El reordenamiento de Beckmann , que lleva el nombre del químico alemán Ernst Otto Beckmann (1853-1923), es un reordenamiento de un grupo funcional oxima en amidas sustituidas . [1] [2] La reordenación también se ha realizado con éxito en haloiminas y nitronas . Las oximas y haloiminas cíclicas producen lactamas .
El reordenamiento de Beckmann suele ser catalizado por ácido; sin embargo, se sabe que otros reactivos promueven la reordenación. Estos incluyen cloruro de tosilo , cloruro de tionilo , pentacloruro de fósforo , pentóxido de fósforo , trietilamina , hidróxido de sodio , yoduro de trimetilsililo, entre otros. [3] La fragmentación de Beckmann es otra reacción que a menudo compite con la reordenación, aunque la selección cuidadosa de las condiciones promotoras del reactivo y del disolvente puede favorecer la formación de uno sobre el otro, dando a veces casi exclusivamente un producto. El reordenamiento se produce estereoespecíficamente para cetoximas y N-cloro/N-fluoroiminas, siendo el grupo migratorio antiperiplanar con respecto al grupo saliente en el nitrógeno. Se sabe que ciertas condiciones racemizan la geometría de la oxima, lo que lleva a la formación de ambos regioisómeros . La reordenación de las aldoximas se produce con estereoespecificidad en la fase gaseosa y sin estereoespecificidad en la fase de solución. Algunas metodologías permiten la reordenación de aldoximas en amidas primarias, pero la fragmentación comúnmente compite en estos sistemas. El reordenamiento de nitrona también ocurre sin estereoespecificidad; el regioisómero formado tiene el nitrógeno amida sustituido con el grupo que posee mayor aptitud migratoria .
El reordenamiento arquetípico de Beckmann [4] es la conversión de ciclohexanona en caprolactama a través de la oxima. La caprolactama es la materia prima en la producción de Nylon 6 . [5]
La solución de Beckmann consta de ácido acético , ácido clorhídrico y anhídrido acético , y fue ampliamente utilizada para catalizar la transposición. Se han utilizado otros ácidos, como ácido sulfúrico , ácido polifosfórico y fluoruro de hidrógeno . El ácido sulfúrico es el ácido más comúnmente utilizado para la producción comercial de lactama debido a la formación de un subproducto de sulfato de amonio cuando se neutraliza con amoníaco . El sulfato de amonio es un fertilizante agrícola común que proporciona nitrógeno y azufre.
El mecanismo de reacción más común del reordenamiento de Beckmann consiste generalmente en una migración de alquilo antiperiplanar hasta la expulsión de un grupo saliente para formar un ion nitrilio . A esto le sigue la solvólisis a un imidato y luego la tautomerización a la amida: [6]
Se sabe que este ion nitrilio es interceptado por otros nucleófilos, incluido el grupo saliente de la oxima. [3]
Presumiblemente, después de que el grupo fenilo migra y expulsa el cianato , este último ataca al ion nitrilio formado. En el tetracloruro de carbono se puede aislar el isocianato , mientras que en el etanol , el uretano se forma después de la solvólisis del isocianato.
Un estudio computacional ha establecido el mecanismo que explica las moléculas y sustituyentes del disolvente. [7] La reordenación de la acetona oxima en la solución de Beckmann involucró tres moléculas de ácido acético y un protón (presente como un ion oxonio ). En el estado de transición que conduce al ion iminio (complejo σ), el grupo metilo migra al átomo de nitrógeno en una reacción concertada a medida que se expulsa el grupo hidroxilo. El átomo de oxígeno del grupo hidroxilo está estabilizado por tres moléculas de ácido acético. En el siguiente paso, el átomo de carbono electrófilo del ion nitrilio es atacado por agua y un protón se devuelve al ácido acético. En el estado de transición que conduce al imidato, el átomo de oxígeno del agua está coordinado con otros 4 átomos. En el tercer paso, un paso de isomerización protona el átomo de nitrógeno que conduce a la amida .
El mismo cálculo con un ion hidroxonio y 6 moléculas de agua tiene el mismo resultado, pero cuando el sustituyente migratorio es un grupo fenilo, el mecanismo favorece la formación de un complejo π intermedio de tres miembros. Este complejo π no se encuentra en el H 3 O + (H 2 O) 6 .
Con la ciclohexanona-oxima, el alivio de la tensión del anillo da como resultado un tercer mecanismo de reacción, que conduce directamente a la caprolactama protonada en un solo paso concertado sin la formación intermedia de un complejo π o un complejo σ.
La transposición de Beckmann se puede convertir en catalítica utilizando cloruro cianúrico y cloruro de zinc como cocatalizador . Por ejemplo, la ciclododecanona se puede convertir en la lactama correspondiente , el monómero utilizado en la producción de Nylon 12 . [8] [9]
El mecanismo de reacción para esta reacción se basa en un ciclo catalítico con cloruro cianúrico que activa el grupo hidroxilo mediante una sustitución aromática nucleofílica . El producto de la reacción se desaloja y se reemplaza por un nuevo reactivo mediante un complejo intermedio de Meisenheimer .
La fragmentación de Beckmann es una reacción que frecuentemente compite con el reordenamiento de Beckmann. [3] Cuando el grupo α de la oxima es capaz de estabilizar la formación de carbocationes , la fragmentación se convierte en una vía de reacción viable. La reacción genera un nitrilo y un carbocatión, que se intercepta rápidamente para formar una variedad de productos. El nitrilo también se puede hidrolizar en condiciones de reacción para dar ácidos carboxílicos . Diferentes condiciones de reacción pueden favorecer la fragmentación sobre el reordenamiento.
Los centros de carbono cuaternario promueven la fragmentación estabilizando la formación de carbocationes mediante hiperconjugación . Como se muestra en la imagen de arriba, se forma el carbocatión "estable", que luego pierde hidrógeno para dar un sitio de insaturación . Los átomos de oxígeno y nitrógeno también promueven la fragmentación mediante la formación de cetonas e iminas respectivamente.
El azufre también es capaz de promover la fragmentación, aunque a mayor distancia que el oxígeno o el nitrógeno.
El silicio es capaz de dirigir la fragmentación mediante el efecto beta-silicio .
El carbocatión intermedio en esta reacción es interceptado por fluoruro nucleofílico del trifluoruro de dietilaminoazufre ( DAST ): [10]
La oxima de ciclohexenona con ácido forma anilina en una reacción de deshidratación y aromatización llamada reacción de Semmler-Wolff o aromatización de Wolff [11] [12] [13] [14]
El mecanismo se puede mostrar a continuación:
La reacción es intrínsecamente un caso especial de la reorganización de Beckmann combinada con la participación de grupos vecinos .
Una síntesis industrial de paracetamol desarrollada por Hoechst - Celanese implica la conversión de una metilcetona en una acetanilida mediante un reordenamiento de Beckmann. [15]
Se afirmó que el reordenamiento térmico que ocurre en la síntesis de ketamina es un reordenamiento de Beckmann según: url.