Региоселективность E2: правила Зайцева и Гофмана

Правило Зайцева

В уроке 94 мы научились рисовать механизм E2. Теперь ответим на вопрос, какой алкен образуется. Если у атома с уходящей группой несколько β-атомов с водородом, основание может оторвать протон от любого из них, и получается смесь изомерных алкенов. Какой из них главный, определяет устойчивость двойной связи, а если основание объёмное, — доступность водорода.

Как предсказать главный алкен при небольшом основании

1. Найдите все β-атомы, у которых есть водород.
2. Для каждого из них нарисуйте алкен, который образуется при отрыве протона.
3. Главным будет самый замещённый алкен, у атомов двойной связи которого больше всего алкильных групп: тетразамещённый > тризамещённый > дизамещённый > монозамещённый. Это правило Зайцева.
4. Среди дизамещённых алкенов транс-изомер устойчивее цис-изомера.

Алкильные группы стабилизируют π-связь гиперконъюгацией, так же как они стабилизируют карбокатион (урок 86). В переходном состоянии E2 двойная связь уже частично образовалась, поэтому выгода от её устойчивости проявляется и в скорости.

Чем меньше теплоты выделяется при гидрировании алкена, тем он устойчивее.

Примеры

1. 2-Бромбутан. 2-Бромбутан \(\ce{CH3CHBrC2H5}\) со спиртовым раствором KOH образует 81 % бут-2-ена (в основном транс-изомера) и 19 % бут-1-ена (рисунок выше).

2. Тризамещённый алкен. 2-Бром-2-метилгексан \(\ce{C4H9C(CH3)2Br}\) с этилатом калия образует в основном тризамещённый 2-метилгекс-2-ен, а 2-метилгекс-1-ен получается в меньшем количестве.

2-бром-2-метилгексан

2-метилгекс-2-ен: основной

2-метилгекс-1-ен: минорный

3. Циклический субстрат. 1-Бром-1-метилциклогексан с этилатом натрия образует в основном 1-метилциклогексен.

Правило Гофмана

Правило Зайцева предполагает, что основание может подойти к любому β-атому водорода. Если основание объёмное или уходящая группа плохая, выбор водорода меняется, и главным становится менее замещённый алкен.

Как предсказать алкен при объёмном основании

1. Объёмное основание (\(\ce{(CH3)3CO-}\), LDA) не может подобраться к загороженному внутреннему атому водорода.
2. Поэтому оно отрывает самый доступный атом водорода — обычно у концевой метильной группы.
3. Главным продуктом становится менее замещённый алкен. Это правило Гофмана.
4. Так же действует плохая уходящая группа (F, \(\ce{-N(CH3)3+}\)). Переходное состояние в этом случае похоже на карбанион, и выигрывает самый доступный и самый кислый атом водорода.

Примеры

1. 2-Бромбутан. С трет-бутоксидом калия 2-бромбутан \(\ce{CH3CHBrC2H5}\) образует 53 % бут-1-ена и 47 % бут-2-ена: доля менее замещённого алкена резко растёт.

2. 2-Бром-2-метилбутан. С трет-бутоксидом калия образуется 72 % 2-метилбут-1-ена \(\ce{CH2=C(CH3)C2H5}\) и только 28 % тризамещённого алкена \(\ce{(CH3)2C=CHCH3}\) (рисунок выше).

3. Соль аммония. Гидроксид триметил(бутан-2-ил)аммония \(\ce{[C2H5CH(CH3)N(CH3)3]+OH-}\) при нагревании образует в основном бут-1-ен. Это элиминирование по Гофману: триметиламмониевая группа — плохая уходящая группа.