Перегруппировка Бекмана: Механизмы и Применение

Введение

Химическая перегруппировка

Перегруппировка Бекмана, названная в честь немецкого химика Эрнста Отто Бекмана (1853–1923), представляет собой перегруппировку оксимной функциональной группы в замещенные амиды. Перегруппировка также успешно проведена с галоиминами и нитронами. Циклические оксимы и галоимины дают лактамы. Перегруппировка Бекмана часто катализируется кислотой; однако, другие реагенты также способны инициировать перегруппировку. К ним относятся тосилхлорид, тионилхлорид, пентахлорид фосфора, пентоксид фосфора, триэтиламин, гидроксид натрия, триметилсилилйодид и другие. Фрагментация Бекмана – это другая реакция, которая часто конкурирует с перегруппировкой, хотя тщательный выбор реагента и условий растворителя может способствовать образованию одного из продуктов, иногда давая почти исключительно один продукт. Перегруппировка протекает стереоспецифически для кетоксимов и N-хлор/N-фтор-иминов, при этом мигрирующая группа находится в антиперипланарном положении относительно уходящей группы на атоме азота. Известно, что определенные условия приводят к рацемизации оксимной геометрии, что приводит к образованию обоих региоизомеров. Перегруппировка алдоксимов протекает стереоспецифически в газовой фазе и без стереоспецифичности в растворной фазе. Существуют методы, позволяющие перестраивать альдоксимы в первичные амиды, но фрагментация обычно конкурирует в этих системах. Перегруппировка нитронов также протекает без стереоспецифичности; образующийся региоизомер имеет амидный азот, замещенный группой с наибольшей способностью к миграции. Классической перегруппировкой Бекмана является превращение циклогексанона в капролактам через оксим. Капролактам является сырьем для производства нейлона-6. Раствор Бекмана состоит из уксусной кислоты, соляной кислоты и уксусного ангидрида и широко использовался для катализа перегруппировки. Также используются другие кислоты, такие как серная кислота, полифосфорная кислота и фтороводородная кислота. Серная кислота является наиболее часто используемой кислотой для промышленного производства лактамов из-за образования сульфата аммония в качестве побочного продукта при нейтрализации аммиаком. Сульфат аммония является распространенным сельскохозяйственным удобрением, обеспечивающим азот и серу.

The Beckmann rearrangement, named after the German chemist Ernst Otto Beckmann (1853–1923), is a rearrangement of an oxime functional group to substituted amides. The rearrangement has also been successfully performed on haloimines and nitrones. Cyclic oximes and haloimines yield lactams. The Beckmann rearrangement is often catalyzed by acid; however, other reagents have been known to promote the rearrangement. These include tosyl chloride, thionyl chloride, phosphorus pentachloride, phosphorus pentoxide, triethylamine, sodium hydroxide, trimethylsilyl iodide among others. The Beckmann fragmentation is another reaction that often competes with the rearrangement, though careful selection of promoting reagent and solvent conditions can favor the formation of one over the other, sometimes giving almost exclusively one product. The rearrangement occurs stereospecifically for ketoximes and N chloro/N fluoro imines, with the migrating group being anti periplanar to the leaving group on the nitrogen. Certain conditions have been known to racemize the oxime geometry, leading to the formation of both regioisomers. The rearrangement of aldoximes occurs with stereospecificity in the gas phase and without stereospecificity in the solution phase. A few methodologies allow for the rearrangement of aldoximes to primary amides, but fragmentation commonly competes in these systems. Nitrone rearrangement also occurs without stereospecificity; the regioisomer formed has the amide nitrogen substituted with the group possessing the greatest migratory aptitude. The archetypal Beckmann rearrangement is the conversion of cyclohexanone to caprolactam via the oxime. Caprolactam is the feedstock in the production of Nylon 6. The Beckmann solution consists of acetic acid, hydrochloric acid and acetic anhydride, and was widely used to catalyze the rearrangement. Other acids, such as sulfuric acid, polyphosphoric acid, and hydrogen fluoride have all been used. Sulfuric acid is the most commonly used acid for commercial lactam production due to its formation of an ammonium sulfate by product when neutralized with ammonia. Ammonium sulfate is a common agricultural fertilizer providing nitrogen and sulfur.

Механизм реакции

Наиболее распространенный механизм реакции перегруппировки Бекмана обычно состоит из миграции алкильной группы антиперипланарно к отщеплению уходящей группы с образованием иона нитрилия. За этим следует сольволиз до имидата и последующая таутомеризация до амида: известно, что этот ион нитрилия может быть перехвачен другими нуклеофилами, включая уходящую группу из оксима. Перегруппировка оксима ацетона в растворе Бекмана включала три молекулы уксусной кислоты и один протон (присутствующий в виде иона оксония). В переходном состоянии, ведущем к иону иммония (σ-комплекс), метильная группа мигрирует к атому азота в согласованной реакции одновременно с отщеплением гидроксильной группы. Атом кислорода в гидроксильной группе стабилизируется тремя молекулами уксусной кислоты. На следующем этапе к электрофильному атому углерода в ионе нитрилия атакует вода, и протон возвращается в уксусную кислоту. В переходном состоянии, ведущем к имидату, атом кислорода воды координирован с четырьмя другими атомами. На третьем этапе, этапе изомеризации, происходит протонирование атома азота, приводящее к образованию амида. То же самое вычисление с ионом гидроксония и шестью молекулами воды дает тот же результат, но когда мигрирующим заместителем является фенильная группа, механизм благоприятствует образованию промежуточного трехчленного π-комплекса. Этот π-комплекс не обнаруживается в H3O+(H2O)6. В случае циклогексанонового оксима, снятие кольцевого напряжения приводит к третьему механизму реакции, который непосредственно ведет к протонированному капролактаму в одном согласованном шаге, без промежуточного образования π-комплекса или σ-комплекса.

Реакция Бекмана с помощью хлорида циануринового

Перестройка Бекмана может быть осуществлена в каталитических условиях с использованием хлорида цианура и хлорида цинка в качестве сокатализатора. Например, циклододеканон можно превратить в соответствующий лактам, мономер, используемый в производстве нейлона-12. Механизм реакции основан на каталитическом цикле, в котором хлорид цианура активирует гидроксильную группу посредством нуклеофильного ароматического замещения. Продукт реакции отщепляется и замещается новым реагентом через промежуточный комплекс Мейзенгеймера.

Фрагментация Бекмана

Фрагментация Бекмана — реакция, которая часто конкурирует с перегруппировкой Бекмана.

Применение в синтезе лекарственных средств

Промышленный синтез парацетамола, разработанный компаниями Hoechst–Celanese, включает превращение метилкетона в ацетанилид с помощью перегруппировки Бекмана. В работе по адресу url утверждается, что термическая перегруппировка, происходящая при синтезе кетамина, является перегруппировкой Бекмана.