第 14 章 l 到 達 目 標 l 共 役 ジエンの 性 質 及 びアルケンとの 相 違 点 に ついて 説 明 できる l 化 学 反 応 で 用 いられる 速 度 支 配 熱 力 学 支 配 という 用 語 の 意 味 を 説 明 できる l Diels-Alder 反 応 の 特 徴 を 具

有 機 化 合 物 の 反 応 ( 第 10 回 ) 創 薬 分 子 薬 学 講 座 薬 化 学 部 門 伊 藤 喬 金 光 卓 也

第 14 章 l 到 達 目 標 l 共 役 ジエンの 性 質 及 びアルケンとの 相 違 点 に ついて 説 明 できる l 化 学 反 応 で 用 いられる 速 度 支 配 熱 力 学 支 配 という 用 語 の 意 味 を 説 明 できる l Diels-Alder 反 応 の 特 徴 を 具 体 例 を 用 いて 説 明 できる l 共 役 と 有 機 化 合 物 の 色 の 関 係 について 説 明 で きる

14.1 共 役 化 合 物 共 役 conjugation : 多 重 結 合 と 単 結 合 が 交 互 に 存 在 する 部 分 構 造 1,3-ブタジエンは 共 役 ジエン 1,2-ブタジエン 1,4- ペンタジエン 等 は 非 共 役 ジエン H H H 2 H 1 H C 3 C C C H 1 C C C H C H H 1,3-ブタジエン 共 役 ジエン H H H 1,2-ブタジエン 非 共 役 ジエン H H H H 1 H C C C 4 C C H H H 1,4-ペンタジエン 非 共 役 ジエン

自 然 界 に 存 在 する 共 役 化 合 物 リコペンlycopene トマトに 含 まれる 色 素 ( 赤 色 ) 二 重 結 合 11 個 が 共 役 している プロゲステロンprogesterone 黄 体 ホルモン alkene + ketone = enone (エノン) 共 役 エノン も 共 役 化 合 物 の 一 種

14.1 共 役 化 合 物 の 安 定 性 アルケンの 安 定 性 は 接 触 還 元 ( 触 媒 を 用 いた 水 素 化 反 応 )の 際 の 発 熱 量 ( 水 素 化 熱 )によって 分 かる 発 熱 量 が 多 い 方 が 不 安 定 である( 教 科 書 p222) 予 測 値 実 測 値 差 予 測 値 実 測 値 差 1,3-ブタジエン( 共 役 ジエン)の 方 が17 kj/mol 安 定 である

共 役 化 合 物 が 安 定 な 理 由 1,3-ブタジエン ブタン 1,3-ブタジエン 中 の 単 結 合 は 一 般 の 単 結 合 より 短 い= 強 い 結 合 sp 3 混 成 軌 道 の 重 なりによる 結 合 sp 2 混 成 軌 道 の 重 なりによる 結 合 共 役 系 中 の 単 結 合 は 部 分 的 に 二 重 結 合 性 を 有 している 二 重 結 合 のπ 電 子 が C2-C3の 間 を 通 って 行 き 来 できる

電 荷 の 分 布 を 見 ると 単 結 合 は 部 分 的 な 二 重 結 合 性 を 示 している 1,4-ペンタジエンの 単 結 合 左 の 方 が 電 子 密 度 が 高 いこ とが 分 かる ( 青 赤 )

14.2 共 役 ジエンへの 付 加 反 応 アルケンに 対 する 付 加 反 応 はどのように 進 行 していたか?( 復 習 ) 1)アルケンに 対 するHClの 付 加 は 安 定 なカルボカチオンを 経 由 して 進 行 する 第 三 級 カルボカチオン 2-メチルプロペン 2) 非 共 役 二 重 結 合 では それぞれの 二 重 結 合 にマルコウニコフ 型 付 加 を 起 こす 1,4-ペンタジエン( 非 共 役 ) 2,4-ジクロロペンタン

共 役 二 重 結 合 ではどうなるか 2 1 3-ブロモ-1-ブテン 収 率 71% 1,2- 付 加 体 3 1 4 2 4 3 2 1 1-ブロモ-2-ブテン 収 率 29% 1,4- 付 加 体 2つの 生 成 物 の 混 合 物 を 与 える (1,2- 付 加 体 と1,4- 付 加 体 ) 1,4- 付 加 体 では 二 重 結 合 がC2-C3 結 合 のところに 移 動 している

共 役 ジエンに 対 するBr 2 の 付 加 2 1 4 3 2 1 3,4-ジブロモ-1-ブテン 1,4-ジブロモ-2-ブテン Br 2 の 場 合 にも1,2- 付 加 体 と1,4- 付 加 体 の 混 合 物 が 得 られる 1,2- 付 加 体 1,4- 付 加 体 という 言 葉 と 化 合 物 名 称 は 対 応 しない 1,2- 付 加 体 : 隣 り 合 った 炭 素 に2つの 基 が 付 加 1,4- 付 加 体 : 炭 素 2 個 を 間 に 挟 んだ 炭 素 に2つの 基 が 付 加 ( 一 方 を1 位 とすれば4の 位 置 )

なぜ 混 合 物 が 生 成 するのか 最 初 に 生 成 するカルボカチオンの 共 鳴 安 定 化 が 原 因 1 第 二 級 アリル 型 カルボカチオン 1,3-ブタジエン 2 第 一 級 カルボカチオン ( 生 成 しない) 最 初 のH + の 付 加 が 末 端 炭 素 C1に 起 こると より 安 定 な 第 二 級 アリル 型 カルボカチオンを 生 成 する

反 応 機 構 (2 段 階 目 ) 1 1 4 2 4 3 3 2 δ+ δ+ 正 電 荷 ( 青 色 )が2 位 と4 位 に 分 散 している 1,4- 付 加 体 29% 1,2- 付 加 体 71% Br - は2 位 または4 位 に 反 応 する

問 題 1 1 当 量 のHClと2-メチル-1,3-シクロヘキサジエンとの 反 応 で 得 られる 可 能 性 のある 生 成 物 1,2- 付 加 体 と1,4- 付 加 体 の 構 造 式 を 書 きなさい

解 答 1 第 三 級 カルボカチオン 1,2- 付 加 体 1,4- 付 加 体 H+が2,3,4 位 のいずれかに 付 加 すると 第 二 級 のカルボカチオ ンが 生 成 する 1 位 に 付 加 すると 第 三 級 カルボカチオンができる ため これが 最 も 有 利 な 反 応 経 路 と 考 えられる

14.3 反 応 における 速 度 支 配 と 熱 力 学 支 配 1,2- 付 加 体 1,4- 付 加 体 生 成 物 の 比 率 が 温 度 によって 変 化 する 高 温 で 反 応 させると1,4- 付 加 体 の 生 成 量 が 増 える

1,2- 付 加 vs. 1,4- 付 加 1,2- 付 加 体 に 向 かう 遷 移 状 態 の 方 がエネルギーが 低 い 1,4- 付 加 体 の 方 が 生 成 物 としては 安 定 1,2- 付 加 体 1,4- 付 加 体 反 応 の 進 行 1,2- 付 加 体 はより 速 く 生 成 するので 速 度 支 配 1,4- 付 加 体 はより 安 定 なので 熱 力 学 支 配 の 生 成 物 と 呼 ばれる

速 度 支 配 と 熱 力 学 支 配 1,2- 付 加 体 は 速 度 支 配 kinetic control = 速 く 生 成 する 1,4- 付 加 体 は 熱 力 学 支 配 thermodynamic control = 安 定 な 生 成 物 速 度 支 配 Kinetic Control 反 応 を 低 温 で 行 う 場 合 1,4- 付 加 体 と1,2- 付 加 体 は 不 可 逆 的 に 生 成 する( 互 いに 異 性 化 しない) このような 場 合 には 生 成 物 の 相 対 量 は 反 応 速 度 に 依 存 して 決 まる 熱 力 学 支 配 Thermodynamic Control 反 応 系 に 充 分 な 熱 エネルギーが 与 えられ 1,4- 付 加 体 と1,2- 付 加 体 が 互 いに 異 性 化 しうる 条 件 では 生 成 物 の 相 対 量 はそれら の 安 定 性 で 決 まる

1,2- 付 加 体 と1,4- 付 加 体 は 平 衡 関 係 1,2- 付 加 体 1,4- 付 加 体 のいずれに 対 しても 40 に 加 熱 すると 1,2- 付 加 体 :1,4- 付 加 体 =15:85の 混 合 物 が 生 成 する 何 れからスタートしても 40 でアリル 型 カルボカチオンを 生 成

14.4 Diels-Alder 付 加 環 化 反 応 共 役 ジエンはアルケンと 反 応 して 六 員 環 化 合 物 を 与 える 途 中 に 中 間 体 を 経 由 しない(2つの 結 合 が 同 時 に 生 成 する) Otto DielsとKurt Alderによって1930 年 代 に 発 見 された 1,3-ブタジエン 3-ブテン-2-オン 3-シクロへキセニル メチルケトン(96%) C-C 単 結 合 が 同 時 に2 本 生 成 有 用 性 が 高 い(ノーベル 賞 )

Diels-Alder 反 応 はどのように 進 行 しているか ジエンの2つの 二 重 結 合 とアルケンの1つの 二 重 結 合 3つ が 同 時 に 相 互 作 用 して 環 状 の 遷 移 状 態 を 通 る 環 状 遷 移 状 態 3つの 二 重 結 合 π 電 子 対 が 同 時 に 環 状 に 移 動 π 結 合 3つが 2つのσ 結 合 と1つの π 結 合 に 変 化 する (π 結 合 よりσ 結 合 の 方 が 安 定 )

Diels-Alder 反 応 に 用 いられるジエノフィル ジエノフィルDienophile Dieneジエン を phile 好 む アルケン phile 好 む は 他 で も 使 用 されている nucleophile 求 核 試 薬 核 nucleusを 好 む エテン 反 応 性 低 い プロペナール (アクロレイン) プロペン 酸 エチル (アクリル 酸 エチル) 無 水 マレイン 酸 ベンゾキノン アクリロニトリル プロピン 酸 メチル

Diels-Alder 反 応 は 立 体 特 異 的 に 進 む 1,3-ブタジエン (Z)-2-ブテン 酸 メチル シス 付 加 体 生 成 物 1,3-ブタジエン (E)-2-ブテン 酸 メチル トランス 付 加 体 生 成 物 cis(z)ーアルケンを 用 いるとシス 置 換 シクロヘキサンが 得 られる trans(e)ーアルケンからはトランス 置 換 シクロヘキサンが 得 られる

Diels-Alder 反 応 の 立 体 化 学 2 ジエンとジエノフィルがエキソ(exo) 体 ではなく エンド(endo) 体 を 与 えるように 配 列 する 1 炭 素 架 橋 エキソ 置 換 基 ( 大 きい 架 橋 にアンチ) 2 炭 素 架 橋 エンド 置 換 基 ( 大 きい 架 橋 にシン) エンド 置 換 基 の 方 が 立 体 的 には 混 み 合 っているにも 関 わらず エンド 付 加 体 が 優 先 的 に 生 成 する

エンド 付 加 体 の 書 き 方 1 基 本 となるDiels-Alder 反 応 1,3-ブタジエン マレイン 酸 ジメチル 二 環 性 化 合 物 シクロペンタジエン 4つのキラル 中 心 *の 相 対 関 係 により エンド 体 とエキソ 体 が 存 在 する ジエンが 環 状 化 合 物 のときにエンド 体 とエキソ 体 が 存 在 する

エンド 付 加 体 の 書 き 方 2 エンド 付 加 体 (endo) エキソ 付 加 体 (exo) 一 般 的 に,エンド 付 加 体 が 優 先 して 生 成 する 理 由 ジエンとジエノフィルのπ 結 合 を 形 成 している p 軌 道 が できるだけ 多 く 重 なる 方 が 有 利 結 合 ができる 部 分 のp 軌 道 ( 赤 点 腺 ) 以 外 に 結 合 に 関 与 しないp 軌 道 ( 青 点 線 )の 相 互 作 用 がある

ジエンとジエノフィルが 共 に 環 状 の 場 合 シクロ ペンタジエン 無 水 マレイン 酸 エンド 付 加 体 エキソ 付 加 体 エンド 付 加 体 のみが 生 成 エキソ 付 加 体 全 く 得 られない

第 97 回 薬 剤 師 国 家 試 験 問 107 97 問 107 2つの5 員 環 化 合 物 (A B)から 図 に 示 す 反 応 を 以 下 の 操 作 手 順 で 行 った この 反 応 に 関 する 記 述 のうち 正 しいものはどれか 2つ 選 べ 実 験 操 作 100 mlの 丸 底 フラスコにB(60 mmol)を 入 れ 無 水 ベンゼン(50 ml)に 溶 かす これを 約 5 に 冷 却 し A(66 mmol)の 無 水 ベンゼン(5 ml) 溶 液 を5 分 間 で 滴 下 する 室 温 で 10 分 間 撹 拌 後 さらに10 分 間 加 熱 還 流 させると 化 合 物 CとDの 生 成 を 確 認 した 放 冷 後 石 油 エーテル( 約 30 ml)をゆっくりと 加 え 冷 却 すると 生 成 物 Cが 析 出 した 1 この 反 応 はディールス アルダー 反 応 とよばれる 2 この 反 応 はエンド 則 に 従 い 主 にCを 生 じる 3 Aからヒドリドがとれて 生 じる 化 合 物 は 芳 香 族 性 を 示 す 4 Bの 名 称 は 無 水 フタル 酸 である 5 Cを 単 離 するには ひだつきろ 紙 を 用 いて 吸 引 ろ 過 するのが 最 も 適 している + (A) (B) (C) (D)

第 97 回 薬 剤 師 国 家 試 験 問 107の 解 答 1と2 1 この 反 応 はディールス アルダー 反 応 とよばれる 2 この 反 応 はエンド 則 に 従 い 主 にCを 生 じる 3 Aからヒドリドがとれて 生 じる 化 合 物 は 芳 香 族 性 を 示 す ペンタジエニルカチオンには 芳 香 族 性 はない( 中 518ページ) 4 Bの 名 称 は 無 水 フタル 酸 である 無 水 マレイン 酸 5 Cを 単 離 するには ひだつきろ 紙 を 用 いて 吸 引 ろ 過 するのが 最 も 適 している ひだつきろ 紙 は 固 体 が 必 要 ないときに 用 いる + (A) (B) (C) (D)

共 役 ジエンの 構 造 Diels-Alder 反 応 が 進 むためには ジエンはs-シス 配 座 をとる 必 要 がある s-シス 配 座 : 単 結 合 に 関 して シス の 立 体 配 座 s-シス 立 体 配 座 単 結 合 の 回 転 による 相 互 変 換 s-トランス 立 体 配 座 s-シス 立 体 配 座 をとっているときだけ Diels-Alder 反 応 を 起 こす ことが 可 能

s-シス 配 座 が 必 要 な 理 由 s-シス 配 座 s-トランス 配 座 ジエンの 両 末 端 とアルケン の 両 末 端 が 接 近 できる 軌 道 が 重 なって 化 学 結 合 生 成 ジエンの 両 末 端 がアルケン の 両 末 端 に 届 かない 軌 道 が 重 なり 合 わず 結 合 しない

s-シス 配 座 を 取 れず Diels-Alder 反 応 しないジエン (2Z,4Z)-2,4-ヘキサジエン 共 役 ジエンだが 環 によって s-トランスに 固 定 されている s-シス 型 をとるとメチル 基 がぶつかる s-トランス 型 をとると 安 定 だが 反 応 は 起 こら ない

問 題 2 次 のDiels-Alder 反 応 の 生 成 物 を 書 きなさい 2-メチル- 1,3-ブタジエン p-ベンゾキノン

解 答 2 最 初 に2-メチル-1,3-ブタジエンをs-シス 配 座 に 書 き 直 す 反 時 計 回 り に60 回 転 2つの 水 素 はシス 配 置 単 結 合 が 二 重 結 合 に 変 化

Diels-Alder 反 応 は 分 子 内 でも 起 こる ジエノフィル Diels-Alder ジエン 1つの 分 子 内 に 共 役 ジエンとジエノ フィルが 存 在 する ロバスタチン 脂 質 異 常 症 治 療 薬 として 始 めて 販 売 さ れた 医 薬 品

14.4 共 役 系 と 色 の 関 係 有 色 の 分 子 は, 可 視 領 域 に 属 する 光 ( 波 長 λがおよそ 400nm~800nm)を 吸 収 する 性 質 を 持 つ 人 間 の 目 にはその 補 色 ( 余 色 )に 当 たる 色 が 見 える その 要 件 を 満 たす 分 子 構 造 上 の 例 の 一 つが 長 い 共 役 二 重 結 合 系 を 有 することで さらに 分 子 全 体 が 平 面 構 造 を 持 つと 比 較 的 エネルギーの 低 い 可 視 光 を 吸 収 しやすく なる

ポリエン(polyene)H-(CH=CH) n -H の 吸 収 波 長 と 色 n 化 合 物 名 吸 収 波 長 色 λ max 2 1,3-ブタジエン 217 nm 無 4 1,3,5,7-オクタテトラエン 304 nm 無 6 1,3,5,7,9,11-ドデカヘキサエン 364 nm 黄 8 1,3,5,7,9,11,13,15-ヘキサデカオ クタエン 410 nm 橙 単 純 なアルケンでも 二 重 結 合 が6 個 共 役 すると 色 が 見 え 始 める

色 素 の 例 酸 化 によって 二 重 結 合 ができ 共 役 系 がつながって 色 が 出 る

化 学 反 応 によって 色 が 出 る 例 2,4-ジニトロフェニルヒドラジン 試 験 O CH 3 + H 2 N H N NO 2 N O 2 N H N NO 2 アセトフェノン( 無 色 ) O 2 N 2,4-DNP( 黄 色 ) CH 3 濃 い 橙 色 一 見 すると 共 役 系 が 長 くないように 見 えるが ニトロ 基 の 電 子 求 引 性 により 共 役 系 がつながる NHの 非 共 有 電 子 対 がニトロ 基 に 流 れ 込 むと 長 い 共 役 系 ができる 強 い 発 色

講 義 のまとめ 1 1 年 で 学 んだ 有 機 化 学 を 復 習 する 鏡 像 異 性 体 ジアステレオマー ラセミ 体 メソ 化 合 物 基 本 的 な 化 合 物 名 化 学 構 造 ( 構 造 式 手 帳 96 108ページ) 2 アルケンに 対 する 付 加 反 応 は 試 薬 によって 立 体 化 学 が 変 化 する 以 下 の 項 目 について 説 明 できる マルコウニコフ 型 付 加 トランス 付 加 シス 付 加 非 マルコウニコフ 型 付 加 3 末 端 アルキンのHの 酸 性 を 利 用 してCーC 単 結 合 を 作 り 出 す 方 法 を 説 明 できる 4 ハロゲン 化 アルキルのS N 2 反 応 E2 反 応 の 反 応 機 構 と 立 体 化 学 を 説 明 できる 5 S N 1 vs. S N 2を 制 御 する 因 子 を 説 明 できる 6 Diels-Alder 反 応 の 生 成 物 の 構 造 を 示 せる

講 義 のまとめ2 1 講 義 のプリントをよく 理 解 し 記 載 されている 問 題 は 解 ける ようにする ( 反 応 式 で 正 しい 生 成 物 が 書 けるようにする) 2 演 習 で 取 り 扱 った 問 題 も 試 験 範 囲 とする 3 これ 以 外 に 追 加 の 問 題 演 習 と その 解 答 をWebに 提 示 する 4 講 義 のパワーポイント(pdf)をWebに 公 開 します 薬 化 学 のプライベートHome page http://www10.showa-u.ac.jp/~obchem/index.html