Применение реакций элиминирования в органическом синтезе

Конкуренция нуклеофильного замещения и элиминирования

Реакции элиминирования и нуклеофильного замещения конкурируют между собой, так как растворитель и реагент $Y:$ могут вести себя двояко: как нуклеофил по отношению к углеродному атому и как основание по отношению к атому водорода при соседнем атоме углерода.

В мономолекулярном процессе $E1$-механизм элиминирования соперничает с $S_N1$-механизмом нуклеофильного замещения. Первая стадия и одного и второго механизмов совпадает и представляет собой ионизацию субстрата с последующим образованием карбкатиона.

Вторая стадия двух процессов протекает по разному: при $E1$-механизме растворитель отщепляет протон от $\beta$-атома углерода, а при $S_N1$-механизме осуществляется атака растворителя по положительно заряженному углеродному атому.

Соотношение $S_N1 > E1$ нельзя изменить заменой нуклеофильного агента или растворителя. Более сильный нуклеофил способствует замещению, а более сильное основание обуславливает изменение $E1$-механизма элиминирования на $E2$-механизм.

Изменить соотношение продуктов $E1$-элиминирования и $S_N1$-замещения можно:

• в ионизирующих, полярных и ненуклеофильных растворителях (суперкислоты $SO2ClF-SbF5$, $FSO3H-SbF5$, трифторметансульфокислота и др.);
• если карбокатионный центр стерически блокирован разветвленными алкильными группами.

Соотношение продуктов $E2$-элиминирования и $S_N2$-замещения зависит от природы радикала и основания, которое выполняет одновременно роль нуклеофильного агента. Более сильные нуклеофильные агенты способствуют $S_N2$-замещению, а более сильные основания - $E2$-элиминированию:

Рисунок 1.

В конкуренции $S_N2$- и $E1$-процессов важную роль играют структурные факторы в субстрате. При замещении водородных атомов при $\alpha$-атоме углерода на алкильные группы изменяется направление реакции к $E2$-элиминированию под действием оснований в ряду первичный $

Степень $E2$-элиминирования повышает разветвление при $\beta$-углеродном атоме, что связано со стерическими препонами для нуклеофильной атаки стерически затрудненного $\beta$-замещенного алкилгалогенида. Скорость $S_N2$-замещения уменьшается.

При повышении температуры скорость элиминирования возрастает быстрее, чем скорость замещения.

Зависимость третичных, вторичных заместителей от направления реакции

Для вторичных алкилсульфонатов и алкилгалогенидов направление реакции смещается в сторону элиминирования при использовании сильных, пространственно затрудненных оснований (изо-$C_3H_7)_2NLi$, $(C_2H_5)_3COK$, $(CH_3)_3COK$, для третичных заместителей $E2$-элиминирование является единственным направлением реакции.

Рисунок 2.

Направление элиминирования определяется правилом Гофмана:

Рисунок 3.

Для того чтобы реакция протекала согласно правилу Зайцева, необходимо для третичных алкилгалогенидов и циклоалкилгалогенидов использовать в качестве дегидрогалогенирующего агента фторид калия, хлорид лития в диполярных апротонных растворителях - ГМФТА, ДМФА, ДМСО:

Рисунок 4.

Для элиминирования по правилу Зайцева для вторичных алкилгалогенидов и сульфонатов в роли основания используют соли стерически затрудненной кислоты, например, пивалиновой (триметилуксусной).

Пивалиновая кислота почти полностью лишена свойств нуклеофильного реагента потому, что кислородный центр ее карбоксилат-иона блокирован для атаки по $sp$-гибридизованному атому углерода. В этом случае единственным направлением реакции становится $E2$-элиминирование:

$CH_3(CH_2)_2CH_2CHICH_3 + (CH_3)_3CCOONa \to CH_3(CH_2)_2CH=CHCH_3 + CH_3(CH_2)_3CH=CH_2 + NaI + (CH_3)_3CCOOH$

В качестве растворителя используется ДМФА при 100$^\circ$С.

Зависимость первичных заместителей от направления реакции

Первичные алкилгалогениды дают алкены в виде основного продукта только при использовании в качестве основания пространственно затрудненных третичных аминов, например диизопропиламид лития или этилдиизопропиламин:

Рисунок 5.

Очень результативными дегидрогалогенирующими агентами являются бициклические азотистые основания: 1,5-диазабицикло[4,3,0]нонен-5 (А) и 1,8-диазабицикло[5,4,0]ундецен-7 (Б):

Рисунок 6.

Дегидрогалогенированию первичных алкилгалогенидов способствуют стерически затрудненные алкоголят-ионы. С алкилсульфонатами выполняется только $S_N2$-замещение:

Рисунок 7.