reacția exhaustivă de metilare și degradare Hofmann
această reacție se mai numește și reacția de eliminare Hofmann. Acesta a fost folosit o afacere bună în determinarea structurii compușilor organici care conțin un atom de azot amino. A fost aplicată la investigarea structurii multor Amine naturale complexe, cum ar fi alcaloizii, după ce utilitatea sa a fost apreciată.
secvența de reacție exploatează faptul că majoritatea hidroxizilor de amoniu cuaternari se descompun la încălzire pentru a da o amină terțiară, o olefină și apă. Desigur, un compus precum hidroxidul de tetrametilamoniu nu poate da o olefină din cauza naturii structurale a grupărilor atașate la azot. Astfel de hidroxizi trebuie să se descompună pentru a da un alcool mai degrabă decât o olefină și apă.
cu toate acestea, dacă există atașat la atomul de azot cel puțin un lanț de doi atomi de carbon și, dacă există cel puțin un atom de hidrogen pe carbonul-carbon (în ceea ce privește azotul), o olefină și apă vor însoți o amină terțiară atunci când hidroxidul de amoniu cuaternar este descompus prin încălzire.
o investigație amănunțită a mecanismului reacției de degradare Hofmann a arătat că această este un exemplu de eliminare a hidrogenului de la o sută la sută. Specia atacantă este un ion hidroxil care este cu siguranță disponibil în hidroxizi de amoniu cuaternari; acest lucru elimină un atom de hidrogen pe carbonul care se află în poziția XV în raport cu atomul de azot cuaternar. Sarcina pozitivă asupra azotului este forța motrice a reacției. După cum se poate observa, electronii se mișcă în direcția atomului de azot încărcat pozitiv.
în cazul în care nu există nici un atom de hidrogen pe carbonul-trebuie să urmeze cursul diferit prezentat mai sus și un alcool însoțește Amina terțiară ca produs de reacție.degradarea este doar primul pas în elucidarea structurală a multor compuși. Prima etapă este metilarea azotului într-o amină a cărei structură dorim să o determinăm și această metilare se realizează până la stadiul final posibil, și anume la stadiul halogenurii de amoniu cuaternar. Acesta este motivul utilizării termenului de metilare exhaustivă. Halogenura este apoi transformată în hidroxid de amoniu cuaternar și acest lucru este degradat (atunci când este posibil din punct de vedere structural) în etapa de eliminare Hofmann despre care tocmai am discutat.
iodura de metil este reactivul de alegere în etapa exhaustivă de metilare a secvenței. Dacă se dorește, reacția poate fi efectuată cu precizie analitică și atunci când se face acest lucru este posibil să se distingă dacă avem de-a face cu o amină primară, o amină secundară sau o amină terțiară.
o amină primară va „consuma” trei moli de iodură de metil înainte de atingerea stadiului cuaternar de halogenură de amoniu:
o amină secundară necesită doi moli de iodură de metil, iar o amină terțiară necesită doar un mol de iodură de metil pentru a ajunge în stadiul sării cuaternare.
Să analizăm câteva exemple în care diferite tipuri de amine suferă reacția exhaustivă de metilare și eliminare Hofmann. Prima etapă este metilarea, a doua este conversia iodurii cuaternare în hidroxidul cuaternar urmată de descompunerea termică a hidroxidului.
acum, vedem în ultimul exemplu că există doi atomi de în ceea ce privește azotul; unul poartă doi atomi de hidrogen, ceilalți trei.
este posibil să se scrie o eliminare a unui atom de hidrogen din carbonul metil:
Acest lucru ar duce la 1-butenă, mai degrabă decât la 2-butenă izomerică. Știm din experiență că etilena cel mai puțin substituită este obținută ca produs predominant într-o eliminare Hofmann. Randamentele produselor de mai sus sunt prezentate în reacția generală:
acest tip de rezultat general a fost enunțat în regulă care afirmă că ionii cuaternari vor da la eliminare predominant etilena cel mai puțin substituită posibil. În timp ce obținem amestecuri atunci când se pot forma două sau mai multe alchene, regula lui Hofmann este valabilă în general pentru eliminările în care sunt implicați ioni cuaternari. Ionii de sulfoniu dau rezultate similare:
regula Hofmann amintește de o altă regulă enunțată în legătura cu eliminarea, regula saytzeff. Aceasta se referă la eliminările din compuși neutri, cum ar fi dehidrohalogenarea halogenurilor de alchil și deshidratarea alcoolilor. Regula Saytzeff afirmă că compușii neutri la eliminare dau o predominanță a celei mai substituite etilene posibile.
nu este întotdeauna posibil să se prevadă cursul unui Hofmann eliminare în ciuda prognosticului general prin regula Hofmann. Cu toate acestea, este mai ușor de prezis în unele cazuri decât în altele. De exemplu, nu suntem surprinși de următorul rezultat în cazul în care un hidrogen pe un carbon de la sută adiacent unui inel aromatic concurează în procesul de eliminare cu un atom de hidrogen pe un carbon de la sută îndepărtat în continuare din inelul aromatic:
Mai puțin de 1% randament de etilenă și un randament de 93% se obține stiren. Acum, aceasta este o aparentă desconsiderare a regulii Hofmann. În mod clar, stirenul este o etilenă mai substituită în comparație cu etilena în sine.
trebuie luată în considerare aciditatea hidrogenului pe atomul de carbon de la X-X și în mod clar cea de pe un atom de carbon benzilic este mai acidă datorită efectului de rezonanță al inelului benzenic vecin. Aceasta predomină asupra efectului inductiv care este operativ într-o grupare alchil. De asemenea, trebuie să luăm în considerare situațiile sterice care se obțin în cazuri specifice. De exemplu, fenildihidrotebaina dă doi produși de degradare izomerici care, după o secvență suplimentară Hofmann, dau același produs fără azot.
am discutat până acum despre aminele alifatice. O imagine ușor diferită se obține în aminele heterociclice în care atomul de azot face parte dintr-un inel, deși etapele exhaustive de metilare și eliminare sunt, în principiu, aceleași. Dacă un atom de azot amino se află într-un inel, acesta nu poate fi o amină primară, deoarece cel puțin două dintre legăturile sale sunt legate de carbon, astfel încât cel mult o singură legătură poate fi de hidrogen. Să exemplificăm ce se întâmplă în Amina secundară piperidină:
să comparăm secvența de reacții de mai sus cu cea a unui amină secundară alifatică care conține cinci atomi de carbon, același număr ca în piperidină, de ex.
în ambele reacții ale aminelor secundare C5 (ele nu pot fi deoarece compusul inelar de necesitate trebuie să aibă doi atomi de hidrogen mai puțin decât compusul alifatic), se consumă doi moli de iodură de metil înainte de atingerea stadiului de iodură cuaternară. În ambele serii iodurile sunt transformate în hidroxizi cuaternari și acestea sunt descompuse. Dar rețineți că în seria alifatică a fără azot, se obține olefina C4, iar trimetilamina și apa sunt extrudate din molecula precursoare. Cu toate acestea, în seria heterociclică, numai apa se formează prin eliminarea unui atom de hidrogen pe atomul de carbon de la oxiclic în raport cu azotul, dar azotul rămâne în moleculă.
pentru a obține un compus fără azot trebuie să repetăm atât etapele exhaustive de metilare, cât și cele de eliminare. În acest stadiu, deoarece avem o amină terțiară, un mol de iodură de metil este suficient pentru prepararea halogenurii cuaternare și în final se obține 1,4-pentadienă ca produs fără azot, însoțit de această dată de trimetilamină și apă.
astfel, este destul de ușor de spus dacă este sau nu un atom de azot amino face parte dintr-un inel într-o structură organică.
dacă un amino azot terțiar face parte dintr-un inel, avem un caz analog cu cel al piperidinei. O secvență Hofmann implică utilizarea unui singur mol de iodură de metil, deoarece Amina este terțiară, dar produsul conține încă azot:
dacă se dorește îndepărtarea azotului din produs, este necesară repetarea secvenței Hofmann. Aici, din nou, este necesar doar un mol de iodură de metil.reacția exhaustivă de metilare și degradare Hofmann a fost utilizată pe scară largă în studiile structurale ale alcaloizilor în care azotul face parte dintr-un inel redus (cum ar fi piperidina) sau un inel parțial redus, dar este inutil în studiul alcaloizilor în care azotul face parte dintr-un inel la un nivel de oxidare mai ridicat. Nu reușește, de exemplu, în piridină, chinolină și izochinolină și în alcaloizi care conțin aceste nuclee respective în ceea ce privește extrudarea azotului din astfel de nuclee.
toate aceste substanțe părinte sunt Amine terțiare, ele dau sărurile cuaternare de piridiniu, chinoliniu și izochinoliniu, acestea sunt convertibile în hidroxizii lor, dar din motive structurale evidente, eliminarea Hofmann nu poate avea loc.
compușii cuaternari de amoniu sunt uneori utilizați ca catalizatori de bază în diferite reacții organice. Hidroxidul de benziltrimetil-amoniu, de exemplu, a fost adesea folosit ca un catalizator de bază puternic în condensarea Michael.
astfel de compuși au fost, de asemenea, utilizați ca agenți de alchilare. De exemplu, este posibilă alchilarea grupării fenolice a morfinei pentru a da codeină în randamente ridicate, prin utilizarea etoxidului de feniltrimetil-amoniu. Alți reactivi, cum ar fi sulfatul de dimetil sau iodura de metil în combinație cu o bază, dacă sunt utilizați pentru aceeași alchilare, ar provoca cuaternizarea atomului de azot terțiar în morfină și ar reduce randamentul codeinei.
