reakcja metylacji i degradacji Hofmanna
reakcja ta nazywana jest również reakcją eliminacji Hofmanna. Został on bardzo dobrze wykorzystany w oznaczaniu struktury związków organicznych, które zawierają amino atom azotu. Został on zastosowany do badania struktury wielu złożonych Amin naturalnych, takich jak alkaloidy, po docenieniu jego użyteczności.
Sekwencja reakcji wykorzystuje fakt, że większość czwartorzędowych wodorotlenków amonowych rozkłada się podczas ogrzewania, dając trzeciorzędową aminę, olefinę i wodę. Oczywiście związek taki jak wodorotlenek tetrametyloamonu nie może dać olefiny ze względu na strukturalny charakter grup przyłączonych do azotu. Takie wodorotlenki muszą rozkładać się, dając alkohol, a nie olefinę i wodę.
jednak, jeśli do atomu azotu jest przyłączony co najmniej jeden łańcuch dwa atomy węgla, a jeśli na β-węglu jest co najmniej jeden atom wodoru (w odniesieniu do azotu), olefina i woda towarzyszą trzeciorzędowej aminie, gdy czwartorzędowy wodorotlenek amonu jest rozkładany przez ogrzewanie.
dokładne badanie mechanizmu reakcji degradacji Hofmanna wykazało, że jest to przykład β-eliminacji wodoru. Gatunkiem atakującym jest Jon hydroksylowy, który z pewnością jest dostępny w czwartorzędowych wodorotlenkach amonowych; usuwa to atom wodoru na węglu, który znajduje się w pozycji β względem czwartorzędowego atomu azotu. Dodatni ładunek azotu jest siłą napędową reakcji. Jak widać, elektrony poruszają się w kierunku dodatnio naładowanego atomu azotu.
Jeśli na β-węglu nie ma atomu wodoru, reakcja musi przyjąć inny przebieg pokazany powyżej, a alkohol towarzyszy trzeciorzędowej aminie jako produkt reakcji.
degradacja jest tylko pierwszym etapem strukturalnego wyjaśnienia wielu związków. Pierwszym etapem jest metylacja azotu w aminie, której strukturę chcemy określić i ta metylacja jest przeprowadzana do ostatecznego możliwego etapu, a mianowicie do etapu czwartorzędowego halogenku amonu. Jest to powód użycia terminu metylacja wyczerpująca. Halogenek jest następnie przekształcany w czwartorzędowy wodorotlenek amonu, a ten ulega degradacji (gdy jest to strukturalnie możliwe) w etapie eliminacji Hofmanna, o którym właśnie rozmawialiśmy.
jodek metylu jest odczynnikiem z wyboru na wyczerpującym etapie metylacji sekwencji. W razie potrzeby reakcję można przeprowadzić z analityczną precyzją i po jej przeprowadzeniu można rozróżnić, czy mamy do czynienia z aminą pierwszorzędową, aminą drugorzędową czy aminą trzeciorzędową.
Amina pierwszorzędowa „pochłonie” trzy Mole jodku metylu przed osiągnięciem etapu czwartorzędowego halogenku amonu:
Amina wtórna wymaga dwóch moli jodku metylu, a Amina trzeciorzędowa wymaga tylko jednego mola jodku metylu, aby osiągnąć Stadium czwartorzędowej soli.
przyjrzyjmy się kilku przykładom, w których różne typy Amin podlegają reakcji metylacji i eliminacji Hofmanna. Pierwszym etapem jest metylacja, drugim jest konwersja czwartorzędowego jodku do czwartorzędowego wodorotlenku, a następnie termiczny rozkład wodorotlenku.
teraz widzimy w ostatnim przykładzie, że istnieją dwa atomy węgla β w odniesieniu do azotu; jeden zawiera dwa atomy wodoru, pozostałe trzy.
można napisać eliminację atomu wodoru z węgla metylowego:
to prowadziłoby do 1-butenu, a nie do izomeryczny 2-buten. Z doświadczenia wiemy, że najmniej podstawiony etylen jest otrzymywany jako produkt dominujący w eliminacji Hofmanna. Wydajność powyższych produktów jest pokazana w ogólnej reakcji:
ten typ ogólnego wyniku został podany w regule Hofmanna który stwierdza, że czwartorzędowe jony dadzą po eliminacji głównie najmniej podstawiony etylen. Podczas gdy otrzymujemy mieszaniny, gdy mogą powstać dwa lub więcej alkenów, zasada Hofmanna zasadniczo odnosi się do eliminacji, w których biorą udział jony czwartorzędowe. Jony sulfoniowe dają podobne rezultaty:
reguła Hofmanna przypomina inną regułę określoną w związek z eliminacją, zasada saytzeffa. Dotyczy to eliminacji związków obojętnych, takich jak dehydrohalogenacja halogenków alkilowych i odwodnienie alkoholi. Zasada Saytzeffa mówi, że związki obojętne po eliminacji dają przewagę najbardziej podstawionego etylenu.
nie zawsze można przewidzieć przebieg eliminacji Hofmanna pomimo ogólnych prognoz za panowania Hofmanna. Jednak w niektórych przypadkach łatwiej jest przewidzieć niż w innych. Na przykład, nie dziwi nas następujący wynik, w którym Wodór na β-węglu przylegającym do pierścienia aromatycznego konkuruje w procesie eliminacji z atomem wodoru na β-węglu dalej usuniętym z pierścienia aromatycznego:
mniej niż 1% wydajności etylenu i 93% wydajności etylenu otrzymuje się styren. To oczywiste lekceważenie reguły Hofmanna. Oczywiście, styren jest bardziej podstawionym etylenem w porównaniu do samego etylenu.
należy wziąć pod uwagę kwasowość wodoru na atomie węgla β i wyraźnie ten na atomie węgla benzylowego jest bardziej kwaśny ze względu na efekt rezonansowy sąsiedniego pierścienia benzenowego. Dominuje to nad działaniem indukcyjnym działającym w grupie alkilowej. Musimy również wziąć pod uwagę sytuacje steryczne, które uzyskują w szczególnych przypadkach. Na przykład fenylodihydrotebaina daje dwa izomeryczne produkty degradacji, które po dodatkowej sekwencji Hofmanna dają ten sam produkt wolny od azotu.
do tej pory omawialiśmy aminy alifatyczne. Nieco inny obraz uzyskuje się w aminach heterocyklicznych, w których atom azotu stanowi część pierścienia, chociaż wyczerpujące etapy metylacji i eliminacji są zasadniczo takie same. Jeśli ATOM amino azotu znajduje się w pierścieniu, nie może być pierwszorzędową aminą, ponieważ co najmniej dwa jego wiązania są związane z węglem, tak że co najwyżej jedno wiązanie może być związane z wodorem. Zobaczmy, co dzieje się w drugorzędowej aminowej piperydynie:
porównajmy powyższą sekwencję reakcji z sekwencją reakcji alifatyczna Amina wtórna zawierająca pięć atomów węgla, taką samą liczbę jak w piperydynie, np.
w obu reakcjach Amin wtórnych C5 (w rzeczywistości nie mogą być izomeryczny, ponieważ związek pierścieniowy z konieczności musi mieć o dwa atomy wodoru mniej niż związek alifatyczny), dwa Mole jodku metylu są zużywane przed osiągnięciem czwartorzędowego stadium jodku. W obu seriach jodki są przekształcane w czwartorzędowe wodorotlenki i te ulegają rozkładowi. Należy jednak zauważyć, że w serii alifatycznej a wolna od azotu, olefina C4 jest otrzymywana i trimetyloamina i woda są wytłaczane z cząsteczki prekursora. W serii heterocyklicznej powstaje jednak tylko woda poprzez eliminację atomu wodoru na atomie β-węgla w odniesieniu do azotu, ale azot nadal pozostaje w cząsteczce.
aby otrzymać związek wolny od azotu, musimy powtórzyć zarówno wyczerpujące etapy metylacji, jak i eliminacji. Na tym etapie, ponieważ mamy trzeciorzędową aminę, do wytworzenia czwartorzędowego halogenku wystarcza jeden mol jodku metylu, a ostatecznie 1,4-pentadien otrzymuje się jako produkt wolny od azotu, któremu tym razem towarzyszy trimetyloamina i woda.
w ten sposób łatwo jest stwierdzić, czy atom azotu amino tworzy część pierścienia w strukturze organicznej.
Jeśli trzeciorzędowy Amino-azot tworzy część pierścienia, mamy analogiczny przypadek do piperydyny. Jedna sekwencja Hofmanna polega na użyciu tylko jednego mola jodku metylu, ponieważ Amina jest trzeciorzędowa, ale produkt nadal zawiera azot:
jeśli zachodzi potrzeba usunięcia azotu z produktu, należy powtórzyć sekwencję Hofmanna. Tutaj ponownie potrzebny jest tylko jeden mol jodku metylu.
wyczerpująca reakcja metylacji i degradacji Hofmanna była szeroko stosowana w badaniach strukturalnych alkaloidów, w których azot stanowi część zredukowanego pierścienia (takiego jak piperydyna) lub częściowo zredukowanego pierścienia, ale jest bezużyteczna w badaniach alkaloidów, w których azot stanowi część pierścienia na wyższym poziomie utleniania. Zawodzi, na przykład, w pirydynie, chinolinie i izochinolinie oraz w alkaloidach, które zawierają te odpowiednie jądra w odniesieniu do wytłaczania azotu z takich jąder.
wszystkie te substancje macierzyste są aminami trzeciorzędowymi, dają sole pirydyniowe, chinolinowe i izochinolinowe czwartorzędowe są przekształcalne w ich wodorotlenki, ale z oczywistych względów strukturalnych eliminacja Hofmanna nie może wystąpić.
czwartorzędowe związki amoniowe są czasami stosowane jako podstawowe katalizatory w różnych reakcjach organicznych. Na przykład wodorotlenek benzylotrimetylo-amonowy był często stosowany jako silny zasadowy katalizator w kondensacji Michaela.
takie związki były również stosowane jako środki alkilujące. Na przykład możliwe jest alkilowanie grupy fenolowej morfiny, aby uzyskać wysoką wydajność kodeiny, przy użyciu etoksydatu fenylotrimetylo-amonowego. Inne odczynniki, takie jak siarczan dimetylu lub jodek metylu w połączeniu z zasadą, jeśli zostaną użyte do tego samego alkilowania, spowodowałyby czwartorzędowy atom azotu w morfinie i zmniejszyłyby wydajność kodeiny.
