Aminer kan delta i E2-reaktioner för att bilda alkener. Men precis som OH-gruppen i alkoholer är NH2, eller någon annan aminogrupp, en ganska stark bas och måste först omvandlas till en bra avgångsgrupp.
Detta uppnås genom metylering av kvävet med ett överskott av metyljodid. Produkten av denna reaktion är ett kvartärt ammoniumsalt som är en bra avgångsgrupp i form av en neutral amin:
Den E2-eliminering som leder till en alken åstadkoms med en hydroxidjon som bildas in situ när substratet upphettas med Ag2O:
Detta kallas Hofmann-eliminationsreaktionen. Detta borde påminna dig om Zaitsevs och Hofmaans elimineringsregler och vi kommer att komma till det direkt efter att vi gått igenom elimineringens steg.
Så, låt oss stanna här för att besvara ett par viktiga frågor.
För det första, varför inte bara använda en hydroxid i stället för Ag2O och varifrån kommer hydroxiden egentligen när Ag2O tillsätts?
Argumentet för att inte tillsätta en hydroxid direkt kan vara det faktum att jodid, som befinner sig i den femte raden i det periodiska systemet, är en stor jon och dess negativa laddning blockerar hydroxidjonens tillträde. Dessutom är jodid ingen bra bas och kan inte utföra E2-eliminering.
Nu, varifrån kommer OH-jonen och hur kommer det sig att när den bildas in situ kan den utföra E2? Kom ihåg att silver har en hög affinitet till halogenidjoner och deras utfällningar är några av de berömda vi lär oss i allmän kemi. Så silveroxiden fångar jodiden och bildar en fin utfällning och ersätter motjonen i det kvartära ammoniumsaltet med en hydroxid.
Efter detta kan hydroxidjonen, som befinner sig bredvid β-hydrogenerna, utföra E2-eliminering:
Håll dig i minnet att E2-eliminering gynnar den mer substituerade alkenen när en icke-hinderad bas används:
Detta är känt som Zaitsevs regel, som förklaras av stabiliteten hos den mer substituerade alkenen. Nu är det intressant att regioselektiviteten för eliminering av kvartära ammoniumsalter följer en annan väg och att den mindre substituerade alken är den viktigaste produkten.
Till exempel ger eliminering av 2-aminopentan 1-penten som huvudprodukt:
Detta ser kontraintuitivt ut, men den goda nyheten är att vi kan använda både det elektroniska och steriska argumentet för att förklara denna regiokemi.
Det elektroniska argumentet
Låt oss börja med elektroniken. Det vi först måste veta är att aminogruppen i det kvartära ammoniumsaltet inte är en utmärkt avgångsgrupp. Den är till exempel en sämre avgångsgrupp än klorid, bromid och jodid. Så när OH attackerar β-vätgasen stöts aminogruppen inte ut exakt samtidigt som dubbelbindningen bildas, vilket är vad vi vet om den traditionella E2-mekanismen. Istället är aminogruppen fortfarande på plats när C-H-bindningen bryts och därför sitter det ensamma paret kvar på kolet istället för att bilda en ny π-bindning:
Om vi nu jämför denna process som sker på de mer substituerade- och de mindre substituerade kolen, kan vi se preferensen att placera en delvis negativ laddning på det mindre substituerade kolet. Kom ihåg att mindre substituerade karbanjoner är mer stabila.
Därmed avlägsnas väte från det mindre substituerade β-kolet för att bilda det mer stabila karbanjonliknande övergångstillståndet som leder till Hofmannprodukten.
Det steriska argumentet
För att förstå denna förklaring bör man först påminna sig om att E2-eliminering kräver ett antiperiplanärt arrangemang av avgångsgruppen och β-väte:
Nu ska vi jämföra energierna för konformationerna när antingen β-vätetegenerna hos de mer eller mindre substituerade kolvätena är inriktade på 180o med ammoniumgruppen.
Den geometri som är lämplig för eliminering som involverar den mer substituerade β-positionen är förknippad med en gauche-interaktion när β-väte på det mer substituerade kolet är placerat mittemot avgångsgruppen.
Å andra sidan gör någon av metylgruppens protoner det möjligt att undvika den ogynnsamma gauche-interaktionen och sänker övergångstillståndet för bildandet av den mindre substituerade alkenen:
I slutändan är det värt att nämna att detta regiokemiska utfall också observeras vid eliminering av alkylfluorider. Fluoriden är en dålig avgångsgrupp och gynnar Hofmann-elimineringsprodukten oavsett om en hindrad eller ohindrad bas används: