Regla de Zaitsev

En química orgánica, la regla de Zaitsev (o regla de Saytzeff, regla de Saytzev) es una regla empírica para predecir los productos alquenos favorecidos en las reacciones de eliminación. Mientras estaba en la Universidad de Kazan, el químico ruso Alexander Zaitsev estudió una variedad de reacciones de eliminación diferentes y observó una tendencia general en los alquenos resultantes. Basado en esta tendencia, Zaitsev propuso que el alqueno formado en mayor cantidad es el que corresponde a la eliminación del hidrógeno del carbono alfa que tiene la menor cantidad de sustituyentes de hidrógeno. Por ejemplo, cuando el 2-yodobutano se trata con hidróxido de potasio alcohólico (KOH), el 2-buteno es el producto principal y el 1-buteno es el producto secundario.

De manera más general, la regla de Zaitsev predice que en una reacción de eliminación, el producto más sustituido será el más estable y, por lo tanto, el más favorecido. La regla no hace generalizaciones sobre la estereoquímica del alqueno recién formado, sino solo sobre la regioquímica de la reacción de eliminación. Si bien es eficaz para predecir el producto favorito de muchas reacciones de eliminación, la regla de Zaitsev está sujeta a muchas excepciones. Muchos de ellos incluyen excepciones bajo el producto Hofmann (análogo al producto Zaitsev). Estos incluyen compuestos que tienen nitrógeno cuaternario y grupos salientes como NR ₃, SO ₃ H, etc. En estas eliminaciones se prefiere el producto de Hofmann. En caso de que el grupo saliente sean halógenos, excepto el flúor; otros dan el producto Zaitsev.

Historia

Alexander Zaitsev publicó por primera vez sus observaciones sobre los productos de las reacciones de eliminación en Justus Liebigs Annalen der Chemie en 1875. Aunque el artículo contenía algunas investigaciones originales realizadas por los estudiantes de Zaitsev, era en gran parte una revisión de la literatura y se basaba en gran medida en trabajos publicados anteriormente. En él, Zaitsev propuso una regla puramente empírica para predecir la regioquímica favorecida en la deshidrohalogenación de yoduros de alquilo, aunque resulta que la regla también es aplicable a una variedad de otras reacciones de eliminación. Si bien el artículo de Zaitsev fue bien mencionado a lo largo del siglo XX, no fue hasta la década de 1960 que los libros de texto comenzaron a usar el término "regla de Zaitsev".

Zaitsev no fue el primer químico en publicar la regla que ahora lleva su nombre. Aleksandr Nikolaevich Popov publicó una regla empírica similar a la de Zaitsev en 1872 y presentó sus hallazgos en la Universidad de Kazan en 1873. Zaitsev había citado el artículo de Popov de 1872 en un trabajo anterior y trabajó en la Universidad de Kazan, por lo que probablemente estaba al tanto de la propuesta de Popov. regla. A pesar de esto, el artículo de Liebigs Annalen de Zaitsev de 1875 no menciona el trabajo de Popov.

Cualquier discusión sobre la regla de Zaitsev estaría incompleta sin mencionar a Vladimir Vasilyevich Markovnikov. Zaitsev y Markovnikov estudiaron con Alexander Butlerov, enseñaron en la Universidad de Kazan durante el mismo período y fueron rivales acérrimos. Markovnikov, quien publicó en 1870 lo que ahora se conoce como la regla de Markovnikov, y Zaitsev tenían puntos de vista contradictorios con respecto a las reacciones de eliminación: el primero creía que se favorecería al alqueno menos sustituido, mientras que el segundo sentía que el alqueno más sustituido sería el producto principal. Quizás una de las razones principales por las que Zaitsev comenzó a investigar las reacciones de eliminación fue para refutar a su rival. Zaitsev publicó su regla para las reacciones de eliminación justo después de que Markovnikov publicara el primer artículo de una serie de tres partes en Comptes Rendus.detallando su regla para las reacciones de adición.

Consideraciones termodinámicas

La hidrogenación de alquenos a alcanos es exotérmica. La cantidad de energía liberada durante una reacción de hidrogenación, conocida como calor de hidrogenación, está inversamente relacionada con la estabilidad del alqueno inicial: cuanto más estable es el alqueno, menor es su calor de hidrogenación. El examen de los calores de hidrogenación de varios alquenos revela que la estabilidad aumenta con la cantidad de sustitución.

Nombre compuesto	Estructura	Calor molar de hidrogenación	Grado de Sustitución
en kJ/mol	en kcal/mol
Etileno		137	32.8	no sustituido
1-buteno		127	30.3	Monosustituido
trans -2-buteno		116	27.6	disustituido
2-metil-2-buteno		113	26,9	trisustituido
2,3-dimetil-2-buteno		111	26.6	tetrasustituido

El aumento de la estabilidad asociado con sustituciones adicionales es el resultado de varios factores. Los grupos alquilo son donantes de electrones por efecto inductivo y aumentan la densidad de electrones en el enlace sigma del alqueno. Además, los grupos alquilo son estéricamente grandes y son más estables cuando están lejos unos de otros. En un alcano, la separación máxima es la del ángulo de enlace tetraédrico, 109,5°. En un alqueno, el ángulo de enlace aumenta hasta cerca de 120°. Como resultado, la separación entre los grupos alquilo es mayor en el alqueno más sustituido.

La hiperconjugación, que describe la interacción estabilizadora entre el HOMO del grupo alquilo y el LUMO del doble enlace, también ayuda a explicar la influencia de las sustituciones de alquilo en la estabilidad de los alquenos. Con respecto a la hibridación orbital, un enlace entre un carbono sp y un carbono sp es más fuerte que un enlace entre dos carbonos con hibridación sp. Los cálculos revelan un efecto de hiperconjugación estabilizador dominante de 6 kcal/mol por grupo alquilo.

Efectos estéricos

En las reacciones de eliminación E2, una base extrae un protón que es beta para un grupo saliente, como un haluro. La eliminación del protón y la pérdida del grupo saliente ocurren en un solo paso concertado para formar un nuevo doble enlace. Cuando se usa una base pequeña y sin obstáculos, como hidróxido de sodio, metóxido de sodio o etóxido de sodio, para una eliminación de E2, el producto de Zaitsev suele preferirse al alqueno menos sustituido, conocido como producto de Hofmann. Por ejemplo, el tratamiento de 2-bromo-2-metilbutano con etóxido de sodio en etanol produce el producto Zaitsev con selectividad moderada.

Debido a las interacciones estéricas, una base voluminosa, como el terc -butóxido de potasio, la trietilamina o la 2,6-lutidina, no puede extraer fácilmente el protón que conduciría al producto Zaitsev. En estas situaciones, se abstrae preferentemente un protón con menos impedimento estérico. Como resultado, el producto de Hofmann suele preferirse cuando se utilizan bases voluminosas. Cuando el 2-bromo-2-metilbutano se trata con terc -butóxido de potasio en lugar de etóxido de sodio, se favorece el producto de Hofmann.

Las interacciones estéricas dentro del sustrato también previenen la formación del producto Zaitsev. Estas interacciones intramoleculares son relevantes para la distribución de productos en la reacción de eliminación de Hofmann, que convierte las aminas en alquenos. En la eliminación de Hofmann, el tratamiento de una sal de yoduro de amonio cuaternario con óxido de plata produce iones de hidróxido, que actúan como base y eliminan la amina terciaria para dar un alqueno.

En la eliminación de Hofmann, el alqueno menos sustituido suele verse favorecido debido a las interacciones estéricas intramoleculares. El grupo amonio cuaternario es grande y las interacciones con los grupos alquilo en el resto de la molécula son indeseables. Como resultado, la conformación necesaria para la formación del producto de Zaitsev es energéticamente menos favorable que la conformación requerida para la formación del producto de Hofmann. Como resultado, se forma preferentemente el producto de Hofmann. La eliminación de Cope es muy similar a la eliminación de Hofmann en principio, pero ocurre en condiciones más suaves. También favorece la formación del producto de Hofmann, y por las mismas razones.

Estereoquímica

En algunos casos, la estereoquímica del material de partida puede evitar la formación del producto Zaitsev. Por ejemplo, cuando el cloruro de mentilo se trata con etóxido de sodio, se forma exclusivamente el producto de Hofmann, pero con un rendimiento muy bajo:

Este resultado se debe a la estereoquímica del material de partida. Las eliminaciones E2 requieren una geometría anti -periplanar, en la que el protón y el grupo saliente se encuentran en lados opuestos del enlace CC, pero en el mismo plano. Cuando el cloruro de mentilo se extrae en la conformación de silla, es fácil explicar la distribución inusual del producto.

La formación del producto Zaitsev requiere la eliminación en la posición 2, pero el grupo isopropilo, no el protón, es anti -periplanar al grupo saliente cloruro; esto hace imposible la eliminación en la posición 2. Para que se forme el producto de Hofmann, la eliminación debe ocurrir en la posición 6. Debido a que el protón en esta posición tiene la orientación correcta en relación con el grupo saliente, la eliminación puede ocurrir y ocurre. Como resultado, esta reacción en particular produce solo el producto de Hofmann.