2. Riarrangiamenti di azoto cationico o elettron-deficiente
Dato che molti semplici composti azotati sono basi, essi formano cationi "onio" quando protonati. Due cationi di questo tipo sono mostrati sulla sinistra (nel riquadro blu) sotto. Poiché i cationi ammonio ed imminio hanno un azoto con un guscio elettronico di valenza pieno, un tale atomo di azoto non può fungere da sito per il legame di un nucleofilo o come estremità per la migrazione. Per un azoto cationico affinché avvenga riarrangiamento è necessario che esso abbia un guscio di valenza incompleto, e due di tali azacationi sono mostrati nel centro dello schema (riquadro rosa). Un atomo di azoto elettron-deficiente non deve essere un catione, come dimostra l'esempio del nitrene sulla destra (riquadro verde).
Riarrangiamento di Beckmann
Se il gruppo idrossile di una chetossima è rimosso per azione di un acido forte o di fosforo pentacloruro, seguita da idrolisi, si forma una ammide. La completa rimozione del gruppo idrossi derivatizzato e la sua coppia di elettroni leganti genererà un azacatione divalente ibridizzato sp del tipo illustrato nel precedente diagramma. Dove questo avviene, entrambi i sostituenti carboniosi (1R & 2R) dovrebbero essere i candidati per il successivo shift 1,2. In pratica, comunque, è sempre il gruppo in anti rispetto all'OH che esce che migra sull'azoto. Questa stereospecificità indica che lo shift 1,2 è concertato con la rimozione N-O, come mostrato sotto. Il risultante intermedio nitrilio N-alchilato reagirà con nucleofili (acqua) all'atomo di carbonio elettrofilo adiacente all'azoto "onio". Notare che la struttura disegnata in questo intermedio è la più favorita dei due contributi di risonanza, nella misura in cui tutti gli atomi pesanti hanno gusci di valenza pieni. Il legame di un nucleofilo all'atomo di azoto dovrebbe richiedere l'espansione del suo guscio di valenza per includere dieci elettroni, o la formazione di una specie dipolare instabile. Il prodotto iniziale dall'idratazione al carbonio è un imminolo, che immediatamente tautomerizza alla più stabile ammide. Le reazioni con PCl5 probabilmente portano ad un imminocloruro, e questo a sua volta è idrolizzato alla stessa ammide.
Il primo esempio nel seguente gruppo di reazioni è un tipico riarrangiamento di Beckmann. L'ossima dal cicloesanone ha gli identici sostituenti carbonilici e quindi esiste come singolo isomero. Il prodotto del riarrangiamento è un lattame (un'ammide ciclica), che può essere idrolizzata ad un omerga-amino acido. Questo lattame serve come importante precursore industriale per il nylon 6.
Il secondo esempio coinvolge un derivato dell'ossima con diversi sostituenti carbonilici, che esiste come coppia di stereoisomeri (syn & anti). L'isomero anti riarrangia tramite uno shift 1,2 di fenile, mentre l'isomero syn subisce uno shift 1,2 di isopropile. La prima reazione è molto più veloce dell'ultima, presumibilmente perché procede tramite un intermedio ione fenonio relativamente stabile (struttura è nel riquadro ombreggiato). Notare che il gruppo uscente picrato (2,4,6-trinitrofenolato) è un catione stabile.
L'esempio #3 è un altro caso che dimostra la stereospecificità del riarrangiamento di Beckmann. Lo shift 1,2 del sostituente o-fenolo è più veloce di quelle del gruppo fenile senza sostituenti, e l'idrossile è idealmente sito per legarsi al carbonio elettrofilo dell'intermedio. Di conseguena, il prodotto dall'isomero anti è un benzossazolo.
Il quarto esempio sopra mostra un'insolita divergenza nel comportamento che qualche volta accade quando i frammenti del sostituente migrante dall'intermedio, portano ad un nitrile come prodotto stabile. Questa è stata chiamata una reazione di Beckmann anomala.
la rigida configurazione del catione fenonio mostrata sopra impone una tensione strutturale che è ben dimostrata tramite le velocità di riarrangiamento di alcuni composti biciclici ad anelli fusi.
I derivati dell'ossima di fenil chetoni incorporati in anelli fusi a sei, sette ed otto membri sono stati studiati.A causa della catena di carbonio che unisce la funzione ossima al carbonio orto dell'anello benzenico, lo ione fenonio che normalmente facilita la migrazione del fenile può essere incapace di assumere la sua struttura preferita (anello a tre termini ortogonale all'anello fenile). La catena a tre carboni a ponte per n = 6 è un tale caso, ed il riarrangiamento dell'isomero anti è davvero lento. Come la lunghezza della catena che ponta aumenta, la sua tensione è meno grave, e la velocit del riarrangiamento aumenta. L'ossima del picrato ad otto membri idrolizza rapidamente, producendo un lattame a nove membri con una resa elevata.
R2C=N-NH2 + HNO2 → RCONHR + N2
Riarrangiamenti tipo Beckmann possono anche essere condotti trattando idrazoni con acido nitroso, come mostrato sopra. Come regola, questa è una procedura meno apprezzata perché gli idrazoni puri sono più difficili da ottenere, e la resa del prodotto puro è inferiore.
Un riarrangiamento diretto dei chetoni, evitando così la necessità di preparare un derivato, è possibile tramite una procedure nota come riarrangiamento di Schmidt. L'addizione acido catalizzata di acido idrazoico al gruppo carbonile di un chetone crea un instabile azidocarbinolo che, per disidratazione, produce lo stesso catione triazonio presumibilmente formato come intermedio nella deaminazione con acido nitrico di un idrazone. Il riarrangiamento di questa specie per rapida perdita di azoto inizia quindi un riarrangiamento di tipo Beckmann.
Sotto sono riportati due esempi del riarrangiamento di Schmidt.
Il riarrangiamento di Stieglitz
Esempi di riarrangiamento di azacationi ibridizzati sp2 sono relativamente rari comparati a quelli degli analoghi al carbonio. I materiali di partenza per generara tali azacationi sono di solito cloramine o idrossil amine. Quattro esempi di queste trasformazioni, spesso chiamate "riarrangiamenti di Stieglitz", sono mostrati sotto. Il primo esempio è simile ad un riarrangiamento di Wagner-Meerwein, ed il secondo ad un riarrangiamento pinacolic. Shifts competitivi di gruppi fenile p-sostituiti in reazioni simili all'esempio #3, dimostrano che un sostituente metossi facilita il riarrangiamento, mentre un sostituente nitro lo ritarda. Nell'ultimo esempio, un azacatione coniugato attiva l'anello benzenico alla sostituzione nucleofila, in contrasto con il solito ruolo giocato dai sostituenti di un'amina.
Riarrangiamento di acil nitreni ad isocianati
Diverse procedure utili e generali per la degradazioni di derivati di acidi carbossilici ad amine tutte comportano il riarrangiamento di un acil nitrene ad un isocianato. Sebbene l'atomo di azoto di un nitrene non ha carica formale, esso è elettron-deficiente e serve come luogo per riarrangiamenti 1,2. Come illustrato nel seguente schema, gli acil nitreni possono essere generati da diversi composti tipo ammide. Una volta formati, gli acil nitreni rapidamente riarrangiano agli isomeri isocianato relativamente stabili, i quali possono essere isolati o reagire con solventi idrossilici. La più comune applicazione di questi riarrangiamento è per la sintesi di amine. Perciò, l'addizione di acqua ad isocianati tipo chetene producono un instabile acido carbammico che decompone ad amina e diossido di carbonio. Le procedure generali per l'ottenimento di precursori nitrenici sono elencati sotto lo schema.
Hofmann: Ammidi primarie sono convertite a derivati N-alogenati tramite l'azione di HOX o X2 in soluzione alcalina. Un eccesso di base genera una base coniugata del prodotto.
Lossen: Un derivato dell'acido idrossamico (RCONHOH) è prodotto tramite reazione di un estere con idrossil amina. L'acido idrossamico è O-acilato e quindi convertito nella sua base coniugata.
Curtius: Un'acil azide (RCON3) è preparata in uno di due modi. (i) Reazione di un cloruro acilico con sodio azide, o (ii) Reazione di un estere con un eccesso di idrazina, seguita dalla reazione dell'acilidrazide prodotta (RCONHNH2) con acido nitroso freddo. Le acil azidi decompongono ad isocianati per riscaldamento.
Schmidt: Una variante della procedura di Curtius in cui un acido carbossilico è scaldato con acido idrazoico (HN3) e un catalizzatore acido.
Alcuni esempi di questi differenti riarrangiamenti sono mostrati nello schema sottostante. In ogni caso una lettera verde maiuscola (C, H, L o S) designa il tipo di reazione. Le prime tre reazioni illustrano il riarrangiamento di Hofmann, che è un metodo particolarmente utile per la preparazione di amine. L'ultimo esempio mostra una reazione di Curtius applicata ad un diestere tramite un intermedia bis-acilidrazide. Un approccio di Curtius alternativo per l'amina dell'esempio #2 è anche mostrato. La procedura di Curtius è particolarmente utile se l'isocianato è il prodotto desiderato, dato che la decomposizione dell'acil azide intermedia può essere condotto in assenza di solventi idrossilici che reagirebbero con l'isocianato.
L'esempio #5 mostra una reazione di Schmidt in cui un acido carbossilico otticamente attivo è il substrato. La configurazione S del gruppo fenetile migrante è ritenuta nell'amina prodotta, confermando il carattere intramolecolare di questi riarrangiamenti. La ritenzioni di configurazione è anche osservata nei riarrangiamenti di Curtius, Lossen e Hofmann di questo tipo. Le reazioni #6 & #7 sono interessanti casi in cui l'acqua è assente durante la formazione e la rerazione dell'isocianato. Il solvente alcolico in #6 si addiziona all'isocianato per produrre un estere carbammico, noto come uretano. Diversamente dagli instabili acidi carbammici, gli uretani non decompongono e possono essere composti puri. Se l'acqua era stata il solvente, la risultante enammina primaria dovrebbe aver riarrangiato ad immina ed essersi idrolizzata ad aldeide. Nel riarrangiamento di Lossen (#7) la butil amina si addiziona all'isocianato a dare un'urea sostituita.
Il riarrangiamento di Hofmann nella reazione #8 fornisce un nuovo esempio del tautomerismo di un amina primaria acetilenica ad un nitrile. Infine, l'ultimo esempio illustra un riarrangiamento di Hofmann selettivo di una bromo-immide. La reattività del gruppo carbonile in para rispetto al gruppo elettron-attrattore nitro è aumentata rispetto all'altra immide carbonilica. Di conseguenza, l'idrolisi base catalizzata avviene qui preferenzialmente, lasciando l'acil nitrene meta alla funzione nitro.