オキシム生成

原理

オキシム生成はイミン生成と同じ『付加–脱水縮合』の骨格（PADPED）で進む。すなわち、求核剤電子が余っていて、電子の足りない相手（求電子剤）へ電子対を差し出して結合をつくる化学種。（ここではヒドロキシルアミンの窒素）がカルボニル炭素と酸素が二重結合したC=O構造。炭素が電子不足で、求核剤に攻められる。炭素C2へ付加してカルビノールアミン（四面体中間体カルボニルに求核剤が付き、炭素がsp3の四面体形になった中間体。 HO–C–NH–OH）を作り(付加)、系内のプロトン移動で中性化し、酸がそのOHをプロトン化分子が水素イオン（H⁺、プロトン）を1つ受け取る操作。酸性条件でよく起こる。して脱離基結合の電子対を持ったまま分子から抜けていく原子や原子団。抜けたあと安定なほど良い脱離基となる。（水）に変え(プロトン化)、水が抜けてC2=N8⁺のN–ヒドロキシイミニウムになり(脱離)、最後に窒素上のプロトンが抜けて中性の C2=N8–OH（オキシム）に落ち着く(脱プロトン分子が水素イオン（H⁺）を塩基に引き抜かれて手放す操作。プロトン化の逆である。)。イミンとの唯一の違いは求核剤で、第一級アミン R–NH₂ の代わりに H2N–OH を使う。窒素上に残る置換基が H でなく OH になるだけで、C=N を作るところまで機構は共通である。

選択性

Q.ヒドロキシルアミン H2N–OH には N と O の二つの求核部位があるのに、なぜ窒素N8が炭素を攻めるのか。また N2H4 だとどうなるのか
A.攻めるのは窒素N8である。酸素よりも窒素の孤立電子対結合に使われず、原子の上に対で残っている非共有の電子対。求核剤として攻める手になる。のほうが電気陰性度結合の電子対を引き寄せる強さの尺度。大きい原子ほど電子を引き、分極を生む。が低く分極電気陰性度の差で結合の電子が偏り、δ＋とδ－の部分電荷が生じること。しやすくて求核性が高いうえ、ヒドロキシルアミンでは隣に酸素の孤立電子対が並ぶ『α効果』が効いて、窒素の求核性が塩基性から予想されるより一段強くなる（HOMOが持ち上がり、遷移状態結合が切れかけ・できかけの、エネルギーが最も高い一瞬の状態。取り出すことはできない。の溶媒和も緩む）。だからカルボニル炭素へはN8が付加し、生成物は C=N–OH（オキシム）になる。求核剤をヒドラジン H2N–NH₂ に替えれば同じ機構でヒドラゾン C=N–NH₂ が、置換ヒドラジン（2,4-ジニトロフェニルヒドラジン等）なら対応するヒドラゾン誘導体ができる——窒素求核剤の縮合という同じ型の仲間である。

駆動力

Q.この縮合の速度がpHに強く依存するのはなぜか。強酸でも塩基性でも遅く、中程度のpHで最速になる理由は
A.二つの段が逆向きにpHを要求して綱引きになるからである。前半の求核付加求核剤がカルボニルなどの二重結合に付き、π結合が開いて新しい結合ができる反応。（step1）は、ヒドロキシルアミンが遊離の中性形 H2N–OH でいるときだけ進む。酸が強すぎると窒素がプロトン化されて H₃N⁺–OH になり、孤立電子対を失って求核性がゼロになる（NH3OH⁺ の共役二重結合と単結合が交互に並び、π電子がひと続きに広がった状態。酸pKaはおよそ6）。一方、後半の脱水（step3のOHプロトン化→step4の脱離）は酸がOHをプロトン化して初めて進むので、酸が弱すぎる（塩基性）と脱水が止まってカルビノールアミンで足踏みする。つまり『求核剤を活かすには酸を弱く、脱水を進めるには酸を強く』という相反する要求があり、その折り合い点＝中程度のpH（オキシムやセミカルバゾンではおよそpH4〜5）で速度が山なりの最大になる。pHを振ると律速段反応全体の速さを決める、いちばん遅い段階。ここの越えやすさが反応速度を支配する。も入れ替わり、高pH側では脱水が、低pH側では付加が律速になる。

Q.この反応はどこへ向かう入口なのか
A.オキシムは水を失う縮合で安定な C=N を作り、生じた水を除けば平衡は生成物側へ寄る。生成したシクロヘキサノンオキシムは、強酸で処理するとベックマン転位結合や原子団が分子内で移動して、炭素骨格などが組み替わる過程。を起こし、C=N–OH が転位して環が一つ大きい環状アミド（ε-カプロラクタム＝七員環ラクタム）になる。これはナイロン6の原料モノマーであり、この単純な縮合が工業的にはナイロン合成の入口につながっている。

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