Κανόνας του Ζάιτσεφ

Στην οργανική χημεία, ο κανόνας του Ζάιτσεφ είναι ένας εμπειρικός κανόνας για την πρόβλεψη των προτιμώμενων προϊόντων αλκενίων σε αντιδράσεις απόσπασης. Ενώ ήταν στο Πανεπιστήμιο του Καζάν, ο Ρώσος χημικός Αλεξάντερ Ζάιτσεφ μελέτησε μια ποικιλία διαφορετικών αντιδράσεων απόσπασης και παρατήρησε μια γενική τάση στα αλκένια που προέκυπταν. Με βάση αυτή την τάση, ο Ζάιτσεφ πρότεινε ότι το αλκένιο που σχηματίζεται στη μεγαλύτερη ποσότητα είναι αυτό που αντιστοιχεί στην απομάκρυνση του υδρογόνου από τον άλφα άνθρακα που έχει τους λιγότερους υποκαταστάτες υδρογόνου. Για παράδειγμα, όταν το 2-ιωδοβουτάνιο επεξεργάζεται με αλκοολικό υδροξείδιο του καλίου (KOH), το κύριο προϊόν είναι το 2-βουτένιο και το 1-βουτένιο είναι το δευτερεύον προϊόν.

Γενικότερα, ο κανόνας του Ζάιτσεφ προβλέπει ότι σε μια αντίδραση απόσπασης το πιο υποκατεστημένο προϊόν θα είναι το πιο σταθερό και επομένως το πιο ευνοημένο. Ο κανόνας δεν κάνει γενικεύσεις σχετικά με τη στερεοχημεία του νεοσχηματιζόμενου αλκενίου, αλλά μόνο την τοποχημεία της αντίδρασης απόσπασης. Αν και είναι αποτελεσματικός στην πρόβλεψη του προτιμώμενου προϊόντος για πολλές αντιδράσεις αποβολής, ο κανόνας του Ζάιτσεφ υπόκειται σε πολλές εξαιρέσεις. Πολλές από αυτές περιλαμβάνουν εξαιρέσεις στο προϊόν Hofmann (ανάλογα με το προϊόν Ζάιτσεφ). Αυτές περιλαμβάνουν ενώσεις που έχουν τεταρτοταγές άζωτο και αποχωρούσες ομάδες όπως NR₃⁺, SO₃H, κ.λπ. Σε αυτές τις αποσπάσεις προτιμάται το προϊόν Hofmann. Σε περίπτωση που η αποχωρούσα ομάδα είναι αλογόνα, εξαιρείται το φθόριο.

Ιστορικό

Ο Αλεξάντερ Μιχαήλοβιτς πρωτοδημοσίευσε τις παρατηρήσεις του σχετικά με τα προϊόντα των αντιδράσεων απόσπασης στο Justus Liebigs Annalen der Chemie το 1875.

Αν και η εργασία περιείχε κάποια πρωτότυπη έρευνα που έγινε από τους μαθητές του Ζάιτσεφ, ήταν σε μεγάλο βαθμό μια βιβλιογραφική ανασκόπηση και βασίστηκε σε μεγάλο βαθμό σε προηγούμενα δημοσιευμένα έργα. Σε αυτήν, ο Ζάιτσεφ πρότεινε έναν καθαρά εμπειρικό κανόνα για την πρόβλεψη της ευνοούμενης τοποχημείας στην αφυδραλογόνωση των αλκυλοϊωδιδίων, αν και αποδεικνύεται ότι ο κανόνας είναι εφαρμόσιμος και σε μια ποικιλία άλλων αντιδράσεων απόσπασης. Ενώ η εργασία του Ζάιτσεφ είχε καλή αναφορά καθ' όλη τη διάρκεια του 20ου αιώνα, μόλις τη δεκαετία του 1960 τα σχολικά βιβλία άρχισαν να χρησιμοποιούν τον όρο ο κανόνας του Ζάιτσεφ.

Ο Ζάιτσεφ δεν ήταν ο πρώτος χημικός που δημοσίευσε τον κανόνα που τώρα φέρει το όνομά του. Ο Αλεξάντερ Ποπόφ δημοσίευσε έναν εμπειρικό κανόνα παρόμοιο με αυτόν του Ζάιτσεφ το 1872, και παρουσίασε τα ευρήματά του στο Πανεπιστήμιο του Καζάν το 1873. Ο Ζάιτσεφ είχε παραθέσει την εργασία του Ποπόφ του 1872 σε προηγούμενες εργασίες και είχε εργαστεί στο Πανεπιστήμιο του Καζάν, και έτσι πιθανότατα γνώριζε τον προτεινόμενο κανόνα του Ποπόφ. Παρά το γεγονός αυτό, το έγγραφο του Ζάιτσεφ του 1875 Liebigs Annalen δεν κάνει καμία αναφορά στο έργο του Popov. Οποιαδήποτε συζήτηση για τον κανόνα του Ζάιτσεφ θα ήταν ελλιπής χωρίς να αναφερθεί ο Βλαδίμηρος Μαρκόβνικοφ. Ο Ζάιτσεφ και ο Μαρκόβνικοφ σπούδασαν και οι δύο υπό τον Αλεξάντερ Μπουτλέροφ, δίδαξαν στο Πανεπιστήμιο του Καζάν την ίδια περίοδο και ήταν σκληροί αντίπαλοι. Ο Μαρκόβνικοφ, ο οποίος δημοσίευσε το 1870 αυτό που σήμερα είναι γνωστό ως κανόνας του Μαρκόβνικοφ, και ο Ζάιτσεφ είχαν αντικρουόμενες απόψεις σχετικά με τις αντιδράσεις απόσπασης: ο πρώτος πίστευε ότι το λιγότερο υποκατεστημένο αλκένιο θα ευνοούσε, ενώ ο δεύτερος ένιωθε ότι το πιο υποκατεστημένο αλκένιο θα ήταν το κύριο προϊόν. Ίσως ένας από τους κύριους λόγους που ο Ζάιτσεφ άρχισε να ερευνά τις αντιδράσεις απόσπασης ήταν για να διαψεύσει τον αντίπαλό του. Ο Ζάιτσεφ δημοσίευσε τον κανόνα του για τις αντιδράσεις απόσπασης αμέσως μετά τη δημοσίευση του πρώτου άρθρου σε μια σειρά τριών μερών στο Comptes Rendus, όπου ο Μαρκόβνικοφ δημοσίευσε λεπτομερώς τον κανόνα του για τις αντιδράσεις προσθήκης.

Θερμοδυναμικές εκτιμήσεις

Η υδρογόνωση των αλκενίων σε αλκάνια είναι εξώθερμη διεργασία. Η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης υδρογόνωσης, γνωστή ως θερμότητα υδρογόνωσης, σχετίζεται αντιστρόφως με τη σταθερότητα του αρχικού αλκενίου: όσο πιο σταθερό είναι το αλκένιο, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμότητα υδρογόνωσης. Εξετάζοντας τις θερμότητες της υδρογόνωσης για διάφορα αλκένια αποκαλύπτεται ότι η σταθερότητα αυξάνεται με την ποσότητα της υποκατάστασης.

Όνομα ένωσης	Δομή	Μοριακή θερμότητα υδρογόνωσης		Βαθμός υποκατάστασης
		in kJ/mol	in kcal/mol
Αιθυλένιο	${\ce {H2C=CH2}}$	137	32,8	Μη υποκατεστημένο
1-βουτένιο		127	30,3	Μονοϋποκατεστημένο
trans-2-βουτένιο		116	27,6	Διυποκατεστημένο
2-μεθυλ-2-βουτένιο		113	26,9	Τριυποκατεστημένο
2,3-Διμεθυλ-2-βουτένιο		111	26,6	Τετραϋποκατεστημένο

Η αύξηση της σταθερότητας που σχετίζεται με πρόσθετες υποκαταστάσεις είναι το αποτέλεσμα πολλών παραγόντων. Οι ομάδες αλκυλίων είναι δοτικές ηλεκτρονίων με επαγωγικό αποτέλεσμα και αυξάνουν την πυκνότητα των ηλεκτρονίων στον δεσμό σ του αλκενίου. Επίσης, οι αλκυλομάδες είναι στερεοχημικά μεγάλες και είναι πιο σταθερές όταν είναι πολύ μακριά η μία από την άλλη. Σε ένα αλκάνιο, ο μέγιστος διαχωρισμός είναι αυτός της τετραεδρικής γωνίας δεσμού, 109,5°. Σε ένα αλκένιο, η γωνία δεσμού αυξάνεται κοντά στις 120°. Ως αποτέλεσμα, ο διαχωρισμός μεταξύ αλκυλομάδων είναι μεγαλύτερος στο περισσότερο υποκατεστημένο αλκένιο. Η υπερσύζευξη (Hyperconjugation), η οποία περιγράφει τη σταθεροποιητική αλληλεπίδραση μεταξύ του HOMO της αλκυλομάδας και του LUMO του διπλού δεσμού, βοηθά επίσης να εξηγηθεί η επίδραση των άλκυλο υποκαταστάσεων στη σταθερότητα των αλκενίων. Όσον αφορά τον τροχιακό υβριδισμό, ένας δεσμός μεταξύ ενός sp² άνθρακα και ενός άνθρακα sp³ είναι ισχυρότερος από έναν δεσμό μεταξύ δύο sp³-υβριδικών ανθράκων. Οι υπολογισμοί αποκαλύπτουν ένα κυρίαρχο σταθεροποιητικό αποτέλεσμα υπερσύζευξης 6 kcal/mol ανά αλκυλομάδα.

Στερεοχημικά φαινόμενα

Στις αντιδράσεις απόσπασης Ε2, μια βάση αφαιρεί ένα πρωτόνιο που είναι βήτα σε μια αποχωρούσα ομάδα, όπως ένα αλογονίδιο. Η απομάκρυνση του πρωτονίου και η απώλεια της αποχωρούσας ομάδας συμβαίνουν σε ένα μοναδικό, συντονισμένο βήμα για να σχηματιστεί ένας νέος διπλός δεσμός. Όταν μια μικρή, ανεμπόδιστη βάση – όπως υδροξείδιο του νατρίου, μεθοξείδιο του νατρίου ή αιθοξείδιο του νατρίου – χρησιμοποιείται για την απόσπαση του Ε2, το προϊόν Ζάιτσεφ προτιμάται συνήθως έναντι του λιγότερο υποκατεστημένου αλκενίου. γνωστό ως προϊόν Hofmann. Για παράδειγμα, η επεξεργασία του 2-Βρωμο-2-μεθυλοβουτανίου με αιθοξείδιο του νατρίου σε αιθανόλη παράγει το προϊόν Ζάιτσεφ με μέτρια επιλεκτικότητα.

Λόγω των στερεοχημικών αλληλεπιδράσεων, μια ογκώδης βάση – όπως το τριτοταγές βουτοξείδιο του καλίου, η τριαιθυλαμίνη, ή η 2,6-λουτιδίνη – δεν μπορεί εύκολα να αφαιρέσει το πρωτόνιο που θα οδηγούσε στο προϊόν Zaytsev. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ένα πρωτόνιο με λιγότερο στερεοχημική παρεμπόδιση αφαιρείται κατά προτίμηση αντ' αυτού. Ως αποτέλεσμα, το προϊόν Hofmann ευνοείται συνήθως όταν χρησιμοποιούνται ογκώδεις βάσεις. Όταν το 2-Βρωμο-2-μεθυλοβουτάνιο υποβάλλεται σε επεξεργασία με τριτοταγές-βουτοξείδιο του καλίου αντί για αιθοξείδιο του νατρίου, το προϊόν Hofmann ευνοείται.

Οι στερεοχημικές αλληλεπιδράσεις εντός του υποστρώματος εμποδίζουν επίσης το σχηματισμό του προϊόντος Ζάιτσεφ. Αυτές οι ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις σχετίζονται με την κατανομή των προϊόντων στην αντίδραση απόσπασης Hofmann, η οποία μετατρέπει τις αμίνες σε αλκένια. Στην απόσπαση Hofmann, η επεξεργασία ενός άλατος ιωδιούχου τεταρτοταγούς αμμωνίου με οξείδιο του αργύρου παράγει ιόντα υδροξειδίου, τα οποία δρουν ως βάση και αποσπούν την τριτοταγή αμίνη για να δώσουν ένα αλκένιο.

Στην απόσπαση του Hofmann, το λιγότερο υποκατεστημένο αλκένιο ευνοείται συνήθως λόγω των ενδομοριακών στερεοχημικών αλληλεπιδράσεων. Η ομάδα τεταρτοταγούς αμμωνίου είναι μεγάλη και οι αλληλεπιδράσεις με αλκυλομάδες στο υπόλοιπο μόριο είναι ανεπιθύμητες. Ως αποτέλεσμα, η διαμόρφωση που απαιτείται για τον σχηματισμό του προϊόντος Ζάιτσεφ είναι λιγότερο ενεργειακά ευνοϊκή από τη διαμόρφωση που απαιτείται για το σχηματισμό του προϊόντος Hofmann. Συνεπώς, το προϊόν Hofmann σχηματίζεται κατά προτίμηση. Η απόσπαση Cope μοιάζει πολύ με την απόσπαση Hofmann κατ' αρχήν, αλλά συμβαίνει κάτω από ηπιότερες συνθήκες. Ευνοεί επίσης τη διαμόρφωση του προϊόντος Hofmann και για τους ίδιους λόγους.

Στερεοχημεία

Σε ορισμένες περιπτώσεις, η στερεοχημεία του υλικού έναρξης μπορεί να αποτρέψει το σχηματισμό του προϊόντος Zaytsev. Για παράδειγμα, όταν το μενθυλοχλωρίδιο υποβάλλεται σε επεξεργασία με αιθοξείδιο του νατρίου, το προϊόν Hofmann σχηματίζεται αποκλειστικά, αλλά σε πολύ χαμηλή απόδοση:

Αυτό το αποτέλεσμα οφείλεται στη στερεοχημεία της ουσίας έναρξης. Οι αποσπάσεις Ε2 απαιτούν αντι-περιεπίπεδη (antiperiplanar) γεωμετρία, στην οποία το πρωτόνιο και η αποχωρούσα ομάδα βρίσκονται σε αντίθετες πλευρές του δεσμού C-C, αλλά στο ίδιο επίπεδο. Όταν το χλωριούχο μενθύλιο ανασύρεται στη διαμόρφωση ανάκλιντρου, είναι εύκολο να εξηγηθεί η ασυνήθιστη κατανομή του προϊόντος.

Ο σχηματισμός του προϊόντος Ζάιτσεφ απαιτεί απόσπαση στη θέση 2, αλλά η ισοπροπυλομάδα - όχι το πρωτόνιο - είναι "αντι"-περιεπίπεδη προς την αποχωρούσα ομάδα χλωρίου. Αυτό καθιστά αδύνατη την αποβολή στη 2η θέση. Για να σχηματιστεί το προϊόν Hofmann, πρέπει να γίνει απόσπαση στη θέση 6. Επειδή το πρωτόνιο σε αυτή τη θέση έχει τον σωστό προσανατολισμό σε σχέση με την αποχωρούσα ομάδα, η αποβολή μπορεί και συμβαίνει. Ως αποτέλεσμα, η συγκεκριμένη αντίδραση παράγει μόνο το προϊόν Hofmann.

Βιβλιογραφία

• Wade, L. G. (2010). Organic Chemistry (7th έκδοση). Upper Saddle River, NJ: Pearson Education. ISBN 978-0321592316. 

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Online course of chemistry
• [1] English Translation of 1875 German article on 'The order of addition and of elimination of hydrogen and iodine in organic compounds' by Alexander Zaytsev.