L’eliminazione di Hofmann dovuta al chimico tedesco August Wilhelm von Hofmann avviene quando un’ammina reagisce per dare un’ammina terziaria ed un alchene in presenza di CH3I seguito da un trattamento con Ag2O ad alta temperatura.
Quando un’ammina primaria recante uno o più idrogeni in β viene trattata con ioduro di metile CH3I e in seguito con una soluzione di ossido di argento e riscaldata, l’ammina primaria viene convertita in alchene.
La reazione complessiva è la seguente:
CH3CH2NH2 + 3 equivalenti di CH3I + Ag2O (aq) + calore → CH2=CH2
La reazione netta è una 1,2 eliminazione da cui il nome eliminazione.
Meccanismo dell’eliminazione di Hofmann
L’eliminazione di Hoffmann procede in tre stadi:
1° stadio: CH3CH2NH2 + 3 CH3I → CH3CH2N(+)(CH3)3 I–
2° stadio: CH3CH2N(+)(CH3)3 I– + Ag2O → CH3CH2N(+)(CH3)3 OH– + 2 AgI ↓
3° stadio: CH3CH2N(+)(CH3)3 OH– + calore → (CH3)3N + CH2=CH2 + H2O
Esistono notevoli evidenze che indicano che l’eliminazione avviene come un processo concertato come si può vedere in figura:
Sotto questo aspetto la reazione mostra somiglianze con la eliminazione di HX degli alogenuri alchilici che porta ad un’olefina.
Si può tuttavia osservare che vi è una sostanziale differenza tra questi due tipi di reazioni che portano entrambe ad un’olefina: la deidroalogenazione segue la cosiddetta regola di Saytzev e porta all’olefina più sostituita. La regola di Saytzev prevede infatti che substrati neutri come alogenuri e solfonati diano l’alchene più sostituito.
Ad esempio: R-CH2– CHX-CH3 + OH–→ R-CH=CH-CH3. La regola di Hofmann, invece, prevede che substrati carichi quali i sali di ammonio quaternari e i sali di solfonio, diano l’alchene meno sostituito.
Il confronto dei due comportamenti può essere rilevato dalla seguente figura:
Controllo cinetico e termodinamico
Tali comportamenti sono giustificati tenendo conto che l’eliminazione di Hofmann è sottoposta a controllo cinetico mentre la disidratazione di un alcol in presenza di acido è sottoposta a controllo termodinamico. La causa più importante nel provocare la differenza di orientazione osservata al variare del gruppo uscente è dovuta ad effetti elettronici. Nelle reazioni E1 ed E2 degli alogenuri il doppio legame è quasi completamente formato nello stato di transizione.
Lo stato di transizione a minore energia è quello che porta all’alchene termodinamicamente più stabile ovvero a quello più ramificato (regola di Saytzev). Infatti i dati ottenuti dalla misurazione del calore di combustione indicano che la stabilità delle olefine aumenta con la sostituzione da parte dei gruppi alchilici aumentando in tal senso l’iperconiugazione. Questo orientamento da buoni gruppi uscenti, da solventi ionizzanti e da basi di media forza.
Per le reazioni E2 dei composti ionici l’ammina terziaria e il gruppo solfato sono dei cattivi gruppi uscenti e la reazione è controllata dalle differenti acidità degli idrogeni presenti gli idrogeni in β .
I gruppi alchilici elettron-donatori riducono l’acidità degli idrogeni presenti sui carboni ai quali sono legati. In questo modo gli idrogeni legati ai carboni in β meno sostituiti vengono rimossi preferenzialmente portando agli alcheni meno sostituiti (regola di Hofmann).
E’ da tener presente l’acidità relativa dei protoni che subiscono l’attacco della base che influenza la direzione dell’eliminazione; i protoni legati ad atomi di carbonio che contengono gruppi alchilici sono meno acidi a causa dell’effetto induttivo degli alchili dei protoni legati ad atomi di carbonio meno sostituiti. L’eliminazione tipo Hofmann è favorita da basi forti, da solventi poco ionizzanti e da fattori sterici. Le regole di Saytzev e Hoffmann non sono valide quando uno dei due carboni in β porti un sostituente che rende più facile la formazione dell’anione in quella posizione.
I composti che contengono un azoto basico presente in un anello possono essere degradati a un’olefina che non contiene azoto. La reazione avviene mediante successive metilazioni e reazione di eliminazione di Hofmann. Il processo è detto di metilazione esauriente.