Номер 62, страница 91 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.62. Приведите механизм дегидратации mpem-бутилового спирта в присутствии серной кислоты.

Решение

Дегидратация трет-бутилового спирта (2-метилпропан-2-ола) в присутствии серной кислоты является классическим примером реакции элиминирования (отщепления), протекающей по мономолекулярному механизму E1. Серная кислота в этой реакции выполняет две функции: она является катализатором, протонируя спирт, и водоотнимающим агентом, сдвигающим равновесие в сторону образования продуктов.

Общее уравнение реакции выглядит следующим образом:

$$ (CH_3)_3COH \xrightarrow{H_2SO_4, \Delta} (CH_3)_2C=CH_2 + H_2O $$

Механизм реакции включает три основные стадии:

Стадия 1: Протонирование гидроксильной группы

На первой, быстрой и обратимой стадии, атом кислорода гидроксильной группы спирта, обладающий неподеленной электронной парой, атакует протон ($H^+$) от серной кислоты. В результате образуется протонированный спирт — алкилоксониевый ион. Этот процесс значительно улучшает уходящую группу: нейтральная молекула воды является гораздо лучшей уходящей группой, чем отрицательно заряженный гидроксид-ион ($OH^−$).

$$ (CH_3)_3C-\ddot{O}H + H_2SO_4 \rightleftharpoons (CH_3)_3C-\overset{+}{O}H_2 + HSO_4^- $$

Стадия 2: Образование карбокатиона

Это медленная, лимитирующая (определяющая скорость всей реакции) стадия. Алкилоксониевый ион спонтанно диссоциирует, отщепляя молекулу воды. В результате образуется промежуточное соединение — третичный карбокатион (трет-бутилкатион). Третичные карбокатионы являются наиболее стабильными среди алкильных карбокатионов благодаря индуктивному эффекту (+I) и гиперконъюгации с тремя метильными группами, что и обуславливает протекание реакции по механизму E1 для третичных спиртов.

$$ (CH_3)_3C-\overset{+}{O}H_2 \xrightarrow{\text{медленно}} (CH_3)_3C^+ + H_2O $$

Стадия 3: Депротонирование и образование алкена

На заключительной, быстрой стадии, основание (в роли которого может выступать молекула воды или гидросульфат-ион $HSO_4^−$) отрывает протон от одного из соседних с карбокатионным центром атомов углерода. Электронная пара из разрывающейся связи C-H перемещается для образования новой π-связи между атомами углерода. В результате образуется конечный продукт — 2-метилпропен (изобутилен) — и регенерируется катализатор.

$$ H-CH_2-\overset{+}{C}(CH_3)_2 + H_2O \xrightarrow{\text{быстро}} (CH_3)_2C=CH_2 + H_3O^+ $$

Ион гидроксония $H_3O^+$ затем может передать протон гидросульфат-иону, регенерируя серную кислоту:

$$ H_3O^+ + HSO_4^- \rightleftharpoons H_2SO_4 + H_2O $$

Ответ: Механизм дегидратации трет-бутилового спирта в присутствии серной кислоты протекает по стадиям E1-элиминирования. Он включает: 1) быстрое протонирование спирта с образованием алкилоксониевого иона; 2) медленное, лимитирующее скорость, отщепление воды с образованием стабильного третичного карбокатиона; 3) быстрое отщепление протона от соседнего атома углерода основанием (например, водой) с образованием двойной связи и продукта реакции — 2-метилпропена.