Beckmannův přesmyk

Beckmannův přesmyk, je přesmyk oximu na substituovaný karboxamid.^[1][2] Lze jej provést i u halogeniminů a u nitronů. Z cyklických oximů a halogeniminů se tímto druhem přesmyku vytváří laktamy.

Beckmannovy přesmyky bývají často katalyzovány kyselinami, dají se ale použít i jiné katalyzátory, jako například tosylchlorid, chlorid thionylu, chlorid fosforečný, oxid fosforečný, triethylamin, hydroxid sodný a trimethylsilyljodid.^[3][2][4]

Podobnou reakcí, často probíhající vedle přesmyků, je Beckmannova fragmentace. V závislosti na katalyzátoru, rozpouštědle a dalších podmínkách může převládat jedna i druhá reakce, někdy se vytváří téměř výhradně jediný produkt. U ketoximů a N-chlorovaných či N-fluorovaných iminů probíhá stereospecificky, přičemž je přesunující se skupina v antiperiplanární poloze vůči odstupující skupině na dusíku. Za určitých podmínek se může geometrie oximu racemizovat, čož vede k vytváření obou regioizomerů. Přesmyky aldoximů probíhají stereospecificky v plynné fázi, v roztocích se stereospecificita neobjevuje. Přesmyky aldoximů na primární amidy lze provést několika způsoby; často je však doprovází fragmentace. Nestereospecificky probíhají také přesmyky nitronů; vzniklý regioizomer mívá dusík substituovaný skupinou nejnáchylnější k přesunu.

(c) V8rik na projektu Wikipedie v jazyce angličtina, CC BY-SA 3.0

Typickým Beckmannovým přesmykem je přeměna cyklohexanonu na kaprolaktam procházející přes oxim.^[5] Vzniklý kaprolaktam se používá na výrobu nylonu 6.^[6]

Jako Beckmannův roztok se označuje směs kyseliny octové, kyseliny chlorovodíkové a acetanhydridu, používaná u této reakce jako katalyzátor; lze ale použít i jiné látky, jako jsou kyselina sírová, polyfosforečné kyseliny a kyselina fluorovodíková. V průmyslu se nejvíce využívá kyselina sírová, která neutralizací amoniakem vytváří síran amonný, používaný jako hnojivo.

Mechanismus

Nejčastější mechanismus Beckmannova přesmyku spočívá v přesunu alkylové skupiny antiperiplanárně vůči odstupující skupině za vzniku nitriliového iontu. Následuje solvolýza, která vytváří karboximidát, a tautomerizace na amid:^[7]

Tento nitriliový ion bývá zachytáván dalšími nukleofily, jako odstupující skupiny na oximu.^[3]

Po přesunu fenylové skupiny se odštěpí kyanát, který následně atakuje nitrilium. Je-li použit tetrachlormethan, tak lze vzniklý isokyanát izolovat, v ethanolu to ale nelze, protože se jeho solvolýzou vytváří karbamát.

Pomocí výpočetní studie byl nalezen mechanismus zohledňující vliv molekul rozpouštědla a substituentů.^[8] Přesmyku molekuly acetonoximu v Beckmannově roztoku se účastnily tři molekuly kyseliny octové a jeden proton (jako hydroniový kation). V přechodném stavu, ze kterého se vytvářel iminiový ion (σ-komplex), se přesunula methylová skupina za odštěpení hydroxylu; kyslíkový atom v hydroxylu byl přitom stabilizován trojicí molekul kyseliny octové. V následujícím kroku byl elektrofilní uhlík nitriliového iontu atakován molekulou vody a proton se navázal zpět na kyselinu octovou; v přechodném stavu vedoucím k imidátu je kyslík v molekule vody spojen se čtyřmi dalšími atomy. Ve třetím kroku dojde k izomerizaci vedoucí k protonaci atomu dusíku a vytvoření amidu.

(c) V8rik, CC BY-SA 3.0

Při výpočtu zahrnujícím hydroniový ion a 6 molekul vody vycházel stejný výsledek, ale když byl přesunující se skupinou fenyl, tak se jako hlavní meziprodukt tvořil tříčlenný π-komplex. Tento π-komplex se u H₃O⁺(H₂O)₆ nevyskytoval.

(c) V8rik, CC BY-SA 3.0

U cyklohexanonoximu se, v důsledku snížení kruhového napětí, objevuje třetí mechanismus, při němž vzniká přímo protonovaný kaprolaktam v jediném soustředěném kroku bez tvorby π- nebo σ-komplexu.

Beckmannova reakce s použitím kyanurylchloridu

Beckmannovy reakce lze katalyzovat kyanurylchloridem s chloridem zinečnatým; takto se například převádí cyklododekanon na příslušný laktam, používaný při výrobě nylonu 12.^[9][10]

V katalytickém cyklu této reakce nejprve kyanurylchlorid nukleofilní aromatickou substitucí aktivuje hydroxyl. Následně se utvoří Meisenheimerův komplex, který je nakonec přeměněn na výsledný produkt.

Beckmannova fragmentace

Společně s Beckmannovými přesmyky mnohdy probíhají i Beckmannovy fragmentace.^[3] Pokud může skupina v poloze α vůči oximu stabilizovat vytvořený karbokation, tak dochází k významné míře fragmentace. Tímto způsobem vzniká nitril a karbokation, který je rychle zachycován za tvorby mnoha různých látek. Za podmínek reakce může rovněž nastat hydrolýza nitrilu na karboxylovou kyselinu. Za určitých podmínek může fragmentace nad přesmykem převládat.

Fragmentaci mohou vyvolávat kvaternární atomy uhlíku, které stabilizují karbokationty prostřednictvím hyperkonjugace. Vytvořený stabilizovaný karbokation odštěpí vodík za vzniku dvojné vazby. Fragmentaci usnadňují i kyslíkové (tvorbou ketonůú a dusíkové atomy (tvorbou iminů).

Síra může též vyvolávat fragmentaci, ale v menší míře.

Křemík může řídit fragmentaci skrz beta-křemíkový efekt.

Karbokation je v této reakci zachycován nukleofilním fluoridovým iontem z fluoridu diethylaminosiřičitého (DAST):^[11]

Semmlerova–Wolffova reakce

Oxim cyklohexenonu vstupuje za přítomnosti kyselin do dehydratačně – aromatizační reakce, nazývané Semmlerova–Wolffova reakce nebo Semmlerova–Wolffova aromatizace.^{[12][13][14][15]}

Mechanismus lze popsat takto:

Semmlerova-Wolffova reakce je zvláštním případem Beckmannova přesmyku, se zapojením sousedící skupiny.

Využití ve výrobě léčiv

Součástí průmyslové výroby paracetamolu je přeměna methylketonu na acetanilid Beckmannovým přesmykem.^[16]

Tepelný přesmyk objevující se v syntéze ketaminu je považován za Beckmannův přesmyk.^[17].

Odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Beckmann rearrangement na anglické Wikipedii.

Související články

• Curtiův přesmyk
• Dakinova reakce
• Schmidtova reakce
• Stieglitzův přesmyk
• Lossenův přesmyk

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Beckmannův přesmyk na Wikimedia Commons
• Animace Beckmannova přesmyku
• Animace Beckmannova přesmyku vytvářejícího kaprolaktam