有機化合物の反応10（2018）講義用.ppt

有機化合物の反応（第

10

回）

創薬分子薬学講座薬化学部門　　

金光 卓也

第

14章

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 C C C C H H H H H C C C H H H C H H H H C C C C C H H H H H H H 1,3-ブタジエン 共役ジエン 1,2-ブタジエン 非共役ジエン 1,4-ペンタジエン _{非共役ジエン} 1 3 1 2 1 ₄

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）

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ｐ２２１）。

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 sp3_{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。 2-メチルプロペン 第三級カルボカチオン 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

3-ブロモ-1-ブテン 収率71％ 1,2-付加体 1-ブロモ-2-ブテン 収率29％ 1,4-付加体 1 2 3 4 1 2 1 4 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。 2 3

共役ジエンに対する

Br

₂

の付加

１ １ ２ ２ ３ ４ 3,4-ジブロモ-1-ブテン 1,4-ジブロモ-2-ブテン Br₂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

1,3-ブタジエン 第二級アリル型カルボカチオン 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 １ 2

反応機構（

2段階目）

1,4-付加体 29％ 1,2-付加体 71％ δ+ δ+ 1 2 3 4 1 2 3 4 正電荷（青色）が2位と4位 に分散している。 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

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。 第三級カルボカチオン

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

1,2-付加 vs. 1,4-付加

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。 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。

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。

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％）}

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 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 「phile好む」は他で も使用されている nucleophile 求核試薬 核nucleusを好む

Diels-Alder反応は立体特異的に進む

1,3-ブタジエン 1,3-ブタジエン (Z)-2-ブテン酸メチル (Ｅ)-2-ブテン酸メチル シス付加体生成物 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 2炭素架橋 エキソ置換基 （大きい架橋にアンチ） 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 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。 二環性化合物

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 のみが生成 エキソ付加体 全く得られない エンド付加体 エキソ付加体

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

s-トランス立体配座

単結合の回転 による相互変換 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

ジエンの両末端とアルケン の両末端が接近できる

s-トランス配座

ジエンの両末端がアルケン の両末端に届かない 軌道が重なって化学結合生成 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

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 (2Z,4Z)-2,4-ヘキサジエン

問題２

次の

_{Diels-Alder反応の生成物を書きなさい。}

2-メチル-

解答２

2つの水素はシス配置 単結合が二重結合に変化 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

Diels-Alder反応は分子内でも起こる

1つの分子内に共 役ジエンとジエノ フィルが存在する ジエン ジエノフィル 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 Diels-Alder

§

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 λ_max 色 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

化学反応によって色が出る例

CH₃ O アセトフェノン（無色） H N H₂N O₂N NO₂ + 2,4-DNP（黄色） CH₃ N H N O₂N NO₂ 濃い橙色 2,4-ジニトロフェニルヒドラジン試験 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（講義中の化合物、および構造式手帳98〜110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_SN2反応、_E2反応の反応機構と立体化学 　　を説明できる。 ５　_{SN1 vs. SN2}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に公開しています。} 薬化学のプライベート_{Home page} 　　　http://www10.showa-u.ac.jp/~obchem/index.html

次回（４月２７日（金）１限目）の予定

１　演習⑤の解説

２　小テスト（演習⑥）

　　　テスト範囲は定期テストと同じ

３　小テストの解説