Как уже было сказано в общей обзорной статье перегруппировка Гофмана - это реакция первичных (незамещенных у азота) амидов с гипобромитом натрия (или генерирующей его смесью из $NaOH$ и $Br_2$), в результате чего получают амины, содержащие на один атом углерода меньше, чем исходные амиды.
Рисунок 1. Перегруппировка Гофмана. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Особенности перегруппировки Гофмана
Истинными продуктами данной реакции являются изоцианаты, но их редко выделяют, т.к. в условиях данных реакций изоцианаты обычно быстро гидролизуются до спонтанно декарбоксилирующихся замещенных карбаминовых кислот.
Рисунок 2. Особенности перегруппировки Гофмана. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Группа $R$ в исходных амидах может быть алкильной или арилльной. Вместо генерирующей гипобромита натрия смеси $NaOH$ с $Br_2$ иногда также применяют смесь $NaOMe/Br_2$, но в этом случае получаются метилкарбаматы $RNHCOOCH_3$, (которые затем можно гидролизовать в амины). При использовании генерирующей гипобромита натрия смеси $NaOH/Br_2$ в качестве побочных продуктов образуются производные мочевины $RNHCONHR$ и ацилмочевины $RCONHCONHR$ как следствие реакций изоцианата $RNCO$ с $RNH_2$ и $RCONH_2$ .
Из имидов получаются аминокислоты, например:
Рисунок 3. Особенности перегруппировки Гофмана. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
$\alpha$-Гидрокси- и $\alpha$-галогенамиды дают альдегиды или кетоны.
$R_2C(OH)CONH_2 + NaOBr R_2C=O$
Механизм перегруппировки Гофмана
Механизм перегруппировки Гофмана соответствует схеме, приведенной ниже
Рисунок 4. Механизм перегруппировки Гофмана. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Сначала амид бромируется по азоту с образованием $N$-бромамида, который является достаточно сильной $NH$-кислотой, способной отдавать протон иону $OH^-$. Третья стадия, - собственно перегруппировка представляет собой [1,2]-сигматропный сдвиг. Возможно, что эта стадия на самом деле состоит из двух стадий: отщепления $Br^-$ с образованием нитрена и последующей миграции, однако большинство имеющихся данных говорит в пользу синхронного механизма.
Помимо брома, превратить амиды в изоцианаты можно и другими окислителями, например, тетраацетатом свинца $Pb(OCOCH_3)_4$ или бис(трифторацетокси)иодозобензолом $PhI(OCOCF_3)_2$, который содержит трехвалентный йод.
Карбеновая вариация перегруппировки Гофмана
Классическая перегруппировка Гофмана заключается в термическом (при 100-200$^\circ$С) распаде солей аммония под действием щелочей на амин и спирт или этиленовый углеводород.
Рисунок 5. Классическая перегруппировка ГофманаАвтор24 — интернет-биржа студенческих работ
В карбеновых или карбеноидних вариациях (где предполагается промежуточное карбенообразование) подобное расщепление происходит обычно в достаточно мягких температурных условиях (часто при комнатной температуре или ниже) без выделения воды. Под действием сильных оснований на $N$-алкил-азометиниевые соли образуется соответствующий илиден, надосновный карбеновый атом которого выполняет роль гидроксид-иона классического варианта реакции, отщепляя протон от алкильного заместителя через $H$-смещение с удалением этиленового углеводорода.
Алифатические аминокарбены (генерируемые с иминиевих солей) уже при комнатной температуре в течение 72 ч испытывают расщепление типа Гофмана с образованием трет-бутил-тиленимина и ненасыщенного углеводорода $R$. Преобразование можно представить с использованием резонансной структуры карбена, имитирующий кватернизованую по аминогруппе форму молекулы, где происходит миграция протона от $R$ к карбеновым / карбанионным центрам с отщеплением алкена $R$ и удалением третичного амина - азометана.
Рисунок 6. Карбеновая вариация перегруппировки Гофмана. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Формально в карбеновых субстратах (в резонансном форме) азометиновая связь соответствует двум связям с заместителями при четвертичном атоме азота в классическом варианте, но отрицательный заряд основной компоненты (в классическом варианте $HO^-$) сосредоточен на карбенном / карбанионном атоме, и поэтому процесс осуществляется аналогично (отщепление протона от углеродного радикала основной компонентой с удалением этиленового остатка от атома азота), но в значительно более мягких условиях, а в качестве трет-амина (в классическом варианте триалкиламина) здесь, конечно, образуется имин.
Расщепление Гофмана достаточно характерно для аминокарбенов в различных структурных ситуациях.
Такое преобразование испытывают уже при 40$^\circ$С и аминофосфанилкарбены в азометинах, а также алкилфосфанилкарбены в фосфанилолефинах или алкилиденфосфинах.
Рисунок 7. Карбеновая вариация перегруппировки Гофмана. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Относительно стабилен (время полураспада - несколько дней) при 0$^\circ$С аминосилилкарбен при комнатной температуре превращается в силилимин в течение 5 мин.
Рисунок 8. Карбеновая вариация перегруппировки Гофмана. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Такие расщепления, очевидно, не обязательно должны сопровождаться высвобождением новой частицы, а могут происходить из-за карбеноидной форму, что следует из наличия полностью недейтерированного продукта в похожем расщеплении формамидиниевых солей:
Рисунок 9. Карбеновая вариация перегруппировки Гофмана. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В случае гетероциклических субстратов весь процесс может происходить интрамолекулярных условиях. В гетероцикличних системах, в частности в пятичленном имидазолиниевом цикле под действием литий 2,2,6,6-тетраметилпиперидида ($LiTMP$) или литий диизопропиламида ($LDA$) вследствие депротонирования метиленовой группы происходит карбенизация, что сопровождается внутрициклическим сдвигом с отщеплением этиленового остатка и образованием раскрытого продукта. Поскольку реакция не наблюдается в шестичленных циклах или в ациклических формамимидиниевых ионах, то очевидным следствием является повышение кислотности метиленовых протонов в дигидроимидазолиевых ионах благодаря их близости к обоим частично положительно заряженных атомам азота, что и облегчает $H$-миграцию.
Рисунок 10. Карбеновая вариация перегруппировки Гофмана. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
