A Hofmann kimerítő metilációs és degradációs reakció
ezt a reakciót Hofmann eliminációs reakciónak is nevezik. Azt már használják egy jó üzlet szerkezetének meghatározására szerves vegyületek, amelyek tartalmaznak egy amino nitrogénatom. Számos komplex természetes amin, például alkaloidok szerkezetének vizsgálatára alkalmazták, miután hasznosságát értékelték.
a reakciósorozat kihasználja azt a tényt, hogy a legtöbb kvaterner ammónium-hidroxid hevítés közben bomlik, így tercier amin, olefin és víz keletkezik. Természetesen egy olyan vegyület, mint a tetrametil-ammónium-hidroxid, nem adhat olefint a nitrogénhez kapcsolódó csoportok szerkezeti jellege miatt. Az ilyen hidroxidoknak le kell bomlaniuk, hogy az olefin és a víz helyett alkohol keletkezzen.
Ha azonban a nitrogénatomhoz legalább egy két szénatom, és ha legalább egy hidrogénatom van a (nitrogénhez viszonyított) karbonon, akkor egy olefin és víz kíséri a tercier aminot, amikor a kvaterner ammónium-hidroxid hevítéssel bomlik le.
Egy alapos vizsgálatot a mechanizmus a Hofmann lebomlás reakciója megmutatta, hogy ez egy példa a β-elimináció a hidrogén. A támadó faj egy hidroxilion, amely minden bizonnyal elérhető kvaterner ammónium-hidroxidokban; ez eltávolítja a hidrogénatomot a szénen, amely a kvaterner nitrogénatomhoz képest a .. -helyzetben van. A nitrogén pozitív töltése a reakció hajtóereje. Mint látható, az elektronok a pozitív töltésű nitrogénatom irányába mozognak.
Ha nincs hidrogénatom a CC-karbonon, a reakció kell venni a különböző természetesen fent látható, és egy alkohol kíséri a tercier amin reakciótermékként.
a lebomlás csupán az első lépés számos vegyület szerkezeti tisztázásában. Az első lépés a nitrogén metilezése egy aminban, amelynek szerkezetét meg akarjuk határozni, és ezt a metilezést a lehetséges végső stádiumig, nevezetesen a kvaterner ammónium-halogenid szakaszáig végezzük. Ez az oka a kimerítő metiláció kifejezés használatának. A halogenid ezután kvaterner ammónium-hidroxiddá alakul, és ez lebomlik (ha szerkezetileg lehetséges) az imént tárgyalt Hofmann eliminációs lépésben.
a metil-jodid a választott reagens a szekvencia kimerítő metilezési szakaszában. Kívánt esetben a reakciót analitikai pontossággal lehet végrehajtani, és ha ez megtörténik, meg lehet különböztetni, hogy primer aminnal, szekunder aminnal vagy tercier aminnal van-e dolgunk.
az elsődleges amin három mól metil-jodidot “fogyaszt”, mielőtt a kvaterner ammónium-halogenid stádiumot elérnék:
a szekunder aminhoz két mól metil-jodidra van szükség, a tercier aminhoz pedig csak egy mól metil-jodidra van szükség a kvaterner só stádiumának eléréséhez.
nézzünk meg néhány példát, amelyekben a különböző típusú aminok a Hofmann kimerítő metilezési és eliminációs reakción mennek keresztül. Az első lépés a metilezés, a második a kvaterner jodid átalakítása kvaterner hidroxiddá, majd a hidroxid termikus bomlása.
most az utolsó példában azt látjuk, hogy két olyan tekintettel a nitrogénre; az egyik két hidrogénatomot visel, a másik három.
lehetőség van egy hidrogénatom eltávolítására a metil-szénből:
Ez vezetne 1-butén helyett a izomer 2-butén. Tapasztalatból tudjuk, hogy a Hofmann elimináció során a legkevésbé szubsztituált etilént nyerik domináns termékként. A fenti termékek hozamát az általános reakció mutatja:
Ez a típusú általános eredmény már megfogalmazta a Hofmann ez a Szabály, amely kimondja, hogy a kvaterner ionokat ad fel megszüntetése elsősorban a legalább helyettesített etilén lehetséges. Míg keverékeket kapunk, amikor két vagy több alkén képződhet, Hofmann szabálya általában igaz azokra az eliminációkra, amelyekben kvaterner ionok vesznek részt. A szulfoniumionok hasonló eredményeket adnak:
a Hofmann-szabály emlékeztet egy másik szabályra, amelyet a kapcsolat a megszüntetéssel, a saytzeff-szabály. Ez a semleges vegyületek, például az alkil-halogenidek dehidrohalogénezésére és az alkoholok dehidratálására vonatkozik. A Saytzeff-szabály kimondja, hogy az elimináció során a semleges vegyületek a lehető legjobban szubsztituált etilén túlsúlyát adják.
Ez nem mindig lehetséges megjósolni a Hofmann megszüntetése annak ellenére, hogy az általános prognózis a Hofmann Szabály. Bizonyos esetekben azonban könnyebb megjósolni, mint másokban. Például, nem lepődünk meg a következő eredményen, amikor egy hidrogén a-az aromás gyűrűvel szomszédos szén versenyez az eliminációs folyamatban egy hidrogénatommal egy a-n. – szén tovább távolítva az aromás gyűrűből:
figyelembe kell venni a hidrogén savasságát az ACL-szénatomon, amely a szomszédos benzolgyűrű rezonanciahatása miatt a benzil-szénatomon savasabb. Ez dominál az alkilcsoportban működő induktív hatás felett. Figyelembe kell vennünk azokat a szterikus helyzeteket is, amelyek konkrét esetekben szerezhetők be. Például a fenil-dihidrotebain két izomer bomlásterméket ad, amelyek egy további Hofmann-szekvencia után ugyanazt a nitrogénmentes terméket adják.
eddig az alifás aminokról beszéltünk. Kissé eltérő képet kapunk a heterociklusos aminokban, amelyekben a nitrogénatom egy gyűrű részét képezi, bár a kimerítő metilezési és eliminációs lépések elvileg azonosak. Ha egy amino-nitrogénatom egy gyűrűben van, akkor nem lehet primer amin, mivel legalább két kötése kötődik a szénhez, így legfeljebb csak egy kötés lehet hidrogénnel. Példázzuk meg, mi történik a másodlagos amin piperidinben:
hasonlítsuk össze a fenti sorrendben a reakciók, hogy egy aciklikus szekunder amin, amely öt szénatommal, ugyanaz a száma, mint a piperidine, pl.
a C5 szekunder aminok mindkét reakciójában (valójában nem lehetnek izomer mivel a szükségszerű gyűrűvegyületnek két hidrogénatommal kevesebbnek kell lennie, mint az alifás vegyület), két mól metil-jodidot fogyasztanak a kvaterner jodid szakasz elérése előtt. Mindkét sorozatban a jodidok kvaterner hidroxidokká alakulnak, és ezek lebomlanak. De vegye figyelembe, hogy az alifás sorozatban nitrogénmentes, C4 olefint kapunk, és trimetilamint és vizet extrudálunk a prekurzor molekulából. A heterociklusos sorozatban azonban csak a víz képződik a hidrogénatom eliminációjával az a-n-szénatom nitrogénhez viszonyítva, de a nitrogén továbbra is a molekulában marad.
a nitrogénmentes vegyület előállításához meg kell ismételnünk mind a kimerítő metilezési, mind az eliminációs lépéseket. Ebben a szakaszban, mivel tercier aminunk van, egy mól metil-jodid elegendő a kvaterner halogenid előállításához, végül nitrogénmentes termékként 1,4-pentadiént kapunk, amelyet ezúttal trimetilamin és víz kísér.
így elég könnyű megmondani, hogy egy amino nitrogénatom szerves szerkezetű gyűrű részét képezi.
Ha egy tercier amino-nitrogén egy gyűrű részét képezi, akkor Analóg esetünk van a piperidinével. Az egyik Hofmann-szekvencia csak egy mól metil-jodid használatát foglalja magában, mivel az amin tercier, de a termék még mindig tartalmaz nitrogént:
ha szükséges a nitrogén eltávolítása a termékből, meg kell ismételni a Hofmann szekvenciát. Itt ismét csak egy mól metil-jodid szükséges.
a Hofmann kimerítő metilezési és degradációs reakcióját széles körben alkalmazták alkaloidok szerkezeti vizsgálataiban, amelyekben a nitrogén redukált gyűrű (például piperidin) vagy részlegesen redukált gyűrű részét képezi, de haszontalan olyan alkaloidok vizsgálatában, amelyekben a nitrogén magasabb oxidációs szinten gyűrű részét képezi. Nem sikerül például a piridinben, a kinolinban és az izokinolinban, valamint az alkaloidokban, amelyek ezeket a megfelelő magokat tartalmazzák, az ilyen magokból származó nitrogén extrudálása tekintetében.
ezek az alapanyagok mind tercier aminok, így piridinium, kinolinium és izokinolinium kvaterner sók, ezek hidroxidokká alakíthatók, de nyilvánvaló szerkezeti okokból a Hofmann elimináció nem fordulhat elő.
a kvaterner ammóniumvegyületeket néha bázikus katalizátorként használják különböző szerves reakciókban. Benzil-trimetil-ammónium-hidroxidpéldául gyakran használták erős bázikus katalizátorként a Michael-kondenzációban.