Hofmann Vyčerpávající Metylace a Degradaci Reakce
Tato reakce se také nazývá Hofmann eliminační reakce. Hodně se používá při určování struktury organických sloučenin, které obsahují Atom amino dusíku. Byl aplikován na zkoumání struktury mnoha komplexních přírodních aminů, jako jsou alkaloidy, poté, co byla oceněna jeho užitečnost.
reakce sekvence využívá skutečnosti, že většina kvarterní amoniové hydroxidy rozkládají na topení dát terciární amin, olefinů a vody. Sloučenina, jako je tetramethylamonium hydroxid, samozřejmě nemůže poskytnout olefin kvůli strukturální povaze skupin připojených k dusíku. Takové hydroxidy se musí rozkládat, aby poskytly alkohol spíše než olefin a vodu.
Nicméně, pokud je připojen na atom dusíku alespoň jeden řetězec o dva atomy uhlíku, a pokud je alespoň jeden atom vodíku na β-uhlíku (s ohledem na dusíku), olefinů a vody bude doprovázet terciární amin, když kvartérní hydroxid amonný se rozloží zahříváním.
důkladné vyšetřování mechanismu Hofmann degradaci reakce ukázaly, že to je příklad β-eliminaci vodíku. Útočící druh je hydroxylový ion, který je jistě dostupný v kvartérních hydroxidech amonných; tím se odstraní atom vodíku na uhlíku, který je v β-poloze vzhledem k kvartérnímu atomu dusíku. Kladný náboj dusíku je hnací silou reakce. Jak je vidět, elektrony se pohybují ve směru kladně nabitého atomu dusíku.
Pokud neexistuje žádný atom vodíku na β-uhlíku, reakce musí mít jiný průběh uvedeno výše a alkoholu doprovází terciární amin jako reakční produkt.
degradace je pouze prvním krokem ve strukturální objasnění mnoha sloučenin. Prvním krokem je methylace dusíku v Aminu, jehož strukturu chceme určit, a tato methylace se provádí do konečného možného stádia, konkrétně do stupně kvartérního halogenidu amonného. To je důvod pro použití termínu vyčerpávající methylace. Halogenid se pak převede na kvartérní hydroxid amonný a ten se degraduje (pokud je to strukturálně možné) v hofmannově eliminačním kroku, o kterém jsme právě diskutovali.
Methyljodid je činidlo volby ve vyčerpávajícím methylačním stádiu sekvence. Pokud je to žádoucí, může být reakce prováděna s analytickou přesností a když je to provedeno, je možné rozlišit, zda se jedná o primární Amin, sekundární Amin nebo terciární Amin.
primární Amin „spotřebuje“ tři moly methyljodidu před dosažením kvartérního stupně halogenidu amonného:
sekundární amin vyžaduje dva moly methyl jodid a terciární amin vyžaduje pouze jeden mol methyl jodid dosáhnout fázi kvartérní sůl.
Pojďme se podívat na několik příkladů, v nichž se různé typy aminů podstoupit Hofmann vyčerpávající metylace a eliminační reakce. Prvním krokem je methylace, druhým je přeměna kvartérního jodidu na kvartérní hydroxid následovaný tepelným rozkladem hydroxidu.
Teď vidíme, že je v posledním příkladu, že existují dva β-uhlíkových atomů s ohledem na dusíku; jeden nese dva atomy vodíku, ostatní tři.
je možné zapsat eliminaci atomu vodíku z methylkarbonu:
To by vedlo k 1-buten, spíše než na izomerní 2-buten. Ze zkušenosti víme, že nejméně substituovaný ethylen se získává jako převládající produkt při hofmannově eliminaci. Výtěžky výše uvedených produktů jsou uvedeny v celkové reakci:
Tento typ celkový výsledek byl vysloven v Hofmann je Pravidlo, které uvádí, že kvartérní ionty dá po odstranění převážně nejméně substituovaný ethylenu je to možné. Zatímco získáváme směsi, když mohou být vytvořeny dva nebo více alkenů, Hofmannovo pravidlo obecně platí pro eliminace, do kterých jsou zapojeny kvartérní ionty. Sulfoniové ionty dávají podobné výsledky:
Hofmann pravidlo připomíná další pravidlo, které hlásá v souvislosti s eliminací, Saytzeff Pravidlo. Jedná se o eliminace z neutrálních sloučenin, jako je dehydrohalogenace alkylhalogenidů a dehydratace alkoholů. Saytzeffovo pravidlo uvádí, že neutrální sloučeniny po eliminaci dávají převahu nejvíce substituovaného ethylenu.
To není vždy možné předvídat průběh Hofmann odstranění navzdory obecné prognózy, Hofmann Pravidlo. V některých případech je však snazší předvídat než v jiných. Například, nejsme překvapeni tímto výsledkem, kde vodíku na β-uhlíku vedle aromatického kruhu soutěží v procesu eliminace s atom vodíku na β-uhlíku, dále odstraněn z aromatického kruhu:
Méně než 1% výtěžku ethylenu a 93% výnos styren se získává. Toto je zjevné ignorování Hofmannova pravidla. Je zřejmé, že styren je více substituovaný ethylen ve srovnání se samotným ethylenem.
kyselost vodíku na β-uhlíku atom, musí být považovány za a jasně na benzylic atom uhlíku je více kyseliny v důsledku rezonanční efekt sousedních benzenový kruh. To převažuje nad induktivním účinkem, který působí v alkylové skupině. Musíme také zvážit sterické situace, které se vyskytují v konkrétních případech. Například fenyldihydrothebain poskytuje dva izomerní degradační produkty, které po další hofmannově sekvenci poskytují stejný produkt bez dusíku.
Jsme dosud diskutovali alifatických aminů. Mírně odlišný obraz se získá u heterocyklických aminů, ve kterých atom dusíku tvoří součást kruhu, i když vyčerpávající methylační a eliminační kroky jsou v zásadě stejné. Pokud je atom amino dusíku v kruhu, nemůže to být primární Amin, protože alespoň dvě z jeho vazeb jsou vázány na uhlík, takže nanejvýš pouze jedna vazba může být na vodík. Ukažme si, co se děje v sekundárním Amin piperidinu:
porovnejme výše uvedené sekvence reakcí s alifatickou sekundárních aminů obsahující pět atomů uhlíku, což je stejný počet jako v piperidine, např.
V obou reakce C5 sekundární aminy (nemohou být ve skutečnosti izomerní protože kruh složený z nutnosti, musí mít dva atomy vodíku méně než alifatické sloučeniny), dva moly methyl jodid jsou spotřebovány před kvartérní jodid fázi je dosaženo. V obou sériích se jodidy převádějí na kvartérní hydroxidy a ty se rozkládají. Všimněte si však, že v alifatické sérii bez dusíku se získá olefin C4 a trimethylamin a voda se vytlačují z molekuly prekurzoru. V heterocyklické řadě se však vytváří pouze voda eliminací atomu vodíku na atomu β-uhlíku s ohledem na dusík, ale dusík stále zůstává v molekule.
abychom získali sloučeninu bez dusíku, musíme opakovat jak vyčerpávající methylační, tak eliminační kroky. V této fázi, protože máme terciární amin, jeden mol methyl jodid postačuje pro přípravu kvartérních halogenidové a konečně 1,4-pentadienu je získaná jako dusík-produkt zdarma, doplněnou tentokrát o trimethylamin a vody.
Tak to je docela snadné poznat, zda je či není amino atom dusíku tvoří část kruhu v organické struktury.
Pokud terciární amino dusík tvoří část kruhu, máme analogický případ s piperidinem. Jeden Hofmann sekvence zahrnuje použití pouze jeden mol methyl jodid, protože je terciární amin, ale výrobek stále obsahuje dusík:
Pokud je žádoucí, aby odstranění dusíku z produktu je nutné opakovat Hofmann sekvence. Zde je opět vyžadován pouze jeden mol methyljodidu.
Hofmann vyčerpávající metylace a degradaci reakce byl používán značně ve strukturálních studiích alkaloidů, v nichž dusík je součástí sníženou prsten (jako piperidine) nebo částečně snížena prsten, ale je k ničemu ve studii alkaloidů, ve kterých je dusík součástí kroužek na vyšší oxidační stupeň. To se nezdaří, například, pyridin, chinolin a isochinolin a alkaloidy, které obsahují tyto příslušných jader s ohledem na vytlačování dusíku z těchto jader.
Všechny tyto výchozí látky jsou terciární aminy, dávají mezi pyridiniové, quinolinium a isoquinolinium kvartérní soli, tyto jsou převoditelné na jejich hydroxidy, ale ze zjevných strukturálních důvodů, Hofmann odstranění nemůže dojít.
kvartérní amoniové sloučeniny se někdy používají jako základní katalyzátory v různých organických reakcích. Například Benzyltrimethyl – amonný hydroxid se často používá jako silný bazický katalyzátor při kondenzaci.
Tyto sloučeniny byly také používány jako alkylační činidla. Například, je možné alkylát fenolické skupiny morfin dát kodein v vysoké výnosy, pomocí phenyltrimethyl-amonný ethoxide. Další činidla, jako je dimethyl sulfát nebo methyl jodid v kombinaci se základnou, pokud se používá pro stejné alkylace by mohlo způsobit quaternization terciární atom dusíku v morfin a snížit výnos z kodeinu.
