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ベックマン転位は、ドイツの化学者エルンスト・オットー・ベックマン（1853～1923）にちなんで名付けられた、オキシム官能基からアミド官能基への転位である。[ 1 ] [ 2 ]この転位は、ハロイミンやニトロンにも成功裏に実施されている。環状オキシムとハロイミンはラクタムを生成する。
ベックマン転位は酸によって触媒されることが多いが、他の試薬も転位を促進することが知られている。これらには、トシルクロリド、塩化チオニル、五塩化リン、五酸化リン、トリエチルアミン、水酸化ナトリウム、トリメチルシリルヨウ化物などが含まれる。[ 3 ]ベックマン開裂は、転位と競合することが多い別の反応であるが、促進試薬と溶媒条件を注意深く選択することで、一方の生成を他方よりも優先させることができ、場合によってはほぼ一方の生成物のみが得られる。転位は、ケトオキシムとN-クロロ/N-フルオロイミンに対して立体特異的に起こり、移動する基は窒素上の脱離基に対してアンチペリプラナーである。特定の条件ではオキシムの幾何構造がラセミ化され、両方の位置異性体が生成されることが知られている。アルドキシムの転位は、気相では立体特異性をもって起こり、溶液相では立体特異性なしに起こる。いくつかの方法論ではアルドキシムを第一級アミドに転位させることができるが、これらの系では一般的にフラグメンテーションが競合する。ニトロン転位は立体特異性なしに起こり、生成される位置異性体は、最も転位しやすい基でアミド窒素が置換されている。
典型的なベックマン転位[ 4 ]は、シクロヘキサノンをオキシムを経由してカプロラクタムに変換する反応である。カプロラクタムはナイロン6の製造原料である[ 5 ]。
ベックマン溶液は酢酸、塩酸、無水酢酸からなり、転位反応の触媒として広く用いられてきた。硫酸、ポリリン酸、フッ化水素などの他の酸も使用されてきた。硫酸は、アンモニア水で中和すると有用な硫酸アンモニウム副生成物が生成されるため、商業的なカプロラクタム製造において最も一般的に使用される酸である。
ベックマン転位の最も一般的な反応機構は、一般的に脱離基の脱離に対してアンチペリプラナー方向へのアルキル基の移動によってニトリリウムイオンが生成されるというものである。続いて、イミデートへの加溶媒分解が起こり、その後、アミドへの互変異性化が起こる。 [ 6 ]
このニトリリウムイオンは、オキシムからの脱離基を含む他の求核剤によって捕捉されることが知られている。[ 3 ]
フェニル基が移動してシアネート基を放出した後、シアネート基が生成したニトリリウムイオンを攻撃すると考えられる。四塩化炭素中ではイソシアネートを単離できるが、エタノール中ではイソシアネートの加溶媒分解後にウレタンが生成する。
ある計算研究では、溶媒分子と置換基を考慮したメカニズムが確立されている。[ 7 ]ベックマン溶液中のアセトンオキシムの転位には、3つの酢酸分子と1つのプロトン（オキソニウムイオンとして存在）が関与している。イミニウムイオン（σ錯体）に至る遷移状態では、ヒドロキシル基が脱離すると同時に、メチル基が協奏反応で窒素原子に移動する。ヒドロキシル基の酸素原子は、3つの酢酸分子によって安定化される。次の段階では、ニトリリウムイオンの求電子炭素原子が水によって攻撃され、プロトンが酢酸に返される。イミデートに至る遷移状態では、水の酸素原子が他の4つの原子に配位する。3番目の段階では、異性化段階によって窒素原子がプロトン化され、アミドが生成する。
ヒドロニウムイオンと6分子の水を用いた同じ計算でも同じ結果が得られるが、移動する置換基がフェニル基の場合、機構は中間的な3員環π錯体の形成を優先する。このπ錯体はH 3 O + (H 2 O) 6には見られない。
シクロヘキサノンオキシムの場合、環ひずみの緩和により第3の反応機構が生じ、π錯体やσ錯体の中間体形成を経ることなく、単一の協奏的ステップで直接プロトン化カプロラクタムが生成する。
ベックマン転位は、シアヌル酸クロリドと塩化亜鉛を助触媒として用いることで触媒的に行うことができる。例えば、シクロドデカノンは、ナイロン12の製造に使用されるモノマーである対応するラクタムに変換することができる。[ 8 ] [ 9 ]
この反応の反応機構は、シアヌル酸クロリドが求核芳香族置換反応によってヒドロキシル基を活性化する触媒サイクルに基づいている。反応生成物は、中間体であるマイゼンハイマー錯体を介して脱離し、新しい反応物と置き換わる。
ベックマン開裂は、ベックマン転位と頻繁に競合する反応です。[ 3 ]オキシムのα位の基がカルボカチオンの生成を安定化できる場合、開裂は実行可能な反応経路となります。この反応ではニトリルとカルボカチオンが生成され、カルボカチオンはすぐに捕捉されてさまざまな生成物を形成します。ニトリルは反応条件下で加水分解されてカルボン酸を生成することもあります。さまざまな反応条件によって、転位よりも開裂が優先される場合があります。
四級炭素中心は、超共役によってカルボカチオンの形成を安定化させることで、フラグメンテーションを促進する。上の図に示すように、「安定な」カルボカチオンが形成され、その後水素原子が脱離して不飽和部位が生じる。酸素原子と窒素原子も、それぞれケトンとイミンの形成を通じてフラグメンテーションを促進する。
硫黄もまた、酸素や窒素よりも長距離ではあるが、断片化を促進する能力を持っている。
シリコンはベータシリコン効果によって断片化を誘導することができる。
この反応のカルボカチオン中間体は、ジエチルアミノ硫黄トリフルオリド（DAST ）からの求核性フッ化物によって捕捉される：[ 10 ]
シクロヘキセノンのオキシムは酸と反応して、セムラー・ウォルフ反応またはウォルフ芳香族化と呼ばれる脱水芳香族化反応でアニリンを生成する[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]。
そのメカニズムは以下のように表すことができます。
この反応は本質的に、ベックマン転位と隣接基関与が組み合わさった特殊なケースである。
ヘキスト・セラニーズ社が開発したパラセタモールの工業的合成法は、ピセオールオキシムの酸触媒ベックマン転位を伴う。[ 15 ]
