Amines kunnen deelnemen aan E2 reacties om alkenen te vormen. Net als de OH-groep van alcoholen is de NH2-groep, of een andere aminogroep, echter een vrij sterke base en moet eerst worden omgezet in een goede vertrekkende groep.
Dit wordt bereikt door methylering van de stikstof met een overmaat methyljodide. Het product van deze reactie is een quaternair ammoniumzout dat een goede vertrekkende groep is in de vorm van een neutraal amine:
De E2-eliminatie die leidt tot een alkeen wordt bereikt met een hydroxide-ion dat in situ wordt gevormd wanneer het substraat wordt verhit met Ag2O:
Dit wordt de Hofmann-eliminatiereactie genoemd. Dit zou u moeten herinneren aan de Zaitsev- en Hofmaan-eliminatieregels en daar komen we meteen op terug nadat we de stappen van de eliminatie hebben doorgenomen.
Dus, laten we hier stoppen om een paar belangrijke vragen te beantwoorden.
Ten eerste, waarom gebruiken we niet gewoon een hydroxide in plaats van Ag2O en waar komt het hydroxide eigenlijk vandaan als Ag2O wordt toegevoegd?
Het argument om niet direct een hydroxide toe te voegen kan zijn dat jodide, dat in de 5e rij van het periodiek systeem staat, een groot ion is en zijn negatieve lading blokkeert de toegang van het hydroxide-ion. Ook is jodide geen goede base en kan het de E2 eliminatie niet uitvoeren.
Nu, waar komt het OH vandaan en hoe komt het dat wanneer het ter plaatse gevormd wordt, het in staat is de E2 uit te voeren? Vergeet niet dat zilver een hoge affiniteit heeft voor halide-ionen en hun precipitaten zijn enkele van de beroemde die we leren in de algemene scheikunde. Dus, het zilveroxide vangt het jodide en vormt een mooi neerslag en vervangt het tegenion van het quaternaire ammoniumzout door een hydroxide.
Hierna kan het hydroxide-ion, dat zich naast de β-hydrogenen bevindt, de E2-eliminatie uitvoeren:
Houd in gedachten dat de E2-eliminatie het meer gesubstitueerde alkeen bevoordeelt wanneer een niet-gehinderde base wordt gebruikt:
Dit staat bekend als de regel van Zaitsev, die wordt verklaard door de stabiliteit van het meer gesubstitueerde alkeen. Nu is het interessant dat de regioselectiviteit van de eliminatie van quaternaire ammoniumzouten een andere weg volgt en dat het minder gesubstitueerde alkeen het belangrijkste product is.
Bij de eliminatie van 2-aminopentaan ontstaat bijvoorbeeld 1-penteen als hoofdproduct:
Dit lijkt contra-intuïtief, maar het goede nieuws is dat we zowel het elektronische als het sterische argument kunnen gebruiken om deze regiochemie te verklaren.
Het elektronische argument
Laten we beginnen met de elektronica. Wat we eerst moeten weten is dat de aminogroep van het quaternaire ammoniumzout geen uitstekende vertrekkende groep is. Het is bijvoorbeeld een slechtere afscheidende groep dan chloride, bromide, en jodide. Dus als het OH de β waterstof aanvalt, wordt de aminogroep niet precies op het moment dat de dubbele binding wordt gevormd losgelaten, wat we kennen van het traditionele E2 mechanisme. In plaats daarvan is de aminogroep nog steeds op zijn plaats wanneer de C-H binding wordt verbroken en daarom blijft het lone pair op de koolstof in plaats van een nieuwe π binding te maken:
Nu, als we dit proces vergelijken op de meer gesubstitueerde en de minder gesubstitueerde koolstoffen, kunnen we de voorkeur zien van het plaatsen van een gedeeltelijke negatieve lading op de minder gesubstitueerde koolstof. Vergeet niet dat minder gesubstitueerde carbanionen stabieler zijn.
Daarom wordt de waterstof verwijderd van de minder gesubstitueerde β-koolstof om de stabielere carbanionachtige overgangstoestand te vormen die leidt tot het Hofmann-product.
Het Sterische Argument
Om deze verklaring te begrijpen, moeten we ons eerst herinneren dat E2 eliminatie een antiperiplanaire opstelling van de vertrekkende groep en β waterstof vereist:
Nu vergelijken we de energieën van de conformatie wanneer de β-hydrogenen van de meer of de minder gesubstitueerde koolstof 180o ten opzichte van de ammoniumgroep zijn uitgericht.
De geometrie die geschikt is voor de eliminatie waarbij de meer gesubstitueerde β-positie betrokken is, wordt geassocieerd met een gauche-interactie wanneer de β-hydrogeen op de meer gesubstitueerde koolstof tegenover de vertrekkende groep wordt geplaatst.
Aan de andere kant maakt elk van de protonen van de methylgroep het mogelijk om de ongunstige gauche interactie te vermijden en verlaagt de overgangstoestand voor de vorming van het minder gesubstitueerde alkeen:
Ten slotte is het vermeldenswaard dat dit regiochemische resultaat ook wordt waargenomen bij de eliminatie van alkylfluoriden. Het fluoride is een slechte vertrekkende groep en begunstigt het Hofmann eliminatieproduct, ongeacht of een gehinderde of ongehinderde base wordt gebruikt: