратной задаче «какой алкен взяли».

В схемах ниже ROOR означает пероксид, AIBN — азобисизобутиронитрил, hv — свет. Там, где показаны две ветви, верхняя соответствует ионному пути без инициатора, нижняя — радикальному.

7. Простые алкены

Пример 1. Пропен

Классический случай, изученный ещё в 1933 году [9]. Без инициатора, а лучше с ингибитором радикалов, идёт медленное ионное присоединение и получается 2-бромпропан. С пероксидом или на свету быстро образуется 1-бромпропан с выходом не менее 80 % [3]. Заметьте, что радикальная реакция ещё и быстрее: поэтому даже следы пероксида способны определить исход.

Пример 2. 2-Метилпропен

Различие здесь особенно наглядно, и его изучали уже в 1934 году [10]. Ионный путь идёт через третичный катион и даёт 2-бром-2-метилпропан. Радикальный путь идёт через третичный радикал: атом брома присоединяется к группе CH₂, и получается 1-бром-2-метилпропан, первичный бромид. Этот продукт по ионному пути не получить вовсе.

Пример 3. Бут-1-ен

Рассуждаем. Концы связи неравноценны: при присоединении к C-1 возникает вторичный радикал, к C-2 — первичный. Значит, бром идёт на C-1, и получается 1-бромбутан. Такое же направление характерно для всех алкенов с концевой двойной связью [1].

Пример 4. Окт-1-ен

Этот пример важен для практики. Первичные бромиды с длинной цепью нужны для получения поверхностно-активных веществ, смазок и лекарств, а окт-1-ен и его гомологи доступны как нефтехимическое сырьё. Вместо пероксида здесь указан AIBN: при нагревании он отщепляет молекулу азота и даёт два углеродных радикала.

Пример 5. Метиленциклогексан

Ионный путь идёт через третичный катион в кольце, бром оказывается в кольце. Радикальный путь идёт через третичный радикал в кольце, а бром остаётся снаружи: (бромметил)циклогексан. Похожим образом ведут себя другие алкены с такой двойной связью.

Пример 6. 2-Метилбут-2-ен

Теперь двойная связь внутри цепи. При присоединении брома к атому CH возникает третичный радикал, поэтому бром присоединяется именно туда, а не к атому с двумя метильными группами. Получается 2-бром-3-метилбутан, это вторичный бромид. Работа Уоллинга, Хараша и Мейо 1939 года включала и это вещество [19]. Ионный путь даёт другой изомер, 2-бром-2-метилбутан. Поэтому слова «бром идёт к концу цепи» неточны: он идёт к менее замещённому атому двойной связи.

Пример 7. Пент-2-ен

При присоединении брома к C-2 образуется радикал при C-3, при присоединении к C-3 — радикал при C-2. Оба вторичные, различие почти незаметное. Получается смесь 2-бромпентана и 3-бромпентана. Такой результат полезно помнить: радикальный метод не поможет получить чистый продукт из алкена, у которого оба атома двойной связи почти равноценны.

Пример 8. Циклогексен

Оба атома двойной связи одинаковы, и региоселективности нет. Любой механизм приведёт к бромциклогексану. Если в задаче такой алкен, пероксид на состав продукта не влияет, хотя и ускоряет реакцию.

Пример 9. Бут-2-ен

плоский радикал: получаются оба энантиомера, R и S

Концы двойной связи снова равноценны, и в продукте появляется новый стереоцентр. Радикал почти плоский, и атом водорода подходит с любой из двух сторон с равной вероятностью. Получается рацемат: равные количества (R)- и (S)-2-бромбутана. Если взять чистый (E)- или чистый (Z)-алкен, ответ не изменится.

Пример 10. 2-Метилбут-1-ен

1-бром-2-метилбутан: рацемат (S + R)

Бром идёт к группе CH₂, третичный радикал получается при C-2. Этот атом становится стереоцентром только в момент присоединения водорода: у него теперь четыре разных заместителя. И снова получается рацемат: обе стороны плоского радикала равноценны.

8. Что меняют соседние группы

Пример 11. Стирол

Присоединение брома к концевому атому даёт бензильный радикал, а его устойчивость намного выше, чем у алкильных: неспаренный электрон делокализован по кольцу (энергия связи C–H в толуоле около 375 кДж/моль) [25]. Главным становится (2-бромэтил)бензол. Опыт с дибензоилпероксидом в пентане дал соотношение 80 : 20 в пользу первичного бромида [19]. Казалось бы, при такой устойчивости радикала второго продукта вообще быть не должно. Вероятная причина в том, что стирол легко образует бензильный катион, и параллельно идёт ионная реакция. (2-Бромэтил)бензол — промежуточное вещество в синтезе многих лекарств.

Пример 12. 1-Фенилпроп-1-ен

Здесь работает та же логика. Бензильный радикал образуется, только если бром присоединится к атому, удалённому от кольца. Поэтому получается 2-бром-1-фенилпропан [18]. Ионный путь через бензильный катион даёт другое вещество: 1-бром-1-фенилпропан. Обе реакции идут через частицу при атоме, соседнем с кольцом, но атом брома оказывается в разных местах.

Пример 13. 3,3-Диметилбут-1-ен: радикалы не перегруппировываются

Этот алкен — классический тест на катион. В ионной реакции вторичный катион перестраивается в третичный: метильная группа переходит к соседнему атому, и получаются сразу два продукта, причём один из них с изменённым скелетом. Для такого сдвига у катиона есть свободная орбиталь, куда переходит пара электронов. У радикала такая орбиталь занята одним электроном, поэтому сдвиг метильной группы или атома водорода к радикальному центру идёт очень плохо. Значит, скелет сохраняется, и основным становится 1-бром-3,3-диметилбутан. Сходное вещество, 4,4-диметилпент-1-ен, изучала группа Хараша ещё в 1934 году [41].

Пример 14. Бута-1,3-диен

Атом брома присоединяется к концевому атому, потому что при этом возникает аллильный радикал: неспаренный электрон распределён по двум концам трёхатомного фрагмента. Отрыв водорода может произойти на любом из концов. Отсюда смесь продуктов 1,4- и 1,2-присоединения, причём обычно преобладает 1-бромбут-2-ен [18]. У ионной реакции сходная логика, поскольку аллильный катион тоже имеет два реакционных конца.

Пример 15. Аллилбромид: опыт, с которого всё началось

Без пероксидов, в темноте и без доступа кислорода получается в основном 1,2-дибромпропан. На воздухе главным становится 1,3-дибромпропан [7]. Обратите внимание: в подписи к стрелке указан не пероксид, а воздух. Сам кислород пероксидом не является, но при контакте с алкеном он образует пероксиды. Именно поэтому так трудно было разобраться в старых опытах: о пероксидах никто и не думал, а реагенты в разных лабораториях хранились по-разному.

Пример 16. Винилбромид

При ионном присоединении получается 1,1-дибромэтан: неподелённая пара брома стабилизирует катион на своём атоме углерода. При радикальном присоединении образуется 1,2-дибромэтан [8]. Атом брома идёт к группе CH₂, а радикал возникает при атоме, уже несущем бром. Заместитель здесь уже не алкильный, а логика та же.

9. Стереохимия

В учебниках обычно пишут, что радикальное присоединение нестереоселективно, поскольку радикал почти плоский. Для алкенов с открытой цепью это в целом верно: Скелл и Вудворт в 1955 году не обнаружили стереоспецифичности в реакции цис- и транс-бут-2-енов с BrCCl₃ [23]. Вокруг связи C–C в радикале идёт быстрое вращение, и исходная геометрия алкена теряется.

Но с HBr, особенно при низкой температуре и в циклических субстратах, картина другая. Здесь было сделано важное открытие, которое обычно не попадает в школьные пособия.

Пример 17. 1-Метилциклогексен

главный продукт: цис-1-бром-2-метилциклогексан (показан один энантиомер рацемата)

Геринг, Абелл и Эйкок в 1952 году выяснили, что главный продукт здесь — цис-1-бром-2-метилциклогексан [21]. Бром и водород при этом присоединяются с противоположных сторон плоскости двойной связи (анти-присоединение), и поэтому бром и метильная группа оказываются по одну сторону кольца. Если бы радикал был свободно плоским, ожидалась бы смесь обоих диастереомеров.

Пример 18. 1-Бромциклогексен

главный продукт: цис-1,2-дибромциклогексан

Та же работа дала цис-1,2-дибромциклогексан как главный продукт [21]. Позже Геринг и Симс сравнили здесь радикальный и ионный пути [42]. Обычно цис-1,2-дибромид труднее получить: присоединение Br₂ к циклогексену даёт, наоборот, транс-изомер. Так что здесь радикальная реакция открывает доступ к менее обычному стереоизомеру.

Пример 19. Пропин

пропин → (Z)-1-бромпропен → 1,2-дибромпропан

Скелл и Аллен в 1958 году показали, что присоединение HBr к пропину идёт стереоспецифично как анти-присоединение и получается (Z)-1-бромпропен [22, 3]. Вторая молекула HBr даёт уже 1,2-дибромпропан: атом брома присоединяется к C-2, потому что радикал при C-1 стабилизирован соседним атомом брома [3].

Как объяснить анти-присоединение? Предложено две модели. По одной, новый атом брома слегка взаимодействует с радикальным центром и закрывает одну сторону, образуя мостиковую структуру, похожую на бромониевый ион. Такие мостиковые бромсодержащие радикалы подробно исследовали Скелл и его сотрудники [24]. По другой, важна просто кинетика: при низкой температуре и большом количестве HBr водород отрывается быстрее, чем радикал успевает изменить конформацию. Так или иначе, слова «радикальное присоединение всегда нестереоселективно» — упрощение.

10. От касторового масла к топливным трубкам

Пример 20. 10-Ундеценовая кислота

Самое известное применение перекисного эффекта начинается далеко от химической лаборатории: с касторовых бобов. Главный компонент касторового масла — рицинолевая кислота, C₁₈ с гидроксильной группой. При переэтерификации метанолом получается её метиловый эфир, а при 400–575 °C он распадается на гептаналь и метиловый эфир ундеценовой кислоты [40]. Из этого эфира получается 10-ундеценовая кислота, у которой двойная связь находится точно на конце цепи из одиннадцати атомов.

Для линейного полимера нужен бром именно на конце, у C-11. Присоединением HBr к этой кислоте занимались и раньше: например, Эштон и Смит в Англии в 1934 году [36]. Итальянский патент компании «Перфоджит», выданный в США в 1956 году, очень наглядно показывает проблемы выбора условий [35]:

• сухой HBr без инициатора даёт в основном 10-бромундекановую кислоту, непригодную для линейных полимеров;
• HBr в токе воздуха даёт нужный продукт с выходом примерно от 38 до 79 %, он тёмный и содержит заметную долю 10-изомера;
• с пероксидом бензоила и воздухом выход немного выше 80 %, но загрязнения остаются;
• с 1–2 % пероксида без воздуха выход превышает 90 %, а 10-изомера почти нет.

То есть кислород играет в этой реакции двойственную роль: он запускает цепь, образуя пероксиды, но сам захватывает радикалы и окисляет вещество. По опубликованному описанию производства, в толуоле с пероксидом бензоила при охлаждении до 0 °C выход достигает 95 % [40]. Реакция сильно экзотермична, поэтому приходится отводить тепло.

11-бромундекановая кислота → 11-аминоундекановая кислота

поликонденсация даёт полиамид 11

Дальше бром замещают аммиаком, и получается 11-аминоундекановая кислота, а её поликонденсация даёт полиамид 11. Сам мономер был известен и раньше: о том, что Уоллес Карозерс полимеризовал эту кислоту ещё в 1931 году, сообщают обзоры. Промышленный путь начали разрабатывать во Франции в конце 1930-х годов [43]. Первый патент появился в 1947 году, а марка Rilsan — в 1949 году [37].

Полиамид 11 сохраняет ударную вязкость при очень низких температурах, поглощает меньше воды, чем обычные полиамиды 6 и 6,6, и устойчив к углеводородам. Отсюда топливные трубки автомобилей, пневматические и гидравлические линии, трубы в нефтегазовой отрасли [37]. Так от растения через перекисный эффект получаются детали, которые работают в контакте с бензином. Полимер делают из возобновляемого сырья, хотя биологически он не разлагается.

Пример 21. Эстрагол: новая жизнь старой проблемы

История с воздухом повторилась в XXI веке. В 2016 году группа Стивена Голдапа хотела получить промежуточное вещество из эстрагола реакцией HBr в присутствии AIBN и заметила, что продукт против правила образуется и совсем без инициатора [33]. Просмотрев старые работы, авторы пришли к выводу: чисто марковниковского присоединения можно не получить, если не исключён воздух. Они разработали воспроизводимый метод, где инициатор вообще не добавляют, и он хорошо масштабируется [33]. Спустя восемь десятков лет опыт Хараша и Мейо превратился в удобную методику.

11. Другие реагенты

После 1933 года возник естественный вопрос: какие ещё молекулы способны присоединяться таким же образом? Условие то же, что выведено для HBr: обе стадии цепи должны быть быстрыми. Значит, нужна связь, которая рвётся достаточно легко, и радикал, который присоединяется к C=C.

Пример 22. Тиолы

Эта реакция известна даже дольше перекисного эффекта: ещё в 1905 году Теодор Познер описал присоединение меркаптанов к ненасыщенным углеводородам с образованием продукта «против правила» [26]. Энергия связи S–H около 365 кДж/моль почти та же, что у H–Br [28], и поэтому механизм такой же: тиильный радикал присоединяется к концу двойной связи, а углеродный радикал отрывает водород от следующего тиола.

Сегодня это реакция тиол-ен, одна из «клик-реакций»: выходы высокие, побочных продуктов мало, она идёт в воде и не требует металлов [27, 28]. С её помощью связывают пептиды в кольца и «сшивают» цепочки белков, причём выходы достигают 92 %, а на вирусоподобную частицу можно одной реакцией присоединить до 180 сахарных остатков [28]. Она же применяется при отверждении покрытий и в полимерных сетках [27].

Пример 23. Тетрахлорметан

В 1945 году Хараш, Дженсен и Урри сообщили в журнале «Science», что CCl₄ присоединяется к алкенам в присутствии пероксида [29]. Трихлорметильный радикал присоединяется к концевому атому, а углеродный радикал отрывает атом хлора от следующей молекулы CCl₄. Получается 1,1,1,3-тетрахлорнонан. Реакция называется присоединением по Харашу. Здесь новая связь образуется между атомами углерода, и этот метод, в отличие от присоединения HBr, строит углеродный скелет.

Пример 24. Бромтрихлорметан

Связь C–Br в BrCCl₃ слабее связи C–Cl в CCl₄, поэтому от молекулы отрывается бром, а не хлор. Цепь идёт легче, и теломеров меньше [30]. Трихлорметильная группа оказывается на конце, а бром — на втором атоме: 3-бром-1,1,1-трихлорнонан.

Пример 25. Хлороводород и фотокатализ

Выше было показано, что для HCl обычная цепь не работает. Но это ограничение можно обойти другим механизмом. В 2014 году Дэвид Никевич и соавторы применили органический фотокатализатор и донор атома водорода [34]. Возбуждённый светом катализатор окисляет алкен до катион-радикала, к нему присоединяется хлорид-ион, а получившийся радикал получает водород от донора. Радикал отрывает водород не от HCl, и поэтому невыгодная стадия исключается. Так удалось присоединить к стиролам против правила HCl, HF, а также фосфорные и сульфоновые кислоты [34].

12. Что выросло из этой работы

Перекисный эффект оказался началом гораздо большего. Он показал органикам, что свободные радикалы — это обычные участники обычных реакций в растворе. Отсюда прямой путь к пониманию многих процессов.

• Полимеризация. Радикальная полимеризация стирола, этилена и других мономеров идёт по той же схеме: зарождение, рост, обрыв. Хараш работал над синтетическим каучуком [13], а Мейо вывел уравнение сополимеризации [32].
• Контролируемая полимеризация. В 1995 году Ван и Матьяшевский описали полимеризацию с переносом атома (ATRP), прямо связанную с присоединением по Харашу, но с участием комплекса металла [31].
• Органический синтез. Радикальные реакции перестали считаться неуправляемыми. Их используют и для замыкания циклов, в том числе в синтезе природных веществ.
• Окисление на воздухе. Самоокисление жиров и образование пероксидов в эфирах идут по цепному механизму. Отсюда правило лабораторной безопасности: старые склянки с эфиром надо проверять на пероксиды, прежде чем перегонять.

13. Типичные ошибки

• Ожидать эффекта пероксида с HCl и HI. С ними продукт не меняется: пропен и HCl с пероксидом всё равно дают 2-хлорпропан.
• «Бром всегда идёт к концу цепи». Он идёт к менее замещённому атому двойной связи. У 2-метилбут-2-ена это внутренний атом (пример 6).
• Искать перегруппировку. Радикалы не перестраиваются так, как катионы (пример 13).
• Считать, что в радикальной реакции первым приходит водород. Первым приходит бром. Если начать с водорода, получится неверный продукт.
• Рисовать двухэлектронные стрелки. В радикальных стадиях используют «крючки», по одному на каждый переносимый электрон.
• Думать, что бром приходит из Br₂. Атом брома образуется из HBr, и исходного Br₂ в реакции нет.
• Считать, что пероксид расходуется наравне с HBr. Это инициатор, и его нужно мало: 1–2 % в промышленном примере [35].
• Ожидать другого продукта у симметричного алкена. Для циклогексена или бут-2-ена продукт один и тот же при обоих механизмах (примеры 8 и 9).
• Говорить, что правило Марковникова здесь нарушено в принципе. Наиболее устойчивая промежуточная частица образуется и здесь, просто это радикал.

14. Частые вопросы

Почему эту реакцию называют и «перекисным эффектом», и «эффектом Хараша»?

«Перекисный эффект» (peroxide effect) — термин самих авторов из заголовка статей 1933 года [7]. «Эффект Хараша» — более позднее название в честь первооткрывателя. Перекисью раньше называли то, что сегодня чаще называют пероксидом. В современных русских учебниках встречаются оба слова.

Нужно ли специально добавлять пероксид?

Необязательно. Эффект может вызвать свет, воздух или пероксиды, уже накопившиеся при хранении алкена [33]. Наоборот, чтобы получить чистый продукт по правилу, надо принимать меры: взять только что перегнанный алкен, исключить воздух и свет, добавить ингибитор.

Сколько циклов проходит цепь?

Точное число зависит от условий, но нижнюю границу легко оценить. Если 1 % пероксида от количества алкена даёт полное превращение, то на каждый радикал приходится не меньше 50 циклов (расчёт дан в задании 15). На деле больше, так как не все радикалы успевают начать цепь.

Почему в реакции не образуется дибромид?

Концентрация атомов брома очень мала, а HBr много, поэтому углеродный радикал встречает в основном молекулу HBr. Однако в реакционной смеси могут появляться следы Br₂ в результате рекомбинации атомов брома. На главный путь это почти не влияет.

Чем эта реакция отличается от гидроборирования?

Обе дают «антимарковниковский» результат, но продукты разные. Радикальное присоединение HBr даёт бромид, причём без стереоконтроля. Гидроборирование с последующим окислением даёт спирт, а бор и водород присоединяются с одной стороны двойной связи. Гидроборирование идёт согласованно и без радикалов.

Можно ли провести реакцию в воде?

Обычно нет: водный раствор HBr поддерживает ионный механизм, а вода хорошо стабилизирует ионы. Поэтому берут газообразный HBr в неполярном растворителе, например в толуоле или пентане [19, 35]. Реакции тиолов, наоборот, в воде идут хорошо [28].

Что такое AIBN и зачем он нужен, если есть пероксид?

Азобисизобутиронитрил при нагревании выделяет азот и даёт два радикала. Распад не зависит от растворителя, образующиеся радикалы менее склонны отрывать водород от растворителя, а вещество безопаснее многих пероксидов. Поэтому в лабораториях его часто предпочитают.

Чем эта реакция отличается от радикального галогенирования алканов?

Там другая цепь: атом галогена отрывает водород от алкана. Об этой реакции рассказано в статье «Алканы и циклоалканы». Здесь же разрывается π-связь, поэтому энергетический баланс другой, и к тому же в реакции участвует HX, а не X₂.

15. Что нужно знать к ЕГЭ

Для ЕГЭ главным остаётся правило Марковникова [39]. Перекисный эффект в типовых заданиях встречается редко, но в условии могут быть указаны пероксид или свет. Несколько моментов для экзамена:

• В присутствии пероксида HBr присоединяется к пропену с образованием 1-бромпропана. Без пероксида получается 2-бромпропан.
• Этот эффект характерен только для HBr. Для HCl и HI в присутствии пероксида ответ тот же, что и без него.
• Присоединение воды и галогеноводородов к алкенам с сильным акцептором у двойной связи, например к акриловой кислоте, также идёт против обычного направления. Но это другое явление: механизм там ионный, а двойная связь сильно поляризована группой COOH.
• Цепочка реакций «алкен → 1-бромалкан → спирт» — хороший способ получить первичный спирт из алкена с концевой двойной связью. Если в задании указано присоединение против правила, ищите в условии пероксид.

16. Для олимпиад

Обратимость и изомеризация алкенов

Стадия 1 выгодна лишь немного, и поэтому обратима: образовавшийся радикал может снова отщепить атом брома. За это время успевает произойти вращение вокруг бывшей двойной связи. Поэтому HBr в радикальных условиях изомеризует цис-алкены в более устойчивые транс-алкены, причём быстрее, чем идёт само присоединение [2]. Этот результат хорошо согласуется с малой выгодой стадии 1, которая видна в таблице.

Конкуренция с отрывом аллильного водорода

У атома брома есть ещё один вариант: оторвать аллильный атом водорода от алкена. Энергия связи C–H около 370 кДж/моль близка к энергии связи H–Br, поэтому такая стадия почти нейтральна и обратима. Именно на этом основано аллильное бромирование с N-бромсукцинимидом. Там концентрация Br₂ и HBr поддерживается низкой, и аллильный радикал реагирует с Br₂, а присоединения не происходит. Выбор пути зависит от концентрации реагентов и температуры [1, 2].

Радикальные часы

Как узнать, что в реакции участвует радикал? Удобно использовать внутримолекулярную реакцию с известной скоростью, «радикальные часы». Гекс-5-енильный радикал замыкается в циклопентилметильный с константой скорости около 2×10⁵ с⁻¹ при 25 °C [38]. Если в продуктах есть циклопентановое кольцо, значит, радикал успел замкнуться раньше, чем встретил донора водорода. Сравнение доли циклических и открытых продуктов позволяет измерить скорость отрыва водорода.

Энергетический баланс стадий

Олимпиадные задачи часто просят составить энергетический баланс стадий по таблице энергий связей. Проделаем это для присоединения брома к этилену: π-связь (270) и образование C–Br (290) дают −20 кДж/моль. Вторая стадия: разрыв H–Br (366) и образование C–H (415) дают −49 кДж/моль. Сумма равна −69 кДж/моль. Аналогичная оценка для HCl показывает, что вторая стадия требует затрат, а для HI — что первая. Важно, что одна невыгодная стадия не запрещает реакцию термодинамически, но делает цепь короткой.

Стереоэлектронные детали

Результаты Геринга и Скелла показывают, что мостиковое участие атома брома заметно именно при низких температурах и в реакциях с бромом [21, 22, 24]. Похожее явление есть в радикальном бромировании 2-бромбутана, где реакция идёт стереоселективно и быстрее ожидаемого [24]. Хлор участвует в таких мостиках намного слабее: его орбитали меньше, а связь короче.

17. Задания с разбором

Сначала ответьте сами: назовите механизм и продукт. Разбор открывается по щелчку.

Задание 1

Разбор

Концевая двойная связь, HBr, пероксид. Атом брома идёт к C-1, радикал образуется при C-2, затем отрывает водород от HBr. Получается 1-бромгексан.

Задание 2

Разбор

Без пероксида идёт ионный путь. Протон идёт к C-1, вторичный катион присоединяет бромид-ион. Получается 2-бромгексан.

Задание 3

Разбор

Атом брома идёт к C-1, а радикал при C-2 не перестраивается. Получается 1-бром-3-метилбутан. Ионный путь дал бы 2-бром-2-метилбутан из-за сдвига гидрида в катионе.

Задание 4

Разбор

Бром идёт к атому CH, а третичный радикал образуется у атома с метильной группой. Получается 1-бром-2-метилциклопентан. По ионному пути получился бы 1-бром-1-метилциклопентан.

Задание 5

Разбор

Бром присоединяется к группе CH₂, третичный радикал образуется в кольце. Получается (бромметил)циклопентан.

Задание 6

Разбор

Бром идёт к группе CH₂, а радикал получается третичным и одновременно бензильным. Это очень выгодно. Получается 1-бром-2-фенилпропан (в виде рацемата).

Задание 7

Разбор

Ловушка: с HCl пероксид ничего не меняет, поскольку отрыв водорода от H–Cl невыгоден. Идёт ионный путь, и получается 2-хлорпропан.

Задание 8

Разбор

Та же ловушка: присоединение атома иода к алкену невыгодно. Получается 2-иодпропан.

Задание 9

Разбор

Связь S–H достаточно слаба для цепи. Радикал CH₃COS• присоединяется к концевому атому. Получается S-октилтиоацетат. Это удобный способ перейти от алкена к тиолу: при гидролизе получается октан-1-тиол.

Задание 10

Разбор

Отрывается бром, поскольку связь C–Br слабее связи C–Cl. Радикал •CCl₃ присоединяется к концу двойной связи, а затем атом брома переходит к углеродному радикалу. Получается 3-бром-1,1,1-трихлорбутан.

Задание 11

Разбор

Этот субстрат аналогичен аллилбромиду. Атом брома идёт к концевому атому, и получается 1-бром-3-хлорпропан.

Задание 12

Из одного алкена нужно получить в двух разных опытах 1-бром-2-метилпропан и 2-бром-2-метилпропан. Какой алкен взять и что изменить в условиях?

Разбор

к 1-бром-2-метилпропану ведёт радикальный путь от 2-метилпропена

к 2-бром-2-метилпропану ведёт ионный путь от него же

В обоих опытах подходит 2-метилпропен. С пероксидом получается первичный бромид, а без пероксида, особенно с ингибитором, третичный.

Задание 13

Из пропена получите пропан-1-ол и бутаннитрил. Предложите короткие схемы.

Разбор

пропен → 1-бромпропан → пропан-1-ол

пропен → 1-бромпропан → бутаннитрил

Сначала радикальное присоединение HBr даёт 1-бромпропан. Затем первичный бромид реагирует по S_N2: с водной щёлочью образуется спирт, с цианидом в ДМСО образуется нитрил. О выборе таких условий рассказано в статье «S_N1, S_N2, E1 или E2».

Задание 14

Рассчитайте по средним значениям энергий связей тепловой эффект двух стадий роста цепи для HBr и этилена: π-связь 270, C–Br 290, H–Br 366, C–H 415 кДж/моль. Какой вывод можно сделать?

Задание 15

В реакции взяли 1 моль алкена и 0,01 моль пероксида, и прореагировал весь алкен. Считая, что каждая молекула пероксида дала два радикала, оцените минимальную среднюю длину цепи.

Задание 16

К HBr и пропену добавили гидрохинон. Какой продукт станет главным и почему реакция замедлится?

Задание 17

Почему в радикальных реакциях с HBr бром не присоединяется к тому атому двойной связи, где уже больше заместителей?

Задание 18

Какие из перечисленных условий подойдут для получения 1-бромпентана из пент-1-ена: а) HBr, эфир, пероксид; б) HBr, вода, темнота, ингибитор; в) HBr, свет, пентан?

Литература

1. Clayden J., Greeves N., Warren S. Organic Chemistry. 2nd ed. Oxford: Oxford University Press, 2012.
2. Smith M. B. March's Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure. 8th ed. Hoboken: Wiley, 2020.
3. Roberts J. D., Caserio M. C. Basic Principles of Organic Chemistry. 2nd ed. Menlo Park: W. A. Benjamin, 1977. Section 10-8.
4. Markownikoff W. Ueber die Abhängigkeit der verschiedenen Vertretbarkeit des Radicalwasserstoffs in den isomeren Buttersäuren // Justus Liebigs Annalen der Chemie. 1870. Bd. 153. S. 228–259.
5. Hughes P. Was Markovnikov's rule an inspired guess? // Journal of Chemical Education. 2006. Vol. 83. P. 1152.
6. Lewis D. E. The logic behind Markovnikov's rule: was it an inspired guess? …No! // Angewandte Chemie International Edition. 2021. Vol. 60. P. 4412–4421.
7. Kharasch M. S., Mayo F. R. The peroxide effect in the addition of reagents to unsaturated compounds. I. The addition of hydrogen bromide to allyl bromide // Journal of the American Chemical Society. 1933. Vol. 55. P. 2468–2496.
8. Kharasch M. S., McNab M. C., Mayo F. R. The peroxide effect in the addition of reagents to unsaturated compounds. II. The addition of hydrogen bromide to vinyl bromide // Journal of the American Chemical Society. 1933. Vol. 55. P. 2521–2530.
9. Kharasch M. S., McNab M. C., Mayo F. R. The peroxide effect in the addition of reagents to unsaturated compounds. III. The addition of hydrogen bromide to propylene // Journal of the American Chemical Society. 1933. Vol. 55. P. 2531–2533.
10. Kharasch M. S., Hinckley J. A. The peroxide effect in the addition of reagents to unsaturated compounds. VI. The addition of hydrogen bromide to isobutylene // Journal of the American Chemical Society. 1934. Vol. 56. P. 1243–1245.
11. Sherrill M. L., Mayer K. E., Walter G. F. Addition of hydrogen bromide to pentene-1 and heptene-1 // Journal of the American Chemical Society. 1934. Vol. 56. P. 926–930.
12. Mayo F. R. The evolution of free radical chemistry at Chicago // Journal of Chemical Education. 1986. Vol. 63. P. 97–99.
13. Kopperl S. J. Kharasch, Morris Selig // Complete Dictionary of Scientific Biography. Detroit: Gale.
14. Kharasch M. S., Engelmann H., Mayo F. R. The peroxide effect in the addition of reagents to unsaturated compounds. XV. The addition of hydrogen bromide to 1- and 2-bromo- and chloropropenes // Journal of Organic Chemistry. 1937. Vol. 2. P. 288–302.
15. Hey D. H., Waters W. A. Some organic reactions involving the occurrence of free radicals in solution // Chemical Reviews. 1937. Vol. 21. P. 169–208.
16. Gomberg M. An instance of trivalent carbon: triphenylmethyl // Journal of the American Chemical Society. 1900. Vol. 22. P. 757–771.
17. Paneth F., Hofeditz W. Über die Darstellung von freiem Methyl // Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1929. Bd. 62. S. 1335–1347.
18. Mayo F. R., Walling C. The peroxide effect in the addition of reagents to unsaturated compounds and in rearrangement reactions // Chemical Reviews. 1940. Vol. 27. P. 351–412.
19. Walling C., Kharasch M. S., Mayo F. R. The peroxide effect in the addition of reagents to unsaturated substances. XXII // Journal of the American Chemical Society. 1939. Vol. 61. P. 2693–2696.
20. Vaughan W. E., Rust F. F., Evans T. W. The photo-addition of hydrogen bromide to olefinic bonds // Journal of Organic Chemistry. 1942. Vol. 7. P. 477–490.
21. Goering H. L., Abell P. I., Aycock B. F. The stereochemistry of the free radical addition of hydrogen bromide to 1-bromocyclohexene and 1-methylcyclohexene // Journal of the American Chemical Society. 1952. Vol. 74. P. 3588–3592.
22. Skell P. S., Allen R. G. Stereochemistry of radical processes. Stereospecific trans addition of HBr to propyne // Journal of the American Chemical Society. 1958. Vol. 80. P. 5997–6000.
23. Skell P. S., Woodworth R. C. The stereochemistry of radical-olefin addition reactions. Reactions of cis- and trans-2-butenes with bromotrichloromethane // Journal of the American Chemical Society. 1955. Vol. 77. P. 4638–4642.
24. Skell P. S., Pavlis R. R., Lewis D. C., Shea K. J. Bridged bromine and chlorine free-radical intermediates. Free-radical halogenations of 2-halobutanes // Journal of the American Chemical Society. 1973. Vol. 95. P. 6735–6745.
25. Blanksby S. J., Ellison G. B. Bond dissociation energies of organic molecules // Accounts of Chemical Research. 2003. Vol. 36. P. 255–263.
26. Posner T. Beiträge zur Kenntniss der ungesättigten Verbindungen. II. Ueber die Addition von Mercaptanen an ungesättigte Kohlenwasserstoffe // Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1905. Bd. 38. S. 646–657.
27. Hoyle C. E., Bowman C. N. Thiol–ene click chemistry // Angewandte Chemie International Edition. 2010. Vol. 49. P. 1540–1573.
28. Nolan M. D., Scanlan E. M. Applications of thiol-ene chemistry for peptide science // Frontiers in Chemistry. 2020. Vol. 8. Article 583272.
29. Kharasch M. S., Jensen E. V., Urry W. H. Addition of carbon tetrachloride and chloroform to olefins // Science. 1945. Vol. 102. P. 128.
30. Kharasch M. S., Jensen E. V., Urry W. H. Reactions of atoms and free radicals in solution. X. The addition of polyhalomethanes to olefins // Journal of the American Chemical Society. 1947. Vol. 69. P. 1100–1105.
31. Wang J.-S., Matyjaszewski K. Controlled/“living” radical polymerization. Atom transfer radical polymerization in the presence of transition-metal complexes // Journal of the American Chemical Society. 1995. Vol. 117. P. 5614–5615.
32. Mayo F. R., Lewis F. M. Copolymerization. I. A basis for comparing the behavior of monomers in copolymerization; the copolymerization of styrene and methyl methacrylate // Journal of the American Chemical Society. 1944. Vol. 66. P. 1594–1601.
33. Galli M., Fletcher C. J., del Pozo M., Goldup S. M. Scalable anti-Markovnikov hydrobromination of aliphatic and aromatic olefins // Organic & Biomolecular Chemistry. 2016. Vol. 14. P. 5622–5626.
34. Wilger D. J., Grandjean J.-M. M., Lammert T. R., Nicewicz D. A. The direct anti-Markovnikov addition of mineral acids to styrenes // Nature Chemistry. 2014. Vol. 6. P. 720–726.
35. Münch W., Notarbartolo L., Spano L. Process for the production of 11-bromoundecanoic acid: US Patent 2772302. 1956.
36. Ashton R., Smith J. C. Addition of hydrogen bromide to double bonds. Undecenoic acid // Journal of the Chemical Society. 1934. P. 435.
37. Arkema. Пресс-релиз к юбилею полиамида Rilsan. 2017.
38. Griller D., Ingold K. U. Free-radical clocks // Accounts of Chemical Research. 1980. Vol. 13. P. 317–323.
39. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по химии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.
40. Chauvel A., Lefebvre G. Petrochemical Processes. Vol. 2. Paris: Éditions Technip, 1989.
41. Kharasch M. S., Hannum C. W., Gladstone M. Addition of hydrogen bromide to 4,4-dimethylpentene-1 // Journal of the American Chemical Society. 1934. Vol. 56. P. 244.
42. Goering H. L., Sims L. L. The stereochemistry of radical additions. II. The radical and ionic addition of hydrogen bromide to 1-bromocyclohexene and 1-chlorocyclohexene // Journal of the American Chemical Society. 1955. Vol. 77. P. 3465–3469.
43. Société Chimique de France. Справочный материал об истории полиамидов.