Hofmann udtømmende Methylerings-og Nedbrydningsreaktion
denne reaktion kaldes også Hofmann eliminationsreaktion. Det er blevet brugt en hel del til bestemmelse af strukturen af organiske forbindelser, der indeholder et aminotrogenatom. Det blev anvendt til undersøgelsen af strukturen af mange komplekse naturlige aminer, såsom alkaloider, efter at dets anvendelighed blev værdsat.reaktionssekvensen udnytter det faktum, at de fleste kvaternære ammoniumhydroksider nedbrydes ved opvarmning for at give en tertiær Amin, en olefin og vand. Selvfølgelig kan en forbindelse som tetramethylammoniumhydroksid ikke give en olefin på grund af den strukturelle karakter af grupperne bundet til nitrogen. Sådanne hydroksider skal nedbrydes for at give en alkohol snarere end en olefin og vand.
men hvis der er knyttet til nitrogenatomet mindst en kæde af nitrogenatomet, er der en to kulstofatomer, og hvis der er mindst et hydrogenatom på karbon (med hensyn til nitrogen), vil en olefin og vand ledsage en tertiær amin, når det kvaternære ammoniumhydroksid nedbrydes ved opvarmning.
en grundig undersøgelse af mekanismen for Hofmann-nedbrydningsreaktionen har vist, at dette er en er et eksempel på en kur-eliminering af hydrogen. Den angribende art er en hydroksylion, som bestemt er tilgængelig i kvaternære ammoniumhydroksider; dette fjerner et brintatom på carbonet, som er i kurpositionen i forhold til det kvaternære nitrogenatom. Den positive ladning på nitrogen er drivkraften for reaktionen. Som det kan ses, bevæger elektronerne sig i retning af det positivt ladede nitrogenatom.
Hvis der ikke er noget hydrogenatom på karbonet, er reaktionen skal tage det forskellige forløb, der er vist ovenfor, og en alkohol ledsager den tertiære amin som reaktionsprodukt.
nedbrydningen er blot det første trin i den strukturelle belysning af mange forbindelser. Det første trin er methylering af nitrogenet i en amin, hvis struktur vi ønsker at bestemme, og denne methylering udføres til det ultimative mulige trin, nemlig til scenen af det kvaternære ammoniumhalogenid. Dette er grunden til brugen af udtrykket udtømmende methylering. Halogenidet omdannes derefter til det kvaternære ammoniumhydroksid, og dette nedbrydes (når det er strukturelt muligt) i Hofmann-eliminationstrinnet, som vi netop har diskuteret.
Methyliodid er det valgte reagens i det udtømmende methyleringstrin i sekvensen. Om ønsket kan reaktionen udføres med analytisk præcision, og når dette gøres, er det muligt at skelne mellem, om vi har at gøre med en primær amin, en sekundær amin eller en tertiær Amin.
en primær amin vil” forbruge ” tre mol methyliodid, før det kvaternære ammoniumhalogenidstadium er nået:
en sekundær amin kræver to mol methyliodid, og en tertiær Amin kræver kun en mol methyliodid for at nå det kvaternære salts Stadium.
lad os se på flere eksempler, hvor forskellige typer aminer gennemgår Hofmann udtømmende methylerings-og eliminationsreaktion. Det første trin er methylering, det andet er omdannelse af det kvaternære iodid til det kvaternære hydroksid efterfulgt af termisk nedbrydning af hydroksidet.
nu ser vi i det sidste eksempel, at der er to respekt for nitrogenet; den ene bærer to hydrogenatomer, den anden tre.
det er muligt at skrive en eliminering af et hydrogenatom fra methylcarbonet:
Dette ville føre til 1-butene snarere end til den isomer 2-buten. Vi ved af erfaring, at den mindst substituerede ethylen opnås som det dominerende produkt i en Hofmann-eliminering. Udbyttet af ovennævnte produkter er vist i den samlede reaktion:
denne type generelle resultat er blevet udtalt i Hofmanns regel, der siger, at kvaternære ioner vil give ved eliminering overvejende den mindst substituerede ethylen muligt. Mens vi opnår blandinger, når der kan dannes to eller flere alkener, gælder Hofmanns regel generelt for elimineringer, hvor kvaternære ioner er involveret. Sulfoniumioner giver lignende resultater:
Hofmann-reglen minder om en anden regel udtalt i forbindelse med eliminering, saytseff-reglen. Dette vedrører elimineringer fra neutrale forbindelser, såsom dehydrohalogenering af alkylhalogenider og dehydrering af alkoholer. Saytseff-reglen siger, at neutrale forbindelser ved eliminering giver en overvejelse af den højest substituerede ethylen, der er mulig.
det er ikke altid muligt at forudsige forløbet af en Hofmann eliminering på trods af den generelle prognose ved Hofmann-reglen. Det er dog lettere at forudsige i nogle tilfælde end i andre. For eksempel, Vi er ikke overrasket over følgende resultat, hvor et brint på et karbon ved siden af en aromatisk ring konkurrerer i elimineringsprocessen med et hydrogenatom på et karbon, der yderligere fjernes fra den aromatiske ring:
mindre end 1% udbytte af ethylen og et 93% udbytte af ethylen styren opnås. Nu er dette en tilsyneladende tilsidesættelse af Hofmann-reglen. Det er klart, at styren er en mere substitueret ethylen sammenlignet med selve ethylen.der skal tages hensyn til brintets surhed på et kulstofatom, og det er klart, at det på et kulstofatom er mere surt på grund af resonanseffekten af den nærliggende ring. Dette dominerer over den induktive virkning, som er operativ i en alkylgruppe. Vi skal også overveje steriske situationer, som opnår i særlige tilfælde. For eksempel giver phenyldihydrothebain to isomere nedbrydningsprodukter, som efter en yderligere Hofmann-sekvens giver det samme nitrogenfrie produkt.
Vi har hidtil diskuteret alifatiske aminer. Et lidt andet billede opnås i heterocykliske aminer, hvor nitrogenatomet udgør en del af en ring, omend de udtømmende methylerings-og elimineringstrin i princippet er de samme. Hvis et aminotrogenatom er inden i en ring, kan det ikke være en primær amin, da mindst to af dets bindinger er bundet til kulstof, så højst kun en binding kan være til brint. Lad os eksemplificere, hvad der sker i den sekundære aminpiperidin:
lad os sammenligne den foregående sekvens af reaktioner med den af en alifatisk sekundær amin indeholdende fem carbonatomer, det samme antal som i piperidin, f. eks.
i begge reaktioner af C5 sekundære aminer (de kan faktisk ikke være i fordi ringforbindelsen af nødvendighed skal have to hydrogenatomer mindre end den alifatiske forbindelse), forbruges to mol methyliodid, før det kvaternære iodidstadium nås. I begge serier omdannes iodiderne til de kvaternære hydroksider, og disse nedbrydes. Men bemærk, at i den alifatiske serie A nitrogenfri, C4 olefin opnås, og trimethylamin og vand ekstruderes fra precursormolekylet. I den heterocykliske serie dannes der imidlertid kun vand ved eliminering af et hydrogenatom på det russiske kulstofatom med hensyn til nitrogen, men nitrogenet forbliver stadig i molekylet.
for at opnå en nitrogenfri forbindelse skal vi gentage både de udtømmende methylerings-og elimineringstrin. På dette stadium, da vi har en tertiær Amin, er en mol methyliodid tilstrækkelig til fremstilling af det kvaternære halogenid, og til sidst opnås 1,4-pentadien som det nitrogenfrie produkt, ledsaget denne gang af trimethylamin og vand.
det er således ret nemt at fortælle om et aminotrogenatom eller ej udgør en del af en ring i en organisk struktur.
Hvis et tertiært aminotrogen udgør en del af en ring, har vi et analogt tilfælde med piperidin. En Hofmann-sekvens involverer brugen af kun en mol methyliodid, da aminen er tertiær, men produktet indeholder stadig nitrogen:
Hvis det ønskes at fjerne nitrogenet fra produktet, er det nødvendigt at gentage Hofmann-sekvensen. Her kræves der kun en mol methyliodid.
Hofmann udtømmende methylerings-og nedbrydningsreaktion er blevet anvendt i vid udstrækning i strukturelle undersøgelser af alkaloider, hvor nitrogenet udgør en del af en reduceret ring (såsom piperidin) eller en delvist reduceret ring, men er ubrugelig i undersøgelsen af alkaloider, hvor nitrogenet udgør en del af en ring ved et højere iltningsniveau. Det svigter for eksempel i pyridin, kinolin og isokinolin og i alkaloider, der indeholder disse respektive kerner med hensyn til ekstrudering af nitrogenet fra sådanne kerner.
alle disse moderstoffer er tertiære aminer, de giver disse er konvertible til deres hydroksider, men af åbenlyse strukturelle årsager kan Hofmann-eliminering ikke forekomme.kvaternære ammoniumforbindelser anvendes undertiden som basiske katalysatorer i forskellige organiske reaktioner. Som en stærk basisk katalysator i Michael-kondensationen.
sådanne forbindelser er også blevet anvendt som alkyleringsmidler. For eksempel er det muligt at alkylere phenolgruppen af morfin for at give kodein i høje udbytter ved anvendelse af phenyltrimethylammoniummilte. Andre reagenser såsom dimethylsulfat eller methyliodid i kombination med en base, hvis de anvendes til den samme alkylering, ville forårsage kvaternisering af det tertiære nitrogenatom i morfin og reducere udbyttet af kodein.
