Regula lui Markovnikov este o regulă în chimia organică utilizată pentru a prezice regioselectivitatea reacției de adiție a acizilor protici și a apei la alchene și alchine nesimetrice .
Cel mai adesea, această regulă este formulată după cum urmează:
„ Când se adaugă acizi protici și apă la alchene și alchine nesimetrice, un atom de hidrogen este atașat celui mai hidrogenat atom de carbon .”
Regula a fost propusă pentru prima dată de chimistul rus VV Markovnikov în 1869 [1] .
Observațiile lui VV Markovnikov asupra regioselectivității adăugării la alchene au fost publicate în 1870 în limba germană în jurnalul Justus Liebigs Annalen der Chemie . Cu toate acestea, pentru o lungă perioadă de timp, domnia lui Markovnikov a fost ignorată de contemporanii săi. Au fost mai multe motive pentru aceasta. În primul rând, datele despre adăugarea regioselectivă au fost incluse în lucrarea de 26 de pagini a lui Markovnikov despre acizii butiric izomeri . Textul articolului este caracterizat ca fiind confuz, în plus, datele despre acizii butiric fuseseră deja publicate de Markovnikov cu doi ani mai devreme, prin urmare, probabil, la acea vreme articolul avea o popularitate scăzută [2] .
În al doilea rând, Markovnikov și-a poziționat regula ca o continuare naturală a descoperirilor chimistului rus A. M. Butlerov , care a arătat că în timpul bromurarii alcanilor , atomul de hidrogen de la atomul de carbon terțiar este cel mai activ înlocuit [2] .
În cele din urmă, Markovnikov a oferit prea puține dovezi experimentale. În 1870, a fost dificil să se efectueze adăugarea unei halogenuri de hidrogen la o alchenă în condiții controlate și să se determine produsul principal al reacției. Principalele metode de stabilire a structurii substanțelor au fost determinarea punctului de fierbere și a densității , ceea ce presupunea disponibilitatea datelor privind substanțele pure pentru comparație. În plus, Markovnikov a făcut greșeli grave în articol când a citat lucrările altor chimiști, de exemplu, pentru două lucrări a citat halogenură de hidrogen greșită , care a fost de fapt folosită de autori [2] .
„Nu pot intra aici într-o analiză detaliată a diferitelor fapte care ne permit să stabilim o astfel de lege”.
Text original (germană)[ arataascunde] „Ich kann hier nicht ausfuhrlich in die Betrachtung der verschiedenen Thatsachen eingehen, welche uns erlauben, ein soloches Gesetz aufzustellen”. — Markownikoff W., Justus Liebigs Annalen der Chemie, 1870, 153(2), 228–259Regula lui Markovnikov ca atare a fost stabilită abia în 1924 datorită lucrării lui O. Maass ( ing. O. Maass ), care a dizolvat halogenuri de hidrogen și alchene anhidre în hexan și a observat formarea produselor prezise de Markovnikov [3] . În special, el a fost primul care a efectuat un experiment ilustrativ clasic - adăugarea de bromură de hidrogen la propenă, în care 2-bromopropanul a fost format în mod fiabil [2] .
Formulările regulii Markovnikov date în diverse surse diferă unele de altele [4] .
În lucrarea originală, V. V. Markovnikov a scris:
Când o alchenă nesimetrică se combină cu un acid hidrohalic, halogenul este atașat de un atom de carbon care conține mai puțini atomi de hidrogen, adică un atom de carbon care este mai influențat de alți atomi de carbon [2] .
În plus, când Markovnikov a luat în considerare adăugarea de halogenuri de hidrogen la alchene care conțin un halogen la o legătură dublă, el a adăugat că „un atom de halogen este atașat la un atom de carbon care conține deja un atom de halogen” [2] .
În publicațiile moderne rusești [5] și străine [2] , apare adesea formularea opusă, în care se atrage atenția asupra adăugării unui atom de hidrogen:
Când o halogenură de hidrogen este adăugată la o alchenă nesimetrică, un atom de hidrogen este atașat la un atom de carbon mai hidrogenat.
În 1875, Markovnikov a reformulat regula, extinzând-o pentru a include adăugarea de molecule polare în general:
Când o moleculă C n H m X nesaturată este atașată la un alt sistem molecular YZ la temperatură scăzută, elementul mai negativ sau gruparea Y este combinată cu un atom de carbon mai puțin hidrogenat sau cu unul care a fost deja conectat la un element negativ; dar la temperaturi mai ridicate, elementul Z este cel care se atașează de atomul de carbon mai puțin hidrogenat” [6] .
În această versiune, regula a început să prevadă și regioselectivitatea inversă a adunării la temperaturi ridicate, care a fost explicată în 1933 de M. Karash și F. Mayo ( efectul Karash ) [6] .
În același an, A. M. Zaitsev a dezvoltat regula lui Markovnikov, inclusiv cazuri de adăugare la alchene în care legătura dublă este între doi atomi de carbon hidrogenați în același grad, iar unul dintre ei are o grupare metil . Adăugarea lui Zaitsev a afirmat că atomul de halogen este atașat de atomul de carbon conectat la gruparea metil. Acest fapt a fost explicat ulterior folosind conceptul de hiperconjugare [4] .
Mai târziu, termenii au început să fie folosiți pentru a descrie produsele formate sau cursul reacției ca Markovnikov și anti-Markovnikov , adică coincid sau nu coincid cu predicțiile regulii Markovnikov. Expresia „anti-Markovnikovian” își datorează popularitatea lui G. Ch. Brown , care, folosind acest cuvânt, a subliniat utilitatea sintetică a reacțiilor de hidroborare-oxidare, care dau produse diferite de cele obținute cu hidratarea obișnuită . Este de remarcat faptul că hidroborarea are loc tocmai în conformitate cu formularea extinsă a regulii Markovnikov, deoarece atomul de hidrogen încărcat negativ din molecula de boran este atașat de atomul de carbon mai puțin hidrogenat și numai reacția de oxidare ulterioară care duce la formarea alcoolului creează un aparent paradox al inconsecvenței cu regula Markovnikov [6] .
După ce a fost studiat mecanismul reacțiilor de adiție electrofile , regula lui Markovnikov a început să capete o altă formă modernă:
Adăugarea unui electrofil la o legătură dublă are loc odată cu formarea unui carbocation mai stabil ” [7] .
Unii autori consideră [6] că este incorect să numim această formulare regula lui Markovnikov, întrucât, deși păstrează aceleași concluzii, are o bază complet diferită, care la sfârșitul secolului al XIX-lea nu putea fi încă cunoscută.
Pentru a explica predominanța unei halogenuri mai substituite față de o halogenură mai puțin substituită în produșii de reacție, se recurge de obicei la luarea în considerare a mecanismului de adiție electrofilă la alchene .
Reacția se desfășoară în două etape. În prima etapă, lentă, protonul H + este adăugat la dubla legătură : în acest caz, protonul se poate lega de unul dintre cei doi atomi de carbon care formează legătura dublă. Carbocationii rezultați I1 și I2 au energii diferite (stabilitate), deoarece sarcina pozitivă din ei este delocalizată cu eficiență diferită. Din acest motiv, carbocationul secundar I2 este mai stabil, iar bromura corespunzătoare P2 se formează în cantități mai mari.
Cu o considerație mai riguroasă, este necesar să se compare stabilitatea nu a intermediarilor, ci a două stări alternative de tranziție în stadiul de formare a carbocationilor, adică energiile de activare a două procese paralele. Pentru unele reacții, diferența dintre aceste valori ajunge la 25-30 kJ / mol [1] .
Totuși, conform postulatului lui Hammond , pentru reacțiile endoterme energia stării de tranziție este apropiată de energia intermediarului, deci simplificarea adoptată în acest caz este acceptabilă [5] .
La scurt timp după publicarea regulii lui Markovnikov, au devenit cunoscute exemple în care adăugarea la alchene cu o structură destul de simplă a condus la un rezultat incorect (produse anti-Markovnikov) chiar și la temperaturi scăzute. În timp ce regula generală a lui Markovnikov nu este în măsură să țină seama de aceste excepții, luarea în considerare a mecanismului face destul de ușor să se arate că formarea unor astfel de produse este în concordanță cu stabilitatea relativă a carbocationilor [5] .
Un alt tip de excludere se referă la reacțiile care decurg printr-un mecanism radical și, de asemenea, oferă produse anti-Markovnikov. Astfel de cazuri au fost luate în considerare în formularea extinsă a regulii lui Markovnikov ca reacții „la temperaturi mai ridicate”. Mai târziu, M. Karash și F. Mayo au arătat că rezultatul anormal al unor astfel de reacții se bazează pe mecanismul lor radical [8] .
În prezent, regularitățile adiției electrofile la alchene și alchine au fost studiate suficient de detaliat. Acest lucru face posibilă explicarea regioselectivității reacțiilor pe baza mecanismelor lor. Această abordare, spre deosebire de regula Markovnikov, care are o serie de excepții, este destul de universală și convenabilă. În acest sens, în prezent în publicațiile metodologice străine există propuneri de a abandona predarea regulii lui Markovnikov și de a trece la idei mecaniciste mai universale despre reacțiile organice [6] [9] .
De asemenea, recunoaște o diferență semnificativă între formularea clasică a regulii Markovnikov, care este în esență o ipoteză , și formularea modernă, care este o teorie [10] .