Beckmann重排反应,也称作
Beckmann重排,是在酸性
催化剂(如
硫酸、
多聚磷酸以及五氯化磷、
三氯化磷、
苯磺酰氯和
氯化亚砜等)作用下重排成N-取代
酰胺的反应。此反应是由
德国化学家
恩斯特·贝克曼发现并由此得名。
Beckmann重排反应的机理为:在酸作用下,肟首先发生
质子化;脱去一分子水,同时与
羟基处于
反式,反式-己二烯二酸位置的
基团迁移到缺
电子的
氮上,形成离子中间体;然后水进攻该中间体生成
酰亚胺,互变异构得到胺产物。在酮肟分子中发生迁移的基团与
离去基团(羟基)处于反式位置,在迁移过程中迁移
碳的构型保持不变。
该反应常用的
催化剂包括
质子酸、Lewis酸和
酰卤等。若
底物为不对称肟,在质子酸
催化下会引起异构化,可选用非
极性或极性小的质子
溶剂和使用
五氯化磷作催化剂来避免。该反应是由酮制备N-取代
酰胺的重要途径之一。该反应在工业上有重要应用,
环己酮与
羟胺反应得到
环己酮肟后可重排得到
己内酰胺,此为
尼龙6的
单体。
简介
酮肟在酸性条件下发生重排生成N-
烃基酰胺的反应。1886年由
德国化学家E.O.贝克曼首先发现。常用的贝克曼重排试剂有
硫酸、五氯化磷、贝克曼试剂(
氯化氢在
冰醋乙酸酐中的溶液)、
多聚磷酸和某些
酰卤等。反应时酮肟受酸性试剂作用,形成一个缺
电子氮,同时促使其邻位
碳上的一个烃基向它作分子内 1,2-迁移,其反应过程如下:
贝克曼重排是立体专一性反应。在酮肟分子中发生迁移的烃基与
离去基团(羟基)互为反位。在迁移过程中迁移碳原子的构型保持不变,例如:
贝克曼重排反应可用于确定酮类化合物的结构。工业上利用
环己酮肟发生贝克曼重排,制备大量
己内酰胺,它是合成耐纶6(见
聚己内酰胺)的
单体。
反应历程
酮肟在酸性
催化剂如
硫酸、
五氯化磷等作用下重排成取代
酰胺的反应,称为Beckmann(贝克曼)重排反应。
Beckmann重排反应是最著名的由的重排,其重排特点不在于迁移
基团的性质,例如相对的供
电子能力(如前面讨论过的重排),而是决定于它们的
立体化学排列,即在不对称酮肟的重排过程中只有与
羟基处于反位的基团才能迁移到氮上(
反式,反式-己二烯二酸重排),并且迁移基团从
离去基团()的背面经桥式中间体通过
协同反应实现重排的。其
反应机理可表示如下:
实验证明,在Beckmann重排反应中迁移基团具有手性时,其构型在重排过程中保持不变。这说明Beckmann重排是分子内的由C→N的重排反应,即迁移
基团并未完全脱离整个分子(否则将有
外消旋化合物生成)。
重排机理
美国贝克曼库尔特(Beckmann)重排是指在酸性条件下,醛肟或酮肟的肟
羟基质子化成易离去基团,然后与肟羟基反位的邻近基团迁移,同时离去基团离去,产生邻碳的正中心,继而与反应介质中的
亲核试剂(如水)发生水合、脱质子
化生成
亚胺,再
烯醇式-酮式互变而生成N-取代的
酰胺。在重排中氮氧键的断裂与反位基团的迁移是同步发生的。
影响因素
Beckmann重排中,
催化剂、反应温度及
溶剂对反应速度、
收率、酰胺异构体的比例有很大影响,一般来说,
极性溶剂和较高的温度都能加速反应。重排反应是
一级反应,所以极性溶剂可加快反应进行,溶剂的极性愈强,重排反应进行得愈快。反应介质的酸度与重排反应的速度也有关系,酸性越强,肟越易离去
阴离子,因而重排速度越快。
1.酸性条件和溶剂作用
酸性试剂的作用是使酮肟的
羟基转换成活性很好的
离去基团,有利于氮氧键的断裂。归纳起来,常见的酸性试剂有以下几类。
(3)Lewis酸类:
(5)混合试剂类:
(6)其他类:
例如在室温条件,二苯酮肟与
苯磺酰氯在
吡啶催化下,得到N-苯
磺基苯甲酰苯胺,最后得到
酰胺;又有最新报道在催化下,也可得到相同的重排产物:
2.酮肟的结构
由于醛肟在重排条件下易失水形成腈,所以一般不采用醛肟制备
甲酰胺。在酮肟的结构中若含有酸敏感的
基团,可以吡(或
三乙胺)为
溶剂,以
酰氯或Lewis酸为
催化剂进行重排反应。脂
环己酮肟进行重排发生扩环反应,生成
内酰胺结构。
此外,转移基团上的
取代基的性质对重排反应速度也有影响,吸
电子基团的存在使重排速度降低,而推电子基团的存在则使重排速度加快。
(1)
烃基的迁移是立体专一的。由于迁移的基团只能从
羟基背面进攻缺电子的N
原子,因此,烃基的迁移为反位迁移。因酮肟有顺式(Z)和
反式,反式-己二烯二酸(E)两种几何异构,由上述贝克曼重排机理可见,与氮上的羟基处于反位的烃基迁移占优势。但当以
质子酸作
催化剂时,迁移往往不具有
立体专一性。
(2)如果迁移
基团为手性碳原子,其迁移后的手性在重排中不受影响,仍保留原有构型。
知识扩展
聚酰胺纤维俗称
尼龙6,最早的尼龙制品是尼龙制的牙刷的刷子,妇女穿的
尼龙袜。该材料具有最优越的综合性能,包括机械强度、
刚度、韧度、机械减震性和耐磨性,加上良好的电绝缘能力和耐化学性,使尼龙6 成为一种“通用级”材料,用于机械结构零件和讨维护零件的制造。
其他重排反应
瓦格纳-迈尔外因重排反应(Wagneer-Meerwein rearrangement)
拜耳集团维利格氧化重排反应(Baeyer-Villiger oxidation rearrangement)
捷米扬诺夫重排反应(Gemiyangnouf rearrangement)
氢过氧化物重排反应(hydroperoxide rearrangement)
频哪醇重排反应(
频哪醇 rearrangement)
苯偶酰重排反应(
二苯基乙二酮 rearrangement)
相关反应
尿酰氯和
氯化锌形成
助催化剂可以催化贝克曼反应。例如:
环十二酮能被平稳地转化为对定的
内酰胺,后者是生产
尼龙12的
单体。
此反应的
反应机理是以循环型催化为基础的,在循环中,氰尿酰氯通过亲核芳香取代活化
羟基。通过Meisenheimer
螯合肥中间体,最终生成产物。
异常贝克曼重排反应
α-
二酮、α-
酮酸、α-叔烃基酮(
反式,反式-己二烯二酸)、α-二
烷基氨基酮、α-羟基酮和β-酮醚生成的肟在
路易斯酸或
质子酸的作用下断裂为腈及相应的
官能团化合物。这个反应称为“异常贝克曼重排”,又称非正常贝克曼重排;
二级贝克曼重排;贝克曼断裂反应等。
示例反应
反应物为
环己酮并生成
己内酰胺。因为己内酰胺是制造
尼龙6的重要原料,所以此反应也是贝克曼重排的一个很重要的应用。贝克曼
溶剂被广泛用来
催化重排反应,其实际成分为
冰醋,
盐酸和
乙酸酐。也可以其他种类的酸催化,例如
硫酸和
多聚磷酸。在实际工业制造
酰胺的流程中,通常使用的是硫酸,因为用氨进行中和处理后可以得到
硫酸铵,后者是一种重要的化肥,能为土壤提供氮和硫。
药物合成
由于Beckmann重排的
原子转化率高达100%,所以它属于原子间经济性的反应。目前,该反应已较多地应用于药物合成中,成为
绿色化学的反应类型之一。
1.合成酰胺类药物及药物中间体
通过Beckmann重排反应可以达到在药物分子中引入酰胺结构的目的,以延长药物的作用时间、减小药物毒性等。
例如
苯酚经过
乙酰化、肟化和Beckmann重排反应可合成
对乙酰氨基酚。先用HF
催化苯酚和乙酸酐的乙酰化,再与羟胺硫酸盐进行肟化反应,所得酮肟在催化下,在
乙酸乙酯溶剂中进行Beckmann重排反应,得目标产物N-
乙酰4-氨基苯酚。重排反应时加入少量的KI是为抑制副反应。
2.合成芳胺类药物
应用Beckmann重排反应能以较高
收率合成某些难制取的芳胺。例如,去氢
松香酸甲酯因在温和条件下可进行硝化,得6,8-二
硝基化合物,因此不能经芳环硝化再还原引入。但若采用Friedel-Crafts
酰基化反应,则得到的几乎完全是6-乙酰基
衍生物。该衍生物在
吡啶中与反应得酮肟,再经Beckmann重排可生成88%的乙酰芳胺。(只有约4%的),
水解后即可得芳胺。