ザイツェフのルール

Zaitsevのルール （またはSaytzeffのルール 、 Saytzevのルール ）は、脱離反応で優先されるアルケン生成物を予測するための経験的ルールです。カザン大学では、ロシアの化学者アレクサンダー・ザイツェフがさまざまな脱離反応を研究し、結果として得られるアルケンの一般的な傾向を観察しました。この傾向に基づいて、ザイツェフは、 「最も多く形成されるアルケンは、最も少ない水素置換基を有するβ炭素からの水素の除去に対応するものである」と述べた。たとえば、2-ヨードブタンをアルコール性水酸化カリウム（KOH）で処理すると、2-ブテンが主生成物であり、1-ブテンが副生成物です。

より一般的には、Zaitsevの規則は、除去反応において、最も置換された生成物が最も安定であり、したがって最も好まれると予測しています。この規則は、新しく形成されたアルケンの立体化学については一般化せず、脱離反応の位置化学のみを一般化します。 Zaitsevのルールは、多くの除去反応で優先される製品を予測するのに効果的ですが、多くの例外があります。

歴史

アレクサンダー・ザイツェフは、1875年にユストゥス・リービッヒス・アンナレン・デル・ケミーの排泄反応の産物に関する彼の観察結果を最初に発表しました。その中で、ツァイツェフはヨウ化アルキルの脱ハロゲン化水素における好ましい位置化学を予測するための純粋に経験的な規則を提案しましたが、規則は他のさまざまな脱離反応にも適用できることがわかりました。 Zaitsevの論文は20世紀を通じてよく参照されていましたが、1960年代まで教科書は「Zaitsevの規則」という用語を使用し始めました。

ザイツエフは、彼の名前を冠したルールを公開した最初の化学者ではありませんでした。アレクサンドル・ニコラエヴィッチ・ポポフは、1872年にザイツェフのものに類似した経験的規則を発表し、1873年にカザン大学で彼の発見を発表した。ルール。これにもかかわらず、Zaiitsevの1875 Liebigs Annalenの論文は、Popovの研究について言及していません。

ザイツェフの規則に関する議論は、ウラジミール・ヴァシリエヴィチ・マルコフニコフに言及せずに不完全になります。 ZaitsevとMarkovnikovは、ともにAlexander Butlerovに師事し、同じ時期にKazan大学で教鞭をとり、激しいライバルでした。 1870年に現在マルコフニコフの規則として知られているものを公開したマルコフニコフとザイツェフは、消去反応に関して対立する見解を保持していました。おそらく、ツァイツェフが除去反応の調査を開始した主な理由の1つは、彼のライバルを反証することでした。 Zaitsevは、 MarkkovnikovがComptes Rendusの 3部シリーズの最初の記事で追加反応のルールを詳述した直後に、消去反応のルールを公開しました。

熱力学的考察

アルケンからアルカンへの水素化は発熱反応です。水素化熱として知られる水素化反応中に放出されるエネルギーの量は、出発アルケンの安定性に反比例します。アルケンがより安定であるほど、水素化熱は低くなります。さまざまなアルケンの水素化熱を調べると、置換量とともに安定性が向上することがわかります。

追加の置換に伴う安定性の向上は、いくつかの要因の結果です。アルキル基は、誘導効果により電子を供与し、アルケンのシグマ結合の電子密度を増加させます。また、アルキル基は立体的に大きく、互いに遠く離れているときに最も安定しています。アルカンでは、最大の分離は四面体結合角の109.5°です。アルケンでは、結合角は120°近くまで増加します。その結果、アルキル基間の分離は、最も置換されたアルケンで最大になります。

アルキル基のHOMOと二重結合のLUMOとの間の安定化相互作用を説明する超共役は、アルケンの安定性に対するアルキル置換の影響の説明にも役立ちます。軌道ハイブリダイゼーションに関して、sp2炭素とsp3炭素間の結合は、2つのsp3混成炭素間の結合よりも強い。計算により、アルキル基あたり6 kcal / molの支配的な安定化超共役効果が明らかになりました。

立体効果

E2脱離反応では、塩基は、ハロゲン化物などの脱離基に対してベータであるプロトンを抽出します。プロトンの除去と脱離基の喪失は、単一の協調ステップで発生し、新しい二重結合を形成します。水酸化ナトリウム、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシドなどの小さな障害のない塩基をE2除去に使用する場合、Zaitsev製品は通常、ホフマン製品として知られる最小置換アルケンよりも好まれます。たとえば、2-ブロモ-2-メチルブタンをエタノール中のナトリウムエトキシドで処理すると、中程度の選択性を持つZaitsev製品が生成されます。

立体相互作用のため、カリウムt-ブトキシド、トリエチルアミン、2,6-ルチジンなどのかさばる塩基は、ザイツェフ生成物につながるプロトンを容易に引き抜くことができません。これらの状況では、立体障害の少ない陽子が優先的に抽象化されます。その結果、かさばるベースを使用する場合、ホフマン積が一般的に好まれます。 2-ブロモ-2-メチルブタンをナトリウムエトキシドの代わりにカリウムt-ブトキシドで処理すると、ホフマン生成物が優先されます。

基質内の立体相互作用も、ザイツェフ生成物の形成を防ぎます。これらの分子内相互作用は、アミンをアルケンに変換するホフマン脱離反応における生成物の分布に関連しています。ホフマン除去では、ヨウ化第4アンモニウム塩を酸化銀で処理すると、水酸化物イオンが生成されます。これは、塩基として作用し、第3アミンを除去してアルケンを生成します。

ホフマン脱離では、分子内の立体相互作用のために、最小置換アルケンが一般的に好まれます。 4級アンモニウム基は大きく、残りの分子のアルキル基との相互作用は望ましくありません。結果として、ザイツェフ生成物の形成に必要な立体配座は、ホフマン生成物の形成に必要な立体配座よりもエネルギー的に有利ではありません。その結果、ホフマン積が優先的に形成されます。 Cope除去は、原則としてHofmann除去に非常に似ていますが、より穏やかな条件下で発生します。また、同じ理由で、ホフマン積の形成を支持します。

立体化学

場合によっては、出発物質の立体化学により、ザイツェフ生成物の形成を防ぐことができます。たとえば、塩化メンチルをナトリウムエトキシドで処理すると、ホフマン生成物が排他的に形成されますが、非常に低い収率です。

この結果は、出発物質の立体化学によるものです。 E2除去には反ペリプラナージオメトリが必要です。このジオメトリでは、プロトンと脱離基はCC結合の反対側にありますが、同じ平面にあります。塩化メンチルが椅子の立体配座に描かれている場合、異常な製品の分布を簡単に説明できます。

Zaitsev生成物の形成には2位置での除去が必要ですが、イソプロピル基（プロトンではなく）は塩化物脱離基に対して反平面です。これにより、2位置での除去が不可能になります。ホフマン積が形成されるためには、6位で消去が行われなければなりません。この位置のプロトンは脱離基に対して正しい方向を向いているため、脱離が起こる可能性があります。その結果、この特定の反応では、ホフマン生成物のみが生成されます。