Aminen können an E2-Reaktionen zur Bildung von Alkenen teilnehmen. Wie die OH-Gruppe der Alkohole ist jedoch auch die NH2-Gruppe oder jede andere Aminogruppe eine ziemlich starke Base und muss zunächst in eine gute Abgangsgruppe umgewandelt werden.
Dies wird durch Methylierung des Stickstoffs mit einem Überschuss an Methyljodid erreicht. Das Produkt dieser Reaktion ist ein quartäres Ammoniumsalz, das eine gute Abgangsgruppe in Form eines neutralen Amins darstellt:
Die E2-Eliminierung, die zu einem Alken führt, wird mit einem Hydroxidion durchgeführt, das in situ gebildet wird, wenn das Substrat mit Ag2O erhitzt wird:
Dies wird Hofmann-Eliminierungsreaktion genannt. Dies sollte dich an die Zaitsev- und Hofmaan-Eliminierungsregeln erinnern, und wir werden dazu kommen, nachdem wir die Schritte der Eliminierung durchgesprochen haben.
So, lass uns hier anhalten, um ein paar wichtige Fragen zu beantworten.
Erstens, warum verwendet man nicht einfach ein Hydroxid anstelle von Ag2O und woher kommt das Hydroxid eigentlich, wenn man Ag2O hinzufügt?
Das Argument dafür, dass man nicht direkt ein Hydroxid hinzufügt, kann die Tatsache sein, dass Iodid, das in der fünften Reihe des Periodensystems steht, ein großes Ion ist und seine negative Ladung den Zugang des Hydroxidions blockiert. Außerdem ist Iodid keine gute Base und kann die E2-Eliminierung nicht durchführen.
Nun, woher kommt das OH und wie kommt es, dass es, wenn es in situ gebildet wird, die E2 durchführen kann? Erinnern Sie sich daran, dass Silber eine hohe Affinität zu Halogenid-Ionen hat und ihre Ausfällungen zu den bekanntesten gehören, die wir in der allgemeinen Chemie lernen. Das Silberoxid fängt also das Iodid ein und bildet einen schönen Niederschlag, wobei das Gegenion des quaternären Ammoniumsalzes durch ein Hydroxid ersetzt wird.
Danach kann das Hydroxid-Ion, das sich in der Nähe der β-Wasserstoffe befindet, die E2-Eliminierung durchführen:
Erinnern Sie sich, dass die E2-Eliminierung das stärker substituierte Alken begünstigt, wenn eine nicht gehinderte Base verwendet wird:
Dies ist als Zaitsev-Regel bekannt, die durch die Stabilität des stärker substituierten Alkens erklärt wird. Interessant ist nun, dass die Regioselektivität der Eliminierung des quaternären Ammoniumsalzes einem anderen Weg folgt und das weniger substituierte Alken das Hauptprodukt ist.
Bei der Eliminierung von 2-Aminopentan entsteht zum Beispiel 1-Penten als Hauptprodukt:
Das sieht kontraintuitiv aus, aber die gute Nachricht ist, dass wir sowohl das elektronische als auch das sterische Argument verwenden können, um diese Regiochemie zu erklären.
Das elektronische Argument
Lassen Sie uns mit der Elektronik beginnen. Was wir zunächst wissen müssen, ist, dass die Aminogruppe des quartären Ammoniumsalzes keine hervorragende Abgangsgruppe ist. Sie ist zum Beispiel eine schlechtere Abgangsgruppe als Chlorid, Bromid und Jodid. Wenn also die OH-Gruppe den β-Wasserstoff angreift, wird die Aminogruppe nicht genau zu dem Zeitpunkt abgespalten, zu dem die Doppelbindung gebildet wird, wie wir es vom traditionellen E2-Mechanismus kennen. Stattdessen befindet sich die Aminogruppe noch immer an ihrem Platz, wenn die C-H-Bindung gebrochen wird, und daher verbleibt das einsame Paar auf dem Kohlenstoff, anstatt eine neue π-Bindung zu bilden:
Wenn wir nun diesen Prozess an den stärker substituierten und den weniger stark substituierten Kohlenstoffen vergleichen, können wir sehen, dass der weniger stark substituierte Kohlenstoff bevorzugt eine partielle negative Ladung trägt. Zur Erinnerung: weniger substituierte Carbanionen sind stabiler.
Daher wird der Wasserstoff vom weniger substituierten β-Kohlenstoff entfernt, um den stabileren carbanionartigen Übergangszustand zu bilden, der zum Hofmann-Produkt führt.
Das sterische Argument
Um diese Erklärung zu verstehen, erinnern wir uns zunächst daran, dass die E2-Eliminierung eine antiperiplanare Anordnung der Abgangsgruppe und des β-Wasserstoffs erfordert:
Lassen Sie uns nun die Energien der Konformationen vergleichen, wenn entweder die β-Wasserstoffe der stärker oder der schwächer substituierten Kohlenstoffe um 180o zur Ammoniumgruppe ausgerichtet sind.
Die Geometrie, die für die Eliminierung unter Beteiligung der stärker substituierten β-Position geeignet ist, ist mit einer Gauche-Wechselwirkung verbunden, wenn der β-Wasserstoff am stärker substituierten Kohlenstoff gegenüber der Abgangsgruppe angeordnet ist.
Andererseits kann jedes der Protonen der Methylgruppe die ungünstige Gauche-Wechselwirkung vermeiden und senkt den Übergangszustand für die Bildung des weniger substituierten Alkens:
Schließlich ist es erwähnenswert, dass dieses regiochemische Ergebnis auch bei der Eliminierung von Alkylfluoriden beobachtet wird. Das Fluorid ist eine schlechte Abgangsgruppe und begünstigt das Hofmann-Eliminierungsprodukt, unabhängig davon, ob eine gehinderte oder ungehinderte Base verwendet wird: