Hofmann uttömmande Metylerings-och nedbrytningsreaktion
denna reaktion kallas också Hofmann elimineringsreaktion. Det har använts en hel del vid bestämning av strukturen hos organiska föreningar som innehåller en aminokväveatom. Det tillämpades på undersökningen av strukturen hos många komplexa naturliga aminer, såsom alkaloider, efter att dess användbarhet uppskattades.
reaktionssekvensen utnyttjar det faktum att de flesta kvartära ammoniumhydroxider sönderdelas vid uppvärmning för att ge en tertiär amin, en olefin och vatten. Naturligtvis kan en förening som tetrametylammoniumhydroxid inte ge en olefin på grund av den strukturella karaktären hos grupperna som är fästa vid kväve. Sådana hydroxider måste sönderdelas för att ge en alkohol snarare än en olefin och vatten.
om det emellertid är fäst vid kväveatomen åtminstone en kedja av två kolatomer, och om det finns minst en väteatom på AHC-kolet (med avseende på kväve), kommer en olefin och vatten att åtfölja en tertiär amin när den kvartära ammoniumhydroxiden sönderdelas genom uppvärmning.
en grundlig undersökning av mekanismen för Hofmann-nedbrytningsreaktionen har visat att denna är ett exempel på en bisexuell-eliminering av väte. Den attackerande arten är en hydroxyljon som säkert är tillgänglig i kvartära ammoniumhydroxider; detta tar bort en väteatom på kolet som är i en position i förhållande till den kvartära kväveatomen. Den positiva laddningen på kväve är drivkraften för reaktionen. Som kan ses rör sig elektronerna i riktning mot den positivt laddade kväveatomen.
om det inte finns någon väteatom på måste ta den olika kursen som visas ovan och en alkohol åtföljer den tertiära aminen som en reaktionsprodukt.
nedbrytningen är bara det första steget i strukturell belysning av många föreningar. Det första steget är metylering av kvävet i en amin vars struktur vi vill bestämma och denna metylering utförs till det ultimata steget möjligt, nämligen till scenen för den kvartära ammoniumhalogeniden. Detta är anledningen till användningen av termen uttömmande metylering. Halogeniden omvandlas sedan till den kvartära ammoniumhydroxiden och detta bryts ned (när det är strukturellt möjligt) i Hofmann-elimineringssteget som vi just har diskuterat.
Metylodid är det reagens som valts i sekvensens uttömmande metyleringssteg. Om så önskas kan reaktionen utföras med analytisk precision och när detta är gjort är det möjligt att skilja om vi har att göra med en primär amin, en sekundär amin eller en tertiär amin.
en primär amin kommer att” konsumera ” tre mol metylodid innan det kvartära ammoniumhalogenidstadiet uppnås:
en sekundär amin kräver två mol metylodid och en tertiär amin kräver endast en mol metylodid för att nå det kvartära saltets Stadium.
låt oss titta på flera exempel där olika typer av aminer genomgår Hofmanns uttömmande metylerings-och elimineringsreaktion. Det första steget är metylering, det andra är omvandling av den kvartära jodiden till den kvartära hydroxiden följt av termisk sönderdelning av hydroxiden.
Nu ser vi i det sista exemplet att det finns två respekt för kvävet; en bär två väteatomer, de andra tre.
det är möjligt att skriva en eliminering av en väteatom från metylkolet:
detta skulle leda till 1-buten snarare än till isomer 2-buten. Vi vet av erfarenhet att den minst substituerade eten erhålls som den dominerande produkten vid en Hofmann-eliminering. Utbytet av ovanstående produkter visas i den totala reaktionen:
denna typ av allmänna resultat har formulerats i Hofmann regel som säger att kvartära joner kommer att ge vid eliminering övervägande den minst substituerade eten möjligt. Medan vi får blandningar när två eller flera alkener kan bildas, gäller Hofmanns regel i allmänhet för elimineringar där kvartära joner är involverade. Sulfonjoner ger liknande resultat:
Hofmann-regeln påminner om en annan regel som anges i anslutning med eliminering, saytzeff-regeln. Detta gäller elimineringar från neutrala föreningar såsom dehydrohalogenering av alkylhalogenider och dehydrering av alkoholer. Saytzeff-regeln säger att neutrala föreningar vid eliminering ger en övervägande av den mest substituerade eten som är möjlig.
det är inte alltid möjligt att förutsäga förloppet för en Hofmann eliminering trots den allmänna prognosen enligt Hofmann-regeln. Det är dock lättare att förutsäga i vissa fall än i andra. Till exempel är vi inte förvånade över följande resultat där ett väte på ett ozi-kol intill en aromatisk ring konkurrerar i elimineringsprocessen med en väteatom på ett ozi-kol som vidare avlägsnas från den aromatiska ringen:
mindre än 1% utbyte av eten och 93% utbyte av styren erhålles. Detta är ett uppenbart åsidosättande av Hofmann-regeln. Det är uppenbart att styren är en mer substituerad eten jämfört med eten i sig.
väteets surhet i den kubanska kolatomen måste beaktas och klart är att den på en bensylisk kolatom är mer sur på grund av resonanseffekten hos den angränsande bensenringen. Detta dominerar över den induktiva effekten som är operativ i en alkylgrupp. Vi måste också överväga steriska situationer som får i specifika fall. Till exempel ger fenyldihydrotebain två isomera nedbrytningsprodukter som efter en ytterligare Hofmann-sekvens ger samma kvävefria produkt.
Vi har hittills diskuterat alifatiska aminer. En något annorlunda bild erhålls i heterocykliska aminer där kväveatomen utgör en del av en ring, om än de uttömmande metylerings-och elimineringsstegen är i princip desamma. Om en aminokväveatom är i en ring kan den inte vara en primär amin eftersom minst två av dess bindningar är bundna till KOL så att högst en bindning kan vara till väte. Låt oss exemplifiera vad som händer i sekundär aminpiperidin:
låt oss jämföra den föregående sekvensen av reaktioner med den för en alifatisk sekundär amin innehållande fem kolatomer, samma antal som i piperidin, t. ex.
i båda reaktionerna av C5 sekundära aminer (de kan faktiskt inte eftersom ringföreningen av nödvändighet måste ha två väteatomer mindre än den alifatiska föreningen) konsumeras två mol metylodid innan det kvartära jodidstadiet uppnås. I båda serierna omvandlas jodiderna till kvartära hydroxider och dessa sönderdelas. Men notera att i den alifatiska serien erhålls en kvävefri, C4-olefin och trimetylamin och vatten extruderas från prekursormolekylen. I den heterocykliska serien bildas emellertid endast vatten genom eliminering av en väteatom på Kazaki-kolatomen med avseende på kväve men kvävet kvarstår fortfarande i molekylen.
för att erhålla en kvävefri förening måste vi upprepa både de uttömmande metylerings-och elimineringsstegen. I detta skede, eftersom vi har en tertiär amin, räcker en mol metylodid för framställning av den kvartära halogeniden och slutligen erhålls 1,4-pentadien som den kvävefria produkten, åtföljd av denna tid av trimetylamin och vatten.
Således är det ganska lätt att berätta om en aminokväveatom eller inte utgör en del av en ring i en organisk struktur.
om ett tertiärt aminokväve utgör en del av en ring har vi ett analogt fall med piperidin. En Hofmann-sekvens innebär användning av endast en mol metylodid, eftersom aminen är tertiär men produkten fortfarande innehåller kväve:
om det är önskvärt att avlägsna kvävet från produkten är det nödvändigt att upprepa Hofmann-sekvensen. Här krävs endast en mol metylodid.
Hofmann uttömmande metylerings-och nedbrytningsreaktion har använts i stor utsträckning i strukturstudier av alkaloider där kvävet utgör en del av en reducerad ring (såsom piperidin) eller en delvis reducerad ring men är värdelös i studien av alkaloider där kvävet utgör en del av en ring vid en högre oxidationsnivå. Det misslyckas exempelvis i pyridin, kinolin och isokinolin och i alkaloider som innehåller dessa respektive kärnor med avseende på extrudering av kvävet från sådana kärnor.
alla dessa modersubstanser är tertiära aminer, de ger pyridinium -, kinolinium-och isokinoliniumkvaternära salter, dessa kan konverteras till sina hydroxider, men av uppenbara strukturella skäl kan Hofmann-eliminering inte ske.
kvartära ammoniumföreningar används ibland som basiska katalysatorer i olika organiska reaktioner. Bensyltrimetyl-ammoniumhydroxid, till exempel, har ofta använts som en stark basisk katalysator i Michael kondensation.
sådana föreningar har också använts som alkyleringsmedel. Det är till exempel möjligt att alkyla fenolgruppen morfin för att ge kodin i höga utbyten genom att använda fenyltrimetylammoniumetoxid. Andra reagenser såsom dimetylsulfat eller metylodid i kombination med en bas, om de används för samma alkylering, skulle orsaka kvaternisering av den tertiära kväveatomen i morfin och minska utbytet av kodin.
