Понимание правила Зайцева: раскрытие реакций E1 и E2

В видео объясняется правило Зайцева, гласящее, что при удалении водорода из альфа-углерода через E2 реакцию, результат зависит от количества водородов на этом углероде. Равное количество водородов на альфа-углероде дает равные результаты, зависящие от стороны реакции. Причина этого – сверхсопряжение, суть которого не раскрывается подробно.

Основные моменты

• 💡 Сильное основание украдет водород у альфа-углерода, чтобы сформировать двойную связь.
• 💡 Правило Зайцева распространяется на реакции E1 и E2.
• 💡 Бета-углерод следует после альфа-углерода и может быть выбран для отнимания водорода.
• 💡 Метоксид атакует протон водорода, забирая его для формирования связи.
• 💡 Альфа-углерод отдает электрон группе хлора, образуя хлорид.

————–

Краткая выжимка с таймингом:

[00:01](https://www.youtube.com/watch?v=ryU4dZ4wZjo&list=PLxGo9dxQkqWA3pLlOMx_ZVAOcSC5c-yTD&index=2&ab_channel=KhanAcademyRussian&t=1.745)

Сильное основание может украсть водород у углерода ради протона, при этом не отнимая водород и электрон, и переход электрона позволяет углероду отдать электрон, который формировал связь с хлором.

– Водород украден ради протона.
– Электрон переходит к углероду.
– Углерод отдает электрон, который формировал связь с хлором.
– Хлорид отщепляется.

[02:44](https://www.youtube.com/watch?v=ryU4dZ4wZjo&list=PLxGo9dxQkqWA3pLlOMx_ZVAOcSC5c-yTD&index=2&ab_channel=KhanAcademyRussian&t=164.442)

Объяснение реакции образования хлорида.
– Электрон переходит к хлору для образования хлорида.
– Хлор уже имеет высокую электроотрицательность.
– Результат реакции – метанол и OCH3.

[05:26](https://www.youtube.com/watch?v=ryU4dZ4wZjo&list=PLxGo9dxQkqWA3pLlOMx_ZVAOcSC5c-yTD&index=2&ab_channel=KhanAcademyRussian&t=326.851)

Образование бут-1-ина вместо бут-2-ина в реакциях E2.
– Бут-1-ин содержит двойную связь на первом углероде, в отличие от бут-2-ина.
– Название соединения можно записать как бут-1-ин или 1-бутен.
– Рассматривается вопрос о том, произойдут ли оба события при образовании соединения.

[08:09](https://www.youtube.com/watch?v=ryU4dZ4wZjo&list=PLxGo9dxQkqWA3pLlOMx_ZVAOcSC5c-yTD&index=2&ab_channel=KhanAcademyRussian&t=489.125)

Правило Зайцева гласит, что если две группы атомов имеют одинаковое количество связей, то более стабильным будет тот изомер, у которого замещающие группы будут находиться на разных сторонах двойной связи.
– Сверхсопряжение – это убежденность в факте, что меньшая вероятность произойдет, если замещающие группы будут находиться на одной стороне двойной связи.

[10:52](https://www.youtube.com/watch?v=ryU4dZ4wZjo&list=PLxGo9dxQkqWA3pLlOMx_ZVAOcSC5c-yTD&index=2&ab_channel=KhanAcademyRussian&t=652.578)

Описание молекулы бут-2-ина.
– Молекула состоит из одного углерода и двух молекул водорода.
– Углерод связан с R один и R один один.
– Молекула имеет двойную связь между углеродами.

————–

Транскрипция видео:

(00:02) В видео, посвященном реакциям E2, мы показывали, как сильное основание – все это происходит одновременно – сильное основание может украсть водород у этого углерода и оно крадет его ради протона. Оно не отнимает водород и электрон, поэтому этот электрон переходит вот к этому углероду, что позволяет углероду отдать электрон, который формировал связь с хлором, к самому хлору.
(00:27) Все это происходит одновременно. Хлорид отщепляется. И вы можете подумать – почему мы выбрали этот водород? В чем причина нашего выбора? Почему, скажете вы, нельзя было выбрать этот водород? Сейчас мы немного поговорим о терминологии, а затем перейдем к правилу, и потом расскажем, почему это правило работает.
(00:54) Итак, обычно углерод, у которого есть функциональная группа, является альфа-углеродом. Давайте его пометим. Этот углерод – альфа-углерод. И, чтобы в данном случае получить реакцию E1, как мы делали в видео, посвященном реакциям E2, на самом деле, это правило распространяется и на реакции E1, но, чтобы получить реакцию E2, нужно отнять водород у бета-углерода.
(01:19) Бета-углерод – просто углерод, следующий за альфа-углеродом, то есть вот это бета-углерод, и вот это тоже бета-углерод, и мы совершенно обоснованно можем подумать, что можно забрать его отсюда, либо можно забрать его отсюда. Давайте представим себе эту реакцию. Нарисуем ее, чтобы лучше представить.
(01:37) Мы забираем его у этого бета-углерода. Нарисуем реакцию еще раз и покажем, как мы забираем его от других бета-углеродов. Так у нас на экране будут обе реакции одновременно. Давайте изобразим метоксид. Итак, у нас есть кислород, связанный с CH3, с метильной группой. У кислорода есть семь валентных электронов: один, два, три, четыре, пять, шесть, семь.
(02:07) Нарисуем седьмой. Тот, который будет связан с водородом, нарисуем его зеленым цветом. Вместо того, чтобы атаковать водород, или, лучше сказать, забрать протон, потому что он не забирает электрон себе, он делает это ради другого. Он забирает этот протон, либо связывается с протоном водорода, а затем протоны водорода, либо этот электрон водорода забирает вот эта молекула, и он переходит к альфа-углероду, чтобы сформировать двойную связь между бета-углеродом и альфа-углеродом.
(02:41) Теперь у альфа-углерода есть вот этот электрон. Ему больше не нужен электрон, который соединен с группой хлора, поэтому он переходит к хлору, чтобы сформировать хлорид. У хлора уже была высокая электроотрицательность. он уже деформировал его. Теперь он переходит сюда, и теперь, когда все произошло, наш результат выглядит вот так.
(03:07) У нас по-прежнему есть метанол, как и в первоначальной реакции, потому что он захватил вот этот водород. Давайте нарисуем это. У нас есть OCH3. Хорошо, электроны… Давайте нарисуем их. Здесь пара, там… Теперь, у нас есть этот фиолетовый электрон, и сейчас он соединен вот с этим зеленым электроном, который теперь у водорода.
(03:33) Он соединен с зеленым электроном, который отошел к водороду. Да, и давайте не будем забывать. У этого кислорода есть семь валентных электронов, поэтому он отрицательно заряжен. У нейтрального кислорода их было бы шесть, поэтому он отрицательно заряжен. Но теперь, когда он отдал свой электрон водороду, у него нейтральный заряд.
(03:56) Теперь он стал метанолом. Все то же самое, что мы видели при первом знакомстве с реакциями E1. Также мы знаем, что группа хлора забрала этот электрон. Она превратилась в хлорид анион. Давайте нарисуем это. Это то же самое, что было в первом видео о реакциях E1. Теперь это хлорид анион. Он присвоил вот этот оранжевый электрон.
(04:18) Так, значит, давайте нарисуем его оранжевым, он забрал этот оранжевый электрон, поэтому у него теперь отрицательный заряд. Можно представить, что отрицательный заряд перешел от метоксида к хлорид аниону. Но в этот раз двойная связь сформирована между первым и вторым углеродом, а не между вторым и третьим.
(04:38) Это будет выглядеть вот так. Теперь, получившийся результат, если реакция пойдет этим путем, будет выглядеть вот так. Здесь у нас углерод. Он связан с двумя водородами. И теперь у него есть двойная связь с этим углеродом. У него есть двойная связь, давайте нарисуем вторую связь. Нарисуем пи-связь этой двойной связи филетовым цветом.
(05:03) предположим, что это пи-связь. Новая двойная связь сформировалась. Этот углерод, который был альфа-углеродом, находится здесь. Это был альфа-углерод. Он связан с одним водородом. Теперь давайте нарисуем все остальное. У нас есть углерод, углерод, вот этот связан с тремя водородами. Мы можем записать его как CH3.
(05:31) Этот связан с двумя водородами и все. Вместо того, что мы видели в первом видео, посвященном реакциям E2, вместо формирования бут-2-ин, у нас есть по-прежнему один, два, три, четыре углерода, поэтому это по-прежнему бут-, но двойная связь у первого углерода. Посчитаем, один, два, три, четыре.
(05:49) Мы можем назвать его бут-1-ин, или 1-бутен, другими словами, давайте назовем его бут-1-ин. Вопрос в том, что именно произойдет с большей вероятностью? Произойдут ли оба события? Либо одно произойдет несоразмерно? И ответ – да, произойдет одно несоразмерно, вот это доминирующая субстанция. Если бы нам нужно было провести эту реакцию, и затем проанализировать ее в мензурке, или в другом сосуде, в котором мы ее проводим, то больше всего было бы, основной субстанцией, самой доминирующей, был бы бут-2-ин, а не бут-1-ин.
(06:22) Может быть, его было бы совсем чуть-чуть. Вопрос – почему? Как мы можем это определить? Как можем это прогнозировать? Для того, чтобы прогнозировать это, существует так называемое правило Зайцева. И сейчас я его запишу. Итак, правило Зайцева. Оно в некоторой степени похоже на правило Марковникова, но применяется для реакций отщепления.
(06:46) Давайте вспомним, что реакции присоединения, о которых мы говорили много уроков назад, противоположны реакциям отщепления. В реакциях присоединения мы присоединяли группу хлора, а в случае с отщеплением, мы ее отсоединяем, поэтому правило Зайцева в некоторой степени является аналогом правила Марковникова.
(07:04) Почему работает это правило. Эксперты не пришли к единому мнению. Им кажется, что они знают, почему оно работает, но они не уверены на 100%. Итак, правило Зайцева гласит: свой водород теряет тот углерод, у которого водородов меньше. Вероятнее, тот углерод, у которого меньше водорода,- следует сказать, протон водорода, потому что он по-прежнему сохраняет электрон– потеряет водород.
(07:32) Итак, я повторю: вероятнее, что тот углерод, у которого меньше водорода,- следует сказать, протон водорода, потеряет водород. Теперь давайте взглянем на нашу реакцию, у нас есть альфа-углерод. И этот бета-углерод и этот бета-углерод могут потерять свой водород, у этого есть три водорода, у этого есть только два.
(07:56) Правило Зайцева говорит нам, что именно этот водород, или, точнее, протон, с большей вероятностью вступит в реакцию с основанием. Мы практически можем это увидеть, поскольку это самый кислотный протон. Это самое доступное лакомство для этого сильного основания. Более интересный вопрос– это довольно простое правило.
(08:13) Если у них будет одинаковое количество, тогда мы получим равные результаты, зависящие от стороны, с которой это произойдет. Вопрос, почему это происходит? И здесь в дело вступает сверхсопряжение. Мы не будем вдаваться в подробности и в квантовую механику этого процесса. Запишу сам термин. Сверхсопряжение – это убежденность в факте – итак, мы сказали, что тот, у которого меньше водородов, лишится их с меньшей вероятностью, то есть тот, у которого меньше водородов, с большей вероятностью лишится протона водорода,
(08:52) но тот, у которого меньше водорода, также связан с большим числом углеродов. Вот этот связан с одним углеродом за пределами альфа-углерода, то есть он связан с двумя: с альфа-углеродом и с этим. Вот этот связан только с альфа-углеродом. Сверхсопряжение это убежденность, что не бета- углерод, а углероды снаружи помогают стабилизировать двойную связь, которая в итоге формируется.
(09:16) Смотрите, здесь у нас больше электронов, потому что углероды предлагают больше электронов, чем водороды. В результате, этот элемент с большей вероятностью может пожертвовать электроны, чтобы сформировать с правой стороны, чтобы создать двойную связь, нежели с левой. Не будем вдаваться в детали сверхсопряжения, но оно базируется на убеждении, что более стабильная двойная связь будет сформирована, если у нас есть другие углероды рядом с двойной связью.
(09:43) Можно представить это по-другому, взглянув на результаты. У нас есть правило Зайцева, говорящее нам, что бут-2-ин является более вероятным результатом, чем бут-1-ин. Если посмотрим на бут-1-ин, сможем переписать его вот так. Мы можем нарисовать двойную связь вот таким образом. Этот углерод был альфа-углеродом.
(10:04) Мы можем нарисовать углерод вот тут. Теперь, он связан с водородом, он связан с этим водородом и затем он связан с просто цепью углеводородов. Мы просто напишем здесь R. А вот этот связан с двумя водородами. Получается, это не обязательно должен быть бут-1-ин. Мы написали здесь R, но можно представить его и вот так.
(10:32) Если мы хотим нарисовать бут-2-ин, то он будет выглядеть вот так. Мы можем назвать его R один. Это просто цепь углеродов, а это мы можем назвать R один один. Итак, это мы можем назвать R один один. Это даже не цепь. Это просто один углерод. Если мы назовем его так, то бут-2-ин– давайте нарисуем его вот здесь, где у нас есть больше свободного пространства.
(11:03) Бут-2-ин будет выглядеть вот так. У нас есть двойная связь между углеродом и углеродом. Левый углерод связан с водородом, вот этим и с R один, а правый углерод связан с водородом и R один один. Итак, он связан с водородом и R один один. Замечательно.
(11:31) Все, что мы здесь сделали давайте посмотрим, если получится уместить все на одном экране – это просто перерисовали, и абстрагировались от цепи, потому что она уходит из двойной связи. Вот, что мы сделали, и теперь можно взглянуть с такой стороны. Мы можем сфокусироваться только на двойной связи и подумать о том, что произойдет вокруг нее. Вот здесь, бут-1-ин, и мы уже сказали, что это меньшая субстанция, то есть вот эта субстанция больше.
(11:51) Она больше, иначе говоря, доминирующий результат. В случае с меньшей субстанцией, если мы уйдем от двойной связи, то у нас останется только алкильная группа, вот здесь. Вот здесь R, здесь у нас есть два. И мы видим, что этот более замещаемый, когда мы говорим “замещаемый”, мы представляем, что замещаем водороды углеродными цепями, алкильными группами.
(12:15) Вот этот более замещаемый. Сверхсопряжение, сама его идея в том, что эти углеродные цепи около двойной связи помогают ее стабилизировать. Некоторые из их сигма-электронов и сигма-орбиталей, тем или иным образом помогают стабилизировать пи-орбитали. Дальше начинается квантовая механика и подобные вещи, и это немного – мы знаем, что мир не понятен на 100%, мы не знаем, существует ли в действительность такой механизм, хотя люди проводили эксперименты, и они знают, что наиболее замещаемая субстанция противоположна
(12:54) той, которая наименее замещаемая, и все это выходит из правила Зайцева. По крайней мере, мы усвоили правило Зайцева. Сверхсопряжение – это более глубокая концепция, и эксперты еще не закончили разбираться с ней. Существует убеждение, что правило Зайцева работает. Само по себе правило довольно незамысловатое.
(13:09) Если мы пытаемся выбрать между двумя бета-углеродами, потеряет водород тот, который уже имеет чистые водороды, или тот, который связан с большим количеством углеродов. И это работает. Мы это нарисовали. Все, о чем мы сейчас говорили, происходило в реакции E2. Но так же справедливо для реакции E1.