Beckmann-, Hofmann- und Curtius-Umlagerung
Beckmann-Umlagerung, Hofmann-Abbau und Curtius-Umlagerung als Umlagerungen an elektronendefizitären Stickstoff, mit Mechanismus, Stereochemie und den Produkten Amid, Lactam und Amin.
Das Wichtigste in Kürze
- Bei Beckmann-, Hofmann- und Curtius-Umlagerung wandert ein Rest vom C-Atom an einen elektronendefizitären Stickstoff, während gleichzeitig eine Abgangsgruppe austritt.
- Die Beckmann-Umlagerung macht aus Ketoximen mit Säure N-substituierte Amide. Es wandert der zur OH-Gruppe anti-ständige Rest, so liefert (E)-Acetophenonoxim Acetanilid.
- ε-Caprolactam entsteht aus Cyclohexanon über das Oxim und eine Beckmann-Umlagerung in konzentrierter \(\ce{H2SO4}\).
- Der Hofmann-Abbau setzt primäre Amide mit \(\ce{Br2}\)/NaOH zum primären Amin mit einem C-Atom weniger um. Zwischenstufen sind N-Bromamid, Isocyanat und Carbamidsäure.
- Beim Hofmann-Abbau steigt die Oxidationszahl des Carbonyl-C von +III auf +IV.
- Die Curtius-Umlagerung führt vom Acylazid unter \(\ce{N2}\)-Abspaltung zum Isocyanat. Der wandernde Rest behält seine Konfiguration (Retention).
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Worum es geht
Wandert ein Rest von einem C-Atom auf einen Stickstoff, entstehen aus Oximen Amide und aus Amiden kürzere Amine. Diese Umlagerungen gehören zu den Standardmethoden, um Stickstoff in ein Gerüst einzubauen. Ein Beispiel ist der Kunststoffbaustein ε-Caprolactam, ein anderes der MAO-Hemmer Tranylcypromin.
Elektronendefizitärer Stickstoff
Bei allen drei Reaktionen dieser Einheit verliert ein Stickstoffatom eine Abgangsgruppe. Dadurch wird es elektronendefizitär. Im selben Moment wandert ein Rest vom benachbarten C-Atom mit seinem Bindungselektronenpaar zum N. Ein freies Stickstoff-Kation entsteht nicht, weil Austritt und Wanderung gleichzeitig ablaufen.
Das Prinzip kennst du von der Wagner-Meerwein-Umlagerung. Dort springt ein Rest als anionotrope 1,2-Verschiebung an ein Carbenium-C-Atom. Hier ist das Ziel ein Stickstoffatom. Die drei Reaktionen unterscheiden sich vor allem in Edukt und Abgangsgruppe:
| Reaktion | Edukt | Abgangsgruppe | Produkt |
|---|---|---|---|
| Beckmann | Ketoxim | \(\ce{H2O}\) | N-substituiertes Amid bzw. Lactam |
| Hofmann | N-Bromamid aus primärem Amid | \(\ce{Br-}\) | Isocyanat, dann primäres Amin |
| Curtius | Acylazid | \(\ce{N2}\) | Isocyanat, dann primäres Amin |
Beckmann-Umlagerung
Die Beckmann-Umlagerung wandelt ein Ketoxim unter Säurekatalyse in ein N-substituiertes Amid um. Aus cyclischen Ketoximen entstehen Lactame. Ketoxime bildet man aus Ketonen und Hydroxylamin, wie bei den Additionen von N-Nucleophilen beschrieben.
\[\ce{R^1-C(=N-OH)-R^2 ->[H+] R^2-C(=O)-NH-R^1}\]
\(\ce{R^1}\) ist der Rest, der zur OH-Gruppe anti steht. Die Umlagerung findet am N-Atom statt, nicht am Kohlenstoff: Der Rest wandert vom Oxim-C zum N.
- Protonierung: Die Säure macht aus der OH-Gruppe die gute Abgangsgruppe \(\ce{-OH2+}\).
- Wanderung: Der anti-ständige Rest wandert an das N, während Wasser austritt.
- Nitrilium-Ion: Es entsteht das Kation \(\ce{R^2-C#N+-R^1}\).
- Wasseraddition: Wasser greift das C-Atom an. Nach Deprotonierung liegt eine Imidsäure vor.
- Tautomerie: Die Imidsäure lagert sich zum stabileren Amid um.
In der Bilanz wird die Bindung zwischen Oxim-C und wanderndem Rest gelöst. Neu entsteht eine C–N-Bindung, eine neue C–C-Bindung wird nicht geknüpft. Oxim und Amid haben dieselbe Summenformel. Daran erkennst du die Reaktion im Schema: Ein Oxim wird mit Säure zu einem isomeren Amid.
Stereochemie
Der wandernde Rest schiebt sich von der Rückseite an das N, während das Wasser auf der anderen Seite austritt. Man kann sich das wie bei einer Drehtür vorstellen: Hinein kommt nur, wer gegenüber dem Ausgang steht. Deshalb wandert der anti-ständige Rest, eine syn-Wanderung findet nicht statt. Welcher Rest das ist, legt die Konfiguration des Oxims fest.
Im (E)-Acetophenonoxim steht die Phenylgruppe anti zur OH-Gruppe. Sie wandert bevorzugt, und es entsteht N-Phenylacetamid (Acetanilid). Das (Z)-Oxim liefert dagegen N-Methylbenzamid, weil dort die Methylgruppe anti steht.
Was der OH-Gruppe gegenübersteht, landet am Stickstoff. Der andere Rest bleibt am Carbonyl-C des Amids.
ε-Caprolactam
ε-Caprolactam ist der Baustein von Polyamid 6 (Perlon). Man stellt es in zwei Stufen aus Cyclohexanon her:
\[\text{Cyclohexanon} + \ce{H2N-OH} \longrightarrow \text{Cyclohexanonoxim} + \ce{H2O}\]
\[\text{Cyclohexanonoxim} \xrightarrow{\text{konz. } \ce{H2SO4}} \varepsilon\text{-Caprolactam}\]
Zuerst kondensiert das Keton mit Hydroxylamin zum Oxim. In konzentrierter Schwefelsäure lagert sich das Oxim dann nach Beckmann um. Eine Ring-C–C-Bindung wandert zum N, und der Sechsring wird zum siebengliedrigen Lactam erweitert. Da beide Reste am Oxim-C Teil desselben Rings sind, entsteht in jedem Fall dasselbe Produkt.
Diese Sequenz wird im Examen gerne gefragt: Cyclohexanon liefert über das Oxim und eine Beckmann-Umlagerung mit \(\ce{H2SO4}\) ε-Caprolactam. Achte darauf, welches Atom in den Ring eingeschoben wird, denn andere Ringerweiterungen desselben Ketons geben andere Produkte:
Oxim plus \(\ce{H2SO4}\). Eingeschoben wird N, Produkt ist ε-Caprolactam.
Keton plus Persäure. Eingeschoben wird O, Produkt ist ε-Caprolacton.
Keton plus \(\ce{CH2N2}\). Eingeschoben wird \(\ce{CH2}\), Produkt ist Cycloheptanon, da \(\ce{N2}\) entweicht.
Die Baeyer-Villiger-Oxidation und die Wolff-Umlagerung folgen in der nächsten Einheit. Die Wolff-Umlagerung von α-Diazoketonen hat mit der Caprolactam-Synthese nichts zu tun.
Hofmann-Abbau
Beim Hofmann-Abbau reagiert ein primäres Carbonsäureamid mit Brom und Natron- oder Kalilauge in Wasser zum primären Amin. Das Carbonyl-C geht als \(\ce{CO2}\) verloren. Die Kette wird also um ein C-Atom kürzer.
\[\ce{R-CONH2 + Br2 + 4 NaOH -> R-NH2 + Na2CO3 + 2 NaBr + 2 H2O}\]
Im alkalischen Milieu wird das freigesetzte \(\ce{CO2}\) als Carbonat gebunden. Brom und Lauge bilden zunächst Hypobromit, daher kann man auch direkt mit \(\ce{OBr-}\) arbeiten:
\[\ce{Br2 + 2 OH- -> OBr- + Br- + H2O}\]
- N-Bromierung: Die Base deprotoniert das Amid, das Anion greift \(\ce{Br2}\) an. Es entsteht das N-Bromamid \(\ce{R-CO-NHBr}\).
- Deprotonierung: Das verbliebene N–H ist durch Brom acider und wird erneut deprotoniert.
- Umlagerung: R wandert vom Carbonyl-C zum N, gleichzeitig tritt \(\ce{Br-}\) aus. Es bildet sich das Isocyanat \(\ce{R-N=C=O}\).
- Wasseraddition: Wasser addiert an das Isocyanat zur Carbamidsäure \(\ce{R-NH-COOH}\).
- Decarboxylierung: Die Carbamidsäure zerfällt in \(\ce{R-NH2}\) und \(\ce{CO2}\).
Ein Isocyanat hat die Gruppe \(\ce{R-N=C=O}\). Ihr zentrales C-Atom ist sp-hybridisiert und linear gebaut. Mit Wasser bildet es Carbamidsäuren, mit Alkoholen Carbamate.
Alle Zwischenstufen sind neutral oder anionisch. Carbenium-Ionen treten nicht auf, weil die Wanderung synchron mit dem Bromidaustritt erfolgt.
Mit Oxidationszahlen lässt sich die Reaktion als Redoxprozess lesen. Im Amid trägt das Carbonyl-C +III: zwei Bindungen zu O und eine zu N, die Bindung zu R zählt null. Im Isocyanat und im \(\ce{CO2}\) hat es +IV. Das C wird oxidiert, Brom wird von 0 zu −I reduziert.
| Amid | Produkt des Hofmann-Abbaus |
|---|---|
| Acetamid | Methylamin |
| Propionsäureamid | Ethylamin |
| Benzamid | Anilin |
| Cyclohexancarboxamid | Cyclohexylamin |
In einem Schema erkennst du den Abbau daran, dass aus einem Amid ein Amin mit einem C-Atom weniger wird. Das passende Reagenz ist dann \(\ce{Br2}\)/NaOH in Wasser. Nitrile reagieren mit Brom in Natronlauge nicht zum Amin, denn ihnen fehlt die \(\ce{NH2}\)-Gruppe, die bromiert wird. Amine aus Nitrilen erhält man durch Reduktion.
Das Produkt des Hofmann-Abbaus ist besonders prüfungsrelevant: Ein primäres Amid liefert mit \(\ce{Br2}\)/NaOH ein primäres Amin mit einem C-Atom weniger. Zähle die C-Atome nach, Propionsäureamid ergibt Ethylamin und nicht Methylamin.
Die Hofmann-Eliminierung ist eine andere Reaktion. Dort spalten quartäre Ammoniumhydroxide ein Amin ab und bilden das weniger substituierte Alken.
Curtius-Umlagerung
Die Curtius-Umlagerung führt ebenfalls über ein Isocyanat zum Amin. Edukt ist ein Acylazid, Abgangsgruppe ist molekularer Stickstoff. Die Verbindungsklasse behandelt die Einheit zu Carbonsäureaziden und Isocyanaten. Hier geht es um die Sequenz und ihre Stereochemie.
\[\ce{R-CO-N3 ->[\Delta] R-N=C=O + N2 ^}\]
- Aktivierung: Die Carbonsäure wird mit \(\ce{SOCl2}\) zum Säurechlorid.
- Azidbildung: Natriumazid ersetzt das Chlorid, es entsteht das Acylazid.
- Umlagerung: Beim Erhitzen tritt \(\ce{N2}\) aus, R wandert zum N. Es bildet sich das Isocyanat.
- Hydrolyse: Wässrige HCl liefert über die Carbamidsäure unter \(\ce{CO2}\)-Verlust das Amin als Hydrochlorid.
Der wandernde Rest verlässt das Molekül nie. Er wechselt nur den Bindungspartner und behält dabei seine räumliche Anordnung. Die Wanderung verläuft daher unter Retention der Konfiguration. Aus (S)-2-Phenylpropansäure entsteht (S)-1-Phenylethylamin. Ebenso wird trans-2-Phenylcyclopropancarbonsäure zum trans-2-Phenylcyclopropylamin, dem Arzneistoff Tranylcypromin. Retention gilt auch für die wandernde Gruppe bei Beckmann und Hofmann.
Edukt ist ein primäres Amid, Abgangsgruppe \(\ce{Br-}\). Wässrig-alkalisch, das Isocyanat wird sofort hydrolysiert.
Edukt ist ein Acylazid, Abgangsgruppe \(\ce{N2}\). Thermisch, das Isocyanat lässt sich isolieren oder abfangen.
Quiz
Aussage 1
Das Carbonyl-C-Atom eines Carbonsäureamids hat beim Hofmann-Abbau zunächst die Oxidationszahl +III und im Isocyanat +IV.
Im Amid hat es drei Bindungen zu Heteroatomen, im Isocyanat vier. Das C wird oxidiert, Brom reduziert.
Aussage 2
(E)-Acetophenonoxim lagert sich nach Beckmann bevorzugt zu N-Methylbenzamid um.
Im (E)-Oxim steht die Phenylgruppe anti zur OH-Gruppe und wandert. Es entsteht Acetanilid. N-Methylbenzamid stammt aus dem (Z)-Oxim.
Aussage 3
Bei der Beckmann-Umlagerung wandert derjenige Rest an den Stickstoff, der zur OH-Gruppe des Oxims anti steht.
Wanderung und Wasseraustritt laufen gleichzeitig ab. Der Rest schiebt sich von der Rückseite der Abgangsgruppe an das N.
Aussage 4
Cyclohexanon wird mit Diazomethan direkt zu ε-Caprolactam erweitert.
Diazomethan schiebt eine \(\ce{CH2}\)-Gruppe ein und liefert Cycloheptanon, da \(\ce{N2}\) entweicht. ε-Caprolactam entsteht über das Oxim und eine Beckmann-Umlagerung.
Aussage 5
Bei der Curtius-Umlagerung wird die Konfiguration des wandernden Kohlenstoffatoms invertiert.
Der Rest wandert unter Retention. Aus einer trans-konfigurierten Säure entsteht deshalb das trans-Amin.
Aussage 6
Cyclohexanonoxim lagert sich in konzentrierter Schwefelsäure zu ε-Caprolactam um.
Das ist die Beckmann-Umlagerung des cyclischen Ketoxims. Sie erweitert den Ring um das N-Atom.
Aussage 7
Beim Hofmann-Abbau von Propionsäureamid mit \(\ce{Br2}\)/NaOH entsteht Methylamin.
Der Abbau entfernt genau ein C-Atom. Aus dem C3-Amid wird Ethylamin.
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