какая реакция пойдет против правила марковникова

Правило Марковникова

При протекании любой реакции, необходимо, чтобы разорвались старые связи между атомами и образовались новые. По типу разрыва химической связи в исходной молекуле различают гомолитические и гетеролитические реакции.

Гомолитическими называются реакции, при которых в результате разрыва связей образуются частицы, имеющие неспаренный электрон — свободные радикалы:

А : В →А• + •В

Гетеролитическими называют реакции, протекающие через образование ионных частиц — катионов и анионов:

А : В → А + + :В —

Положительный ион в реакциях будет стремиться присоединить к себе электрон, т. е. будет вести себя как электрофильная частица. Отрицательный ион – так называемая, нуклеофильная частица будет атаковать центры с избыточными положительными зарядами.

Как определить по какому типу будет протекать разрыв?

1) Чем полярнее связь (чем больше разность ЭО атомов А и В), тем больше вероятность гетеролитического разрыва. Менее ЭО атом будет иметь +заряд – электрофильная частица, более электроотрицательный — отриц заряд – нуклеофильная частица.

2) Условия проведения реакции. Температура, свет способствует гомолитическому разрыву, образованию радикалов. А проведение реакций в полярном растворителе (вода) – способствует гетеролитическому разрыву. Наличие специальных катализаторов (кислот Льюиса), поляризующих химические связи, также обеспечивает гетеролитический разрыв.

Механизм электрофильного присоединения

Реакция гидрогалогенирования алкенов идет по механизму электрофильного присоединения с гетеролитическим разрывом связей.

Электрофилом в данном случае является протон Н + в составе молекулы галогеноводорода HX (X — галоген). К одному атому углерода присоединяется водород, к другому – хлор. В случае этилена нет разницы к какому атому присоединится водород, а к какому – хлор. А в случае пропена и других несимметричных УВ это имеет большое значение – т.к. получаются разные вещества.

Направление реакции присоединения галогеноводородов к алкенам несимметричного строения (например, к пропилену CH₂=CH–СН₃) определяется правилом Марковникова:

В реакциях присоединения полярных молекул типа НХ к несимметричным алкенам водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода при двойной связи (т.е. атому углерода, связанному с наибольшим числом атомов водорода).

Так, в реакции HCl c пропиленом из двух возможных структурных изомеров 1-хлорпропана и 2-хлорпропана, образуется последний.

Правило Марковникова можно объяснить другим способом – с точки зрения смещения электронной плотности в молекуле или электронных эффектов. Алкильные группы обладают так называемым положительным индуктивным электронным эффектом (+I-эффектом).

Индуктивный эффект — смещение электронной плотности по цепи σ-связей, которое обусловлено различиями в электроотрицательностях атомов.

Поэтому присоединение электрофильной частицы Н + происходит к более гидрогенизированному углеродному атому, а электроотрицательная группа Х присоединяется к менее гидрогенизированному атому углерода. По этому катион водорода H + присоединяется к первому атому углерода, Сl — — ко второму, т.е к противоположным зарядам.

Присоединение против правила Марковникова

отмечается в случаях, когда заместитель при двойной связи оттягивает электронную плотность на себя, т.е. проявляет электроноакцепторные свойства (–I и/или –М-эффект).

Например, в реакции трихлорпропена Сl₃C-CH=CH₂ с HХ водород присоединяется к менее гидрогенизированному атому углерода, а Х – к более гидрогенизированному. Это обусловлено тем, что группа СCl₃ проявляет отрицательный индуктивный эффект и электронная плотность пи-связи С=С смещена к менее гидрогенизированному атому углерода.

Сперва ответим на вопрос, почему алкены вступают в реакцию с электрофильными реагентами. Способность алкенов вступать в реакцию с электрофильными реагентами обусловлена повышенной электронной плотностью в области двойной связи (облако π-электронов над и под плоскостью молекулы).

Электрофильное присоединение протекает в несколько стадий.

I стадия: образование π-комплекса. π-Электронное облако двойной связи С=С взаимодействует с электрофилом (катион водорода).

II стадия (лимитирующая): образование карбокатиона.
Электрофил (Н+) присоединяется к одному из атомов углерода за счет электронной пары π-связи. На втором углеродном атоме, лишенном π-электронов, появляется положительный заряд.

III стадия: взаимодействие карбокатиона с анионом (например Cl-, образовавшемся при диссоциации HCl) которое приводит к продукту реакции.

Правило Марковникова по другому можно выразить так — присоединение электрофила происходит таким образом, чтобы образовался наиболее стабильный (устойчивый) каброкатион. Это и есть современная формулировка правила Марковникова: электрофильное присоединение к двойной связи идет через образование наиболее устойчивого карбокатиона.

Теперь давайте посмотрим, какие карбокатионы устойчивые и почему.

Устойчивость карбокатионов увеличивается в данном ряду слева направо.

Наиболее устойчивый — третичиный карбокатион, менее устойчивый вторичный, ещё менее устойчивый – первичный, и самый неустойчивый – метильный. Это связано с тем, что чем больше электронодонорных алкильных групп (СН3) тем в большей степени происходит гашение положительного заряда на атоме углерода, что приводит к уменьшению энергии этой частицы и увеличению её устойчивости. Реакция идет в основном по тому пути, который требует минимальных энергетических затрат. При гидрокалогенировании пропена возможно образование двух карбокатионов – первичного и вторичного, но преимущественно будет образовываться именно вторичный карбокатион, а не первичный. И преобладающим продуктом будет 2-хлорпропан.

Источник

Правило Марковникова в химии имеет большое значение в случаях взаимодействия воды или протонных кислот с такими органическими веществами как алкены и алкины. Примером может служить уравнение реакции: пропен + вода.

Суть этого правила в направлении разных типов реакций в зависимости от химического строения с участием реагентов, в структуре которых есть двойная связь. За этим правилом могут протекать реакции присоединения, отщепления, замещения, а также — реакции изомеризации.

Кратко о жизни и деятельности ученого-органика Марковникова

Ученый Владимир Васильевич Марковников занимался исследованиями в таких отраслях как органический синтез, нефтехимия и теоретическая органическая химия.

Марковников Владимир Васильевич (1838-1904)

В период с 1862 по 1867 гг. он смог пополнить багаж знаний человечества об изомерах спиртов и жирных кислот, открыть в ряду олефиновых углеродов оксиды, в первый раз в истории синтезировать оксо- и галогенопроизводные изомеры масляной кислоты.

На основании знаний, полученных в результате этих исследований, учёный смог сформулировать новое учение про взаимное влияние атомов, которое впоследствии получило имя автора. Сделал он это в 1869 г.

Современная формулировка правила Марковникова

Механизм реакции взаимодействия электрофильных реагентов с молекулами органических веществ, в которых есть двойная связь (электрофильное присоединение), происходит с образованием наиболее устойчивых карбокатионов.

Но если в строении алкена есть неконцевая двойная связь, то в этом случае будет иметь место правило Зайцева.

В соответствии с ним — тогда будет менее выражена ориентация присоединения.

Механизм электрофильного присоединения

Направление реакций этого типа происходит благодаря такому явлению как электронный эффект. То есть, благодаря смещению электронной плотности в молекуле.

На первой стадии образуется комплекс в результате взаимодействия электронов двойной связи с электрофильной частицей (чаще всего это ион водорода).

Вторая стадия — стадия гетеролитического разрыва связи — характеризуется образованием ковалентной связи между одним из атомов углерода и электрофильной частицей, в итоге образуется карбокатион.

На третьей стадии происходит образование второй связи за счёт второй электронной пары аниона (карбокатион реагирует с анионом).

Простыми словами, общая схема действия этого правила заключается в том, что присоединение иона водорода происходит к тому атому углерода (он обязательно должен находится возле двойной связи), который заряжен более отрицательно.

Исключение из правила

Вопреки правилу протекают реакции, в которых заместителем, стоящим при двойной связи, производится оттягивание электронной плотности в свою сторону. Этим осуществляется проявление электроноакцепторных свойств.

Пример такой реакции есть взаимодействие хлороводорода с 3,3,3-трихлорпропеном.

Вторым случаем, когда реакция присоединения происходит против этого правила, есть протекание реакций за радикальным механизмом (в реакции присутствуют атакующие свободные радикалы).

Примером может служить присоединение олефинов к бромоводороду. В таких реакциях происходит гомолитический разрыв связи.

Где применяется правило Марковникова

Правило нашло своё применение:

В производстве различных смесей, использующихся как на производствах, так и в быту. Например, оно применяется в изготовлении химического сырья, топлива и каучука.

Также его применяют для упрощения производства масел для смазки, спирта и полимеров.

Кроме всего вышеперечисленного, правило используется для изготовления смесей, входящих в состав горючего для бензинных двигателей самолетов и автомобилей, и для производства сажи, из которой потом делается топографическая краска.

Источник

Какая реакция пойдет против правила марковникова

4.3.б. Присоединение галогеноводородов (гидрогалогенирование)

Другой важной реакций электрофильного присоединения к алкенам является давно известное гадрогалогенирование алкенов.

Ниже приведены типичные примеры присоединения HCl, HBr и HI к различным алкенам.

Влияние алкильных заместителей у двойной связи на скорость присоединения описывается следующей последовательностью:

Это согласуется с таким механизмом, в котором в определяющей скорость стадии реакции происходит образование карбокатиона, поскольку стабильность алкильных катионов убывает в ряду третичный > вторичный > первичный. Таким образом, механизм присоединения должен включать промежуточное образование или свободного карбокатиона, что наблюдается редко, или интермедиата с карбокатионным характером. Последний случай наиболее типичен.

Если бы присоединение происходило через “свободный карбокатион”, то реакция была бы совершенно нестереоселективной, так, как алкильные катионы имеют плоское строение. Однако, гидрогалогенирование, как правило, протекает стереоселективно, причем в зависимости от типа алкена может наблюдаться селективное анти-присоединение, селективное син– или смешанное син–анти-присоединение.

Для алкенов, у которых двойная связь не сопряжена с ароматическим кольцом, характерно анти-присоединение галогеноводорода. Анти-присоединение хлористого и бромистого водорода, хлористого и бромистого дейтерия наблюдается для циклогексена, циклопентена, 1,2-диметилгексена, 1,2-диметилпентена, цис– и транс-бутена-2, гексена-3 и многих других простых алкенов и циклоалкенов.

В продукте присоединения одинаковые заместители (метильные группы) расположены по разные стороны средней плоскости циклогексанового кольца, следовательно он относится к транс-ряду. Анти-присоединение трудно совместимо с механизмом, в котором предполагается образование дискретного карбокатиона. Для плоского карбокатиона нуклеофильная атака галогенид-иона равновероятна с обеих сторон плоскости, что должно привести к образованию смеси продуктов син– и анти-присоединения. Кинетика гидрогалогенирования алкенов также указывает на более сложный механизм присоединения. Для несопряженных алкенов скорость реакции описывается уравнением третьего порядка со вторым порядком по галогеноводороду, т. е. соответствует Ad_E3-механизму.

Такой тримолекулярный механизм предполагает, что первоначально образуется комплекс алкена и одной молекулой галогеноводорода с последующей атакой второй молекулы НХ на этот комплекс с анти-стороны без образования дискретного карбокатиона. Следует особо отметить, что любой тримолекулярный механизм должен состоять из двух последовательных стадий, поскольку одновременно столкновение трех молекул крайне маловероятно.

Анти-присоединение свидетельствует о предпочтительной нуклеофильной атаке галогеноводорода со стороны противоположной той, откуда происходит протонирование алкена. Вместо галогеноводорода функцию нуклеофильного агента в конечной стадии может выполнить и галогенид-ион. Действительно, скорость реакции обычно возрастает прямо пропорционально концентрации галогенид-иона, введенного в реакционную смесь в виде галогенидов тетраалкиламмония NR₄₊ X – или лития LiX. В этом случае наблюдается стереоспецифическое анти-присоединение.

Для алканов, у которых двойная связь сопряжена с ароматическим кольцом, характерно син-присоединение или смешанное син–анти-присоединение галогеноводорода, например:

Син-присоединение является доминирующим процессом для цис– и транс-изомеров 1-фенилпропена, 1-фенил-4-алкилциклогексенов, аценафтилена, индена. При протонировании таких алкенов образуются карбокатионы бензильного типа, которые стабильнее чисто алкильных катионов, возникающих при протонировании обычных алкенов и циклоалкенов. Кинетика реакции в этом случае обычно описывается более простым уравнением второго порядка v = k[алкен][HX], т. е. соответствует бимолекулярному Ad_E2-механизму. Ad_E2-Механизм предполагает образование ионной пары, включающей карбокатион и галогенид-ион.

Нельзя ожидать, что механизм присоединения с участием ионных пар будет отличаться высокой стереоселективностью. Если ионная пара превращается в конечный продукт быстрее, чем происходит вращение вокруг простой углерод-углеродной связи, конечным результатом будет син-присоединение, где протон и галогенид-ион присоединяется с одной и той же стороны двойной связи. В противном случае наблюдается образование продуктов как син– так и анти-присоединения НХ. Такой случай реализуется при гидрогалогенировании пара-замещенных стиролов Z-C₆H₄-CH=CH₂. Наблюдаемая здесь закономерность заключается в том, что син-присоединение характерно лишь для тех олефинов, которые при протонировании дают относительно стабильный карбокатион, т. е. в случае донорных заместителей Z.

Для реакций гидрогалогенирования, протекающих по Ad_E2-механизму характерна конкуренция процессов сопряженного присоединения и перегруппировок, поскольку в качестве интермедиата образуется карбокатион или ионная пара.

В качестве примера перегруппировок с 1,2-миграцией алкильной группы и гидрид-иона приведем реакции гидрогалогенирования соответственно трет-бутилэтилена и изопропилэтилена.

При проведении этой же реакции без растворителя на холоду (-78 0 С) образуется смесь 33% нормального и 67% аномального (перегруппированного) продуктов присоединения.

4.3.в. Ориентация. Правило Марковникова

В отличие от симметричных электрофилов (Hal₂), галогеноводороды представляют собой несимметричные электрофильные реагенты. Присоединение любого несимметричного электрофила (HBr, ICl, H₂O, Hg(OAc)₂ и т. д.) к несимметричному алкену в принципе могло бы дать смесь двух альтернативных продуктов, однако на практике обычно образуется только один из них. В качестве примера рассмотрим присоединение бромистого водорода к пропилену.

Обычно правило Марковникова объясняют различием в стабильности двух альтернативных карбокатионов. Например, в приведенном выше примере нормальный н-пропильный катион значительно менее стабилен, чем изопропильный катион, и поэтому реакция идет по второму пути.

По аналогичной причине катионы винилтриалкиламмония присоединяют HBr также против правила Марковникова:

Присоединение НХ к алкенам, имеющим сильные (-I) и (-M)-заместители, например, к акрилонитрилу или нитроэтилену также должно идти против правила Марковникова. Однако в этом случае двойная связь настолько сильно дезактивирована по отношению к электрофильным реагентам, что эти реакции идут лишь в очень жестких условиях. Хлористый винил СН₂=СНСl всегда дает исключительно “марковниковские аддукты”. Например, при его реакции с HCl образуется только 1,1-дихлорэтан (геминальный дихлорид) CH₃CHCl₂. Хлор, аналогично CF₃-группе имеет сильный (-I)-эффект, и на первый взгляд, кажется, что по этой причине присоединение должно иметь антимарковниковскую ориентацию, т. к. катион + CH₂CH₂Cl должен быть более стабильным, чем катион СН₃СН + Cl. Однако, в отличие от CF₃-группы, хлор кроме (-I)-эффекта обладает также противодействующим ему (+М)-эффектом (т. к. имеет неподеленные пары). Опыт показывает, что величина мезомерного эффекта вполне достаточна, чтобы понизить энергию 1-хлорэтильного катиона ниже уровня энергии 2-хлорэтильного катиона, в котором +М-эффект не проявляется.

II. С позиций теории резонанса строение 1-хлорэтильного катиона может быть представлено следующим образом:

4.3.г. Гидратация алкенов

Кислотно-катализируемая гидратация алкенов приводит к образованию спиртов. Направление гидратации алкенов определяется правилом Марковникова, поэтому предполагается, что в качестве промежуточной частицы в этой реакции образуется карбокатион.

Склонность вторичных алкильных карбокатионов к перегруппировкам мешает использованию гидратации алкенов для получения вторичных спиртов.

Этот метод в лаборатории нашел ограниченную область применения только для получения третичных спиртов. Реакция гидратации в этом случае в значительной степени обратима и третичные спирты образуются с низкими выходами (40-45%).

Электрофильная атака на двойную связь алкена может осуществляться ионами металлов, среди которых особое положение занимает катион ртути (II). Ацетат ртути в очень мягких условиях при 20 0 С присоединяется к алкенам в водном тетрагидрофуране (ТГФ) или в водной уксусной кислоте с образованием ртутьорганических соединений. Присоединение ацетата ртути по двойной связи протекает региоспецифично в строгом соответствии с правилом Марковникова, т. е. катион ртути присоединяется к наименее замещенному атому углерода.

Связь С-Hg в ртутьорганических соединениях может быть легко расщеплена под действием боргидрида натрия NaBH₄, с образованием ртути и новой связи С-Н. Предполагается, что в качестве нестабильного интермедиата при этом получается алкилмеркургидрид, который далее разлагается с выделением металлической ртути по радикальному механизму.

Суммарно этот двухстадийный процесс гидроксимеркурирования-демеркурирования в конечном итоге представляет собой региоспецифичную гидратацию алкена по правилу Марковникова в исключительно мягких условиях, когда образование побочных продуктов сведено к предельно возможному минимуму. Это можно наглядно проиллюстрировать с помощью следующих примеров, в которых суммарный выход продуктов реакции составляет 90-98%. Приведенные цифровые данные в этом случае обозначают не выходы образующихся соединений, а их соотношение в смеси.

Как видно из приведенных выше примеров гидроксимеркурирование-демеркурирование алкенов в большинстве случаев обеспечивает региоспецифическую гидратацию алкенов с образованием практически только одного из двух изомерных спиртов. Следует отметить, что нет никакой необходимости в выделении ртутьорганического соединения, и оба процесса могут быть проведены непосредственно один за другим.

Гидроксимеркурирование несимметричных алкенов, по-видимому, начинается с атаки катиона AcOHg + и образования в качестве интермедиата несимметричного циклического меркуриниевого катиона (аналога несимметричного галогенониевого иона), который затем раскрывается в результате нуклеофильной атаки водой по наиболее замещенному атому углерода, несущему больший положительный заряд.

Меркуриниевый катион может расщепляться не только при действии воды, но и других электронодонорных растворителей: спиртов, уксусной кислоты, ацетонитрила и др. Конечным продуктом реакции в этом случае будут соответственно простые эфиры, ацетаты или N-замещенные амиды уксусной кислоты, например:

При использовании в реакции алкоксимеркурирования-демеркурирования разветвленных вторичных или третичных спиртов более эффективными, чем ацетат ртути, являются трифторацетат Hg(OCOCF₃)₂ или трифлат ртути Hg(OSO₂CF₃)₂.

Присоединение солей ртути к алкенам представляет собой наиболее яркий пример реакции сопряженного присоединения к двойной связи, где роль внешнего нуклеофильного агента выполняет растворитель. Стереохимия двойного процесса гидроксимеркурирования-демеркурирования зависит от стереохимического результата каждой отдельной стадии. Для гидроксимеркурирования характерно анти-присоединение, как и для других реакций с участием циклического катиона. Однако радикальное демеркурирование не отличается высокой стереоселективностью. Поэтому весь процесс в целом также нестереоспецифичен.

4.3.е. Присоединение алкенов (катионная димеризация и полимеризация алкенов)

Наиболее интересным примером такого типа реакций является димеризация и полимеризация изобутилена в присутствии серной кислоты.

При высоких концентрациях серной кислоты (более 80%) происходит катионная полимеризация изобутилена с образованием полимера, называемого полиизобутиленом (-CH₂C(CH₃)₂-)_n. Этот каучукоподобный полимер используют для получения антикоррозионных и гидроизоляционных покрытий, герметиков и др.

Кроме изобутилена, по катионному механизму полимеризуются 3-метилбутен-1, виниловые эфиры и некоторые производные стирола, способные образовывать сравнительно устойчивые карбокатионы. В качестве катализаторов катионной полимеризации также используют фтористый водород и кислоты Льюиса: BF₃, AlCl₃, AlBr₃ и др. в присутствии очень малых количеств воды.

4.3.ж. Присоединение алканов (алкилирование алкенов)

Эта реакция также протекает по катионному механизму и, что особенно интересно, является примером цепного катионного процесса. Сначала изобутилен в условиях реакции димеризуется с образованием третичного октильного катиона (CH₃)₃CCH₂C + (CH₃)₂. Подробно механизм его образования изложен в предыдущем разделе. Далее происходит быстрый перенос водорода (в виде гидрид-иона) от изобутана к октильному катиону с образованием молекулы “изооктана” и нового трет-бутилкатиона, который в свою очередь быстро реагирует с изобутиленом с образованием нового октильного катиона и т. д.

Кроме синтеза “изооктана”, такой метод алкилирования используется в нефтехимической промышленности для синтеза высококипящих разветвленных углеводородов из разветвленных алкенов и алканов низкокипящих фракцией термического крекинга.

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору

Источник