贝克曼重排

简介

重排反应

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（氯化氢在乙酸-乙酐中的溶液）、多聚磷酸和某些酰卤等。反应时酮肟受酸性试剂作用，形成一个缺电子氮原子，同时促使其邻位碳原子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：

重排方程式

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（反式重排），并且迁移基团从离去基（）的背面经桥式中间体通过协同反应实现重排的。其反应历程可表示如下：

反应历程

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

贝克曼（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。

重排机理

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，肟酯越易离去负离子，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。

（1）无机质子酸类：

（2）有机酸类：三氟磺酸，乙酸。

（3）Lewis酸类：

（4）氯化剂或酰氯类：

（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-苯磺酰基苯甲酰苯胺，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：

重排反应

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，可以吡啶（或三乙胺）为溶剂，以酰氯或Lewis酸为催化剂进行重排反应。脂环酮肟进行重排发生扩环反应，生成内酰胺结构。

脂环酮肟的重排反应

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。

3．Beckmann重排立体化学特征

（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（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-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（pinacol rearrangement）

苯偶酰重排反应（benzil rearrangement）

达金反应（Dakin reaction）

相关反应

氰尿酰氯辅助贝克曼反应

氰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络合物中间体，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)、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，其实际成分为乙酸，盐酸和乙酸酐。也可以其他种类的酸催化，例如硫酸和多磷酸。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重排反应可合成扑热息痛。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-乙酰基-对氨基苯酚。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。

芳胺类药物合成