Оксимы

Син — анти (Z — E) изомерия оксима ацетофенона

Оксимы (или изонитрозосоединения) — органические соединения, включающие в себя одну или несколько изонитрозогрупп RR₁C=N-OH. Обычно рассматриваются как производные альдегидов (R₁ = H) — альдоксимы и кетонов — кетоксимы. Для альдоксимов и оксимов несимметричных кетонов характерна цис-транс-изомерия по связи C=N.

Физические свойства

Оксимы обычно легкоплавкие твердые вещества, в чистом виде — белого цвета. Плохо растворяются в воде, хорошо в органических растворителях. Цис- и транс- изомеры различаются по физическим свойствам (температура плавления, спектры), взаимное превращение стереоизомеров происходит при действии кислот или облучении светом.

В ИК-области в спектрах оксимов наблюдаются слабые полосы валентных колебаний связей O-H при 3650-3500 см⁻¹ и C=N при 1690—1650 см⁻¹; валентные колебания N-O обуславливают сильную полосу поглощения при 960—930 см⁻¹.

Методы синтеза

Синтез с образованием связи C=N

Наиболее распространенным лабораторным методом синтеза оксимов является реакции альдегидов и кетонов с гидроксиламином:

CH₃COCH₃ + NH₂OH $\to$ CH₃(C=N-OH)CH₃ + H₂O

Сходным методом является взаимодействие водного гидроксиламина с алкинами, формально являющимися предшественниками карбонильных соединений:

R¹С≡СR² + H₂NOH $\to$ R¹СH₂C(=N-OH)R²

Другим широко используемым методом является изомеризация нитрозосоединений, содержащих водород в α-положении к нитрозогруппе:

Такая изомеризация проходит in situ при нитрозирования некоторых алканов (например, циклогексана нитрозилхлоридом NOCl) или соединений с активированной метильной либо метиленовой группой:

PhCOCH₃ + C₅H₁₁ONO $\to$ [ PhCOCH₂N=O ] $\to$ PhCOCH=N-OH

Аналогично проходит нитрозирование некоторых замещенных толуолов: нитротолуолы при взаимодействии с алкилнитритами в присутствии алкоксидов образуют соответствуюцие альдоксимы.

Нитрозирование замещенных нитрометанов также приводит к вводу оксимной группы при атоме углерода с образованием геминальных нитрооксимов - нитроловых кислот:

RCH₂NO₂ + HNO₂ $\to$ RC(NO₂)=NOH + H₂O

Окисление или восстановление азота в C-N - соединениях

Оксимы также могут быть синтезированы окислением первичных аминов:

RR¹CH-NH₂ + H₂O₂ $\to$ RR¹C=NOH + H₂O

либо восстановлением нитросоединений:

RCH₂NO₂ + [H] $\to$ RCH=NOH + H₂O

Введение фрагмента CH=NOH

Специфическим методом синтеза ароматических оксимов является прямое введение альдоксимной группы в ароматическое ядро конденсацией бензола, его алкилпроизводных и фенолов с фульминатом ртути в присутствии хлорида алюминия:

C₆H₆ + Hg(ONC)₂ $\to$ C₆H₅CH=NOH

Реакционная способность

Оксимы проявляют амфотерные свойства, являясь как очень слабыми основаниями, так и слабыми кислотами (pK_a ~ 11, pK_b ~ 12).

Оксимы под действием алкоголятов щелочных металлов депротонируются, образуя соответствующие соли, они также могут образовывать соли с переходными металлами, в последнем случае возможно комплексообразование, особенно в случае бидентантных оксимов. Так, например, диметилглиоксим (реактив Чугаева) образует с двухвалентным никелем прочный нерастворимый комплекс; эта реакция используется для гравиметрического определения никеля.

Реакции по нуклеофильным центрам

Подобно карбонильному углероду альдегидов и кетонов, углерод оксимной группы является электрофильным центром, однако его электрофильность существенно ниже карбонильного углерода из-за меньшей, чем у кислорода, электроотрицательности азота.

Оксимы являются амбидентантными нуклеофилами, способными алкилироваться и по атому кислорода, и по атому азота: так, соли оксимов с щелочными металлами алкилируются алкилгалогенидами с образованием O-алкилоксимов:

RR¹C=NOH + C2H5ONa $\to$ RR¹C=NONa + C2H5OH

RR¹C=NONa + R²I $\to$ RR¹C=NOR² + NaI

Алкилирование может идти и по атому азота, в этом случае образуются нитроны, к образованию нитронов ведет также присоединение к оксимам α,β-ненасыщенных карбонильных соединений:

Ацилирование оксимов ангидридами и хлорангидридами карбоновых кислот, а также азлактонами ведет к образованию O-ацилоксимов, реакцию обычно проводят в присутствии органических оснований (пиридин и т.п.):

RR1C=NOH + R²COX $\to$ RR¹C=NOCOR² + XH ,

вместе с тем в некоторых случаях ацилирование ангидридами карбоновых кислот идет с высокими выходами и в отсутствии оснований: так, ацилирование оксима ацетофенона двукратным количеством уксусного ангидрида в отсутствие растворителя и основания дает O-ацетилпроизводное оксима ацетофенона с выходом 90%.

Под действием кислотных и ацилирующих агентов (PCl₅, P₂O₅, полифосфорные кислоты, хлорангидриды сульфокислот, ангидриды карбоновых кислот в жестких условиях) альдоксимы отщепляют воду с образованием нитрилов, так, оксим пентаацетил-D-глюкозы при нагревании в уксусном ангидриде в присутствии ацетата натрия образует пентаацетилглюкононитрил с выходом в 50%):

RCH=NOH + Ac₂O $\to$ RCN + 2 AcOH

Кетоксимы в таких условиях перегруппировываются в амиды.

При взаимодействии с азотистой кислотой кетоксимы образуют N-нитроимины:

R₂C=NOH + HNO₂ $\to$ R₂C=N-NO₂ + H₂O

Окисление и восстановление оксимов

Энергичными восстановителями оксимы восстанавливаются до аминов, также возможно восстановление до N-замещенных гидроксиламинов.

Оксимы дегидрируются с образованием иминоксильных радикалов:

R₂C=NOH $\to$ R₂C=N-O^•

Под действием перокситрифторуксусной кислоты, получаемой in situ из трифторуксусного ангидрида и перекиси водорода, оксимы окисляются до нитросоединений; в случае циклогексаноноксима реакцию проводят в кипящем ацетонитриле в присутствии буфера, при окислении оксимов α-дикетонов в α-нитрокарбонильные соединения в качестве растворителя может быть использован хлороформ или трифторуксусная кислота, необходимости в буфере в этом случае нет, предполагается, что первоначально образуется аци-форма нитросоединения, которая затем таутомеризуется:

RCOCR=NOH + CF₃COOOH $\to$ RCOCR=NO(OH) $\to$ RCOCHRNO₂

N-бромсукцинимид (NBS) реагирует с оксимами с образованием соответствующего гем-бромнитрозопроизводного:

R₂C=NOH + NBS $\to$ R₂CBr(NO)

Под действием азотной кислоты кетоксимы дают гем-нитронитрозосоединения (псевдонитролы):

R₂C=NOH + HNO₃ $\to$ R₂CNO(NO₂) ,

альдоксимы нитруются до изомерных (и, в случае альдоксимов и таутомерных) псевдонитролам нитроловых кислот:

RCH=NOH + HNO₃ $\to$ R(CO)C(NO₂)=NOH + H₂O

Ароматические альдоксимы хлорируются с образованием гидроксамоилхлоридов (хлорангидридов иминных таутомеров гидроксамовых кислот, которые, в свою очередь, могут быть превращены в оксиды нитрилов:

Ph-CH=NOH + Cl₂ $\to$ Ph-CCl=NOH + HCl

Ph-CCl=NOH + Et₃N $\to$ Ph-C≡N⁺-O^-

Перегруппировки оксимов

Кетоксимы под действием кислотных и ацилирующих агентов перегруппировываются в амиды (Перегруппировка Бекмана). Перегруппировка стереоспецифична — к азоту мигрирует радикал, находящийся в транс-положении к гидроксилу:

RR¹C=NOH $\to$ RCONHR¹

Перегруппировка Бекмана циклогексаноноксима является промышленным методом синтеза капролактама — мономера капрона (найлона-6):

Перегруппировку Бекмана также претерпевают O-замещённые кетоксимы (сложные эфиры оксимов, перегруппировка Бекмана-Чепмена):

RR¹C=NOR² $\to$ RCONR¹R²

Перегруппировка Бекмана может проходить и под действием P₂S₅, выступающего в роли и катализатора перегруппировки, и тионирующего агента, продуктом реакции в этом случае являются тиоамиды. Так, бензальдоксим в этих условиях образует тиобензамид:

PhCH=NOH + P₂S₅ $\to$ PhCSNH₂ ,

бензофеноноксим перегруппировывается в тиобензанилид:

(Ph)₂C=NOH + P₂S₅ PhCSNHPh

α-Гидроксикетоксимы в условиях перегруппировки Бекмана расщепляются с образованием альдегида и нитрила (расщепление по Бекману или перегруппировка Вернера):

RCH(OH)CR¹=NOH $\to$ RCHO + R¹CN + H₂O

O-сульфонаты оксимов алифатических кетонов под действием оснований претерпевают перегруппировку, образуя азирины, гидролизующиеся далее до α-аминокетонов (перегруппировка Небера), эта реакция является синтетическим методом α-аминирования кетонов:

Применение

Некоторые оксимы (аллоксим, диэтиксим, дипироксим, изонитрозин, пралидоксим) являются реактиваторами холинэстеразы и используются в качестве антидотов при отравлениях фосфорорганическими инсектицидами.

Оксим циклогексанона является крупнотоннажным продуктом, используемым в производстве капролактама.

Диметилглиоксим используется в аналитической химии для обнаружения и количественного определения никеля («реактив Чугаева»), никелевый комплекс этого вещества (диметилглиоксимат никеля) используется в качестве красного пигмента.

См. также

• Ацетальдоксим