アリル株

有機化学におけるアリルひずみ（ A ^1,3ひずみ、1,3-アリルひずみ、またはA-ひずみとも呼ばれる）は、オレフィン（アルケンの同義語）の一方の端にある置換基と、もう一方の端にあるアリル置換基との相互作用から生じるひずみエネルギーの一種である。 ^[1]置換基（R および R'）のサイズが十分に大きい場合、それらは立体的に干渉し合い、一方の配座異性体が他方よりも大幅に有利になることがある。^[2]アリルひずみは、1965 年にジョンソンとマルホトラによって初めて文献で認識された。著者らは、環内および環外二重結合を含むシクロヘキサン配座を調査していたときに、二重結合によって引き起こされる幾何学的制約のために特定の配座が不利になることに気付いた。^[3]有機化学者は、アリルひずみから生じる剛性を不斉反応に利用している。^[2]

アリルひずみエネルギーの定量化

分子の「ひずみエネルギー」は正確に定義するのが難しい量であるため、この用語の意味は解釈によって簡単に変わる可能性があります。^[4]代わりに、分子のアリルひずみを客観的に見る方法は、その配座平衡を通して見ることです。関係する配座異性体の生成熱を比較することで、全体的な ΔH _{eq を}評価できます。この用語は、関係する配座異性体の相対的な安定性と、アリルひずみが 1 つの平衡に与える影響に関する情報を提供します。生成熱は熱量測定研究を通じて実験的に決定できますが、取得が容易なため、計算されたエンタルピーがより一般的に使用されています。^[4]

立体配座平衡エンタルピーを推定するために利用されるさまざまな方法には、ウェストハイマー法、^[5]、ホモモルフ法、^[6]、およびより単純な方法として、分子内の非結合相互作用の推定エンタルピーを使用する方法があります。^[3]これらの方法はすべて近似値であるため、同じ分子に対して報告されたひずみ値は異なる可能性があり、ひずみエネルギーの概要を示すためにのみ使用する必要があります。

オレフィン

アリルひずみを示す最も単純なタイプの分子はオレフィンです。置換基に応じて、オレフィンはさまざまな程度のアリルひずみを維持します。3-メチル-1-ブテンでは、アリル系の水素と2つのメチル基との相互作用により、エンタルピーが2 kcal/molに変化します。^[7]^{[検証が必要]}予想どおり、置換基のサイズが大きくなると、回転異性体間の平衡エンタルピーも増加します。たとえば、3-メチル-1-ブテンと比較して追加のアリルメチル基を含む4-メチル-2-ペンテンを調べると、最もエネルギーの高いコンフォーマーの回転エンタルピーは2 kcal/molから4 kcal/molに増加します。^[7]

環状分子

非結合 1,3-ジアキシャル相互作用エネルギーは、これらの相互作用の値が利用可能であるため、環状分子のひずみエネルギーを概算するために一般的に使用されます。各コンフォーマーの非結合相互作用の差を取ることで、平衡エンタルピーを推定できます。メチリデンシクロヘキサンのひずみエネルギーは、1,3-ジアキシャルひずみ（0.9 kcalmol ⁻¹）、メチル/水素アリルひずみ（1.3kcalmol ⁻¹）、およびメチル/メチルアリルひずみ（7.6 kcalmol ⁻¹^）の値の推定値を使用して、4.5 kcalmol −1と計算されています。^[2]

1,8-ジメチルナフタレンのひずみエネルギーは7.6 kcalmol ^−1、4,5-ジメチルフェナントレンの場合は約12-15 kcalmol ^{−1と計算された。}^{[2]環状分子の場合、ひずみエネルギーはシステムの剛性が増すにつれて増加するため、オレフィンの場合よりもアリルひずみが大きくなる傾向がある。6員環におけるアリルひずみの詳細な概要は、Johnson, F.}^[2]によるレビューで発表されている。

影響要因

アリルひずみに伴うエネルギーペナルティにはいくつかの要因が影響します。2つのメチル基間の相互作用によって引き起こされるひずみを軽減するために、シクロヘキサンはボート型またはねじれボート型の配座を示すことがよくあります。ボート型配座は、ひずみに対する主要な配座になる傾向があります。[2] シスアルケンに対するアリル^ひずみの影響により、より直線的な構造が好まれます。^[1]

置換基のサイズ

アリル基の 1 位と 3 位で相互作用する置換基の大きさは、多くの場合、ひずみの大きさに寄与する最大の要因です。原則として、置換基が大きいほど、ひずみの大きさも大きくなります。かさ高い基が近接すると、反発するファンデルワールス力が増大します。これにより、ひずみの大きさが急速に増大します。アリル系における水素とメチル基の相互作用により、エンタルピーが 3.6 kcal/mol 変化します。^[7] この系のひずみエネルギーは、2 つのメチル基の相互作用により 7.6 kcal/mol と計算されました。^[2]

置換基の極性

極性はアリルひずみにも影響を及ぼします。立体選択性の観点から見ると、極性基は大きくてかさばった基のように機能します。2 つの基がほぼ同じA 値を持つ場合でも、極性基ははるかにかさばっているかのように機能します。これは、極性基のドナー特性によるものです。極性基は、遷移状態におけるσ システムのHOMOエネルギーを増加させます。これにより、極性基が 1,3 アリルひずみで相互作用していないときに、遷移状態がはるかに有利な位置になります。^[8]

水素結合

特定の極性置換基では、置換基間のアリル系で水素結合が発生する可能性があります。通常、基が近接している場合に発生する歪みとは異なり、水素結合は立体配座を安定化し、エネルギー的に非常に有利にします。このシナリオは、1位のアリル置換基が水素結合供与体（通常はヒドロキシル）であり、3位の置換基が水素結合受容体（通常はエーテル）である場合に発生します。アリル系が水素結合受容体の位置に非常に小さな水素を配置するように適合できる場合でも、水素結合を形成させる方がはるかに有利です。^[9]

溶剤

溶媒もアリルひずみに影響を及ぼします。極性がアリルひずみに及ぼす影響に関する知識と組み合わせて使用すると、溶媒は遷移状態のアリル構造を含む生成物の立体配座を導くのに非常に役立ちます。かさばった極性溶媒がアリル基の置換基の1つと相互作用できる場合、溶媒の複合体はかさばった複合体をアリルひずみからエネルギー的に押し出し、より小さな基を優先させることができます。^[10]

活用

共役により、置換基が配置を変えて原子同士がより接近し、反発するファンデルワールス力が強くなるため、アリルひずみが増大します。^[11] この状況は、アリル基の置換基としてカルボン酸またはケトンが含まれる場合に最も顕著に発生します。カルボキシル基に対する共鳴効果により、CO二重結合がヒドロキシル基に変化します。カルボキシル基はヒドロキシル基として機能し、大きなアリルひずみを生じさせ、拡張共役の安定化効果を打ち消します。これはエノール化反応で非常に一般的であり^[2]、下の図の「酸性条件」で確認できます。

分子が共役系にあるか、アリルひずみを回避できる状況では、分子の主な形態はひずみを回避する形態になることが示されています。これは、下の図の環化によって確認されています。^[12]過塩素酸処理により、分子Aは分子Bで示される共役系に環化します。しかし、分子は（アリルひずみにより）分子Cに再配置され、分子Cが主な種になります。したがって、アリルひずみによる不安定化の程度は、共役系によって引き起こされる安定化を上回ります。^[2]

酸性条件

エノール化がアリル基の周囲で起こっている場合（通常は環状システムの一部として）、A ^1,3ひずみにより反応がほぼ不可能になることがあります。このような状況では、通常、酸処理によりアルケンがプロトン化され、二重結合がカルボキシル基に移動してヒドロキシ基に変化します。その結果、アルコールとアリル系に関与する他の基との間にアリルひずみが生じ、通常の熱力学的条件下では反応が起こりません。^[13] この同じエノール化は、カルボキシル基が遷移状態で保持され、分子がアリルひずみを引き起こさない立体配座をとることができるため、塩基性条件下でははるかに急速に起こります。^[13]

有機反応および全合成におけるアリル基の応用

アリル基由来の有機反応の立体選択性の起源

アリルひずみを考慮する場合、反応の可能なコンフォーマーと可能な立体電子的要求を考慮する必要がある。例えば、(Z)-4-メチルペンタ-2-エンのコンフォメーションでは、分子は好ましいコンフォーマーに固定されず、1kcal/mol未満のコストで約30°の二面角で回転する。立体選択的反応では、アリルひずみが反応に及ぼす効果は、立体効果と電子効果の2つである。立体効果は、最大の基がアルケンから最も遠くなることを好む場合である。電子効果は、置換基の軌道が反応に応じて軌道の反対または外側に整列することを好む場合である。^[14]

ヒドロホウ素化反応

ヒドロホウ素化反応は、アルケンをアルコールに官能化する有用な反応である。この反応では、トリメチルシリル（TMS）基が反応の立体選択性を導く上で2つの役割を果たす。第一に、TMSのかさばるサイズは、分子がTMSがアルケンのメチル基に近づかない配座を好ましく採用するのを助けた。第二に、TMS基は、アルケンの配向軌道に対して反配座を採用することにより、分子に立体電子効果を付与した。反応の位置選択性については、TMS基はメチル基よりもはるかによく、二次炭素上に発生する部分的な正電荷を安定化することができる。^[15]

アルドール反応

非常に用途が広く使用されているエヴァンスのアルドール反応では、^[16]アリル歪みが反応の発展に大きな役割を果たしました。Zエノラートは、オキサゾリジノンによるアリル歪みを避けるために作られました。特定のエノラートの形成により、反応全体を通じて相対的な立体化学の発達が促進されるため、アルドール反応はキラル分子を合成するための非常に予測可能で有用な方法論となっています。絶対立体化学は、オキサゾリジノンのキラリティーによって決定されます。

アルドール反応には、アリルひずみによって影響を受ける別の側面があります。2 回目のアルドール反応では、1,3 ジカルボニルである生成物が高ジアステレオ選択性で生成されます。これは、脱プロトン化が起こるためには、好ましくない配座で発達中のアリルひずみを通過する必要があるため、プロトンの酸性度が大幅に低下するためです。好ましい配座では、脱プロトン化が起こるようにプロトンが適切に整列していません。

ディールス・アルダー反応

分子内ディールス・アルダー反応では、ジエンまたはジエノフィル上のアリル1,3ひずみによって不斉誘導が誘発される可能性がある。次の例では、^[17]ジエノフィル上のメチル基が分子に特定の6員環構造をとらせている。

クロロトリコリドを合成するモデル研究^[18]では、分子内ディールス・アルダー反応によりジアステレオマーの混合物が得られた。しかし、かさ高いTMS置換基を導入することで、反応は高いジアステレオ選択性と位置選択性で良好な収率で目的の生成物を与えた。かさ高いTMS置換基は、分子の立体配座におけるアリル1,3ひずみを高めるのに役立つ。

天然物の全合成

(+)-モネンシンの全合成に関するセミナー論文^[19]で、岸らはアリル基を利用してヒドロホウ素化酸化反応における不斉誘導を誘導した。この反応は位置選択的かつ立体選択的である。反応の位置選択性は、第三級炭素で発現する顕著な正特性によるものである。反応の立体選択性は、ボランがメチル基が存在する最も障害の少ない側から攻撃するためである。

参考文献

^ ab Eric V. Anslyn および Dennis A. Dougherty Modern Physical Organic Chemistry University Science Books、2006 年。
^ abcdefghi Johnson, F (1968). 「6員環におけるアリルひずみ」. Chem. Rev. 68 (4): 375–413. doi :10.1021/cr60254a001.
^ ab Johnson, F; Malhorta, SK (1965). 「アリル系および擬似アリル系における立体干渉。I. 2つの立体化学定理」J. Am. Chem. Soc . 87 (23): 5492–5493. doi :10.1021/ja00951a047.
^ ab Allinger, NL; Hirsch, Jerry A.; Miller, Mary Ann.; Tyminski, Irene J. (1968). 「コンフォメーション解析。LXIV. Westheimer法による不飽和炭化水素の構造とエネルギーの計算」。J. Am. Chem. Soc. 90 (21): 5773–5780. doi :10.1021/ja01023a021.
^ Eliel, EL; Allinger, NL; Angyal, SJ; Morrison, GA立体配座解析Interscience Publishers, Inc., New York, NY, 1965.
^ Brown, H.; Barbarahs, GK; Berneis, HL; Bonner, WH; Johannesen, MG; Grayson, M. (1953). 「歪んだ同形体。14. 全体概要」。J . Am. Chem. Soc. 75 (1): 1–6. doi :10.1021/ja01097a001.
^ abcd Hoffman, R (1989). 「立体選択的変換における制御因子としてのアリル1,3-ひずみ」. Chem. Rev. 89 (8): 1841–1860. doi :10.1021/cr00098a009.
^ Bach, T.; Jodicke K.; Kather, K.; Frohlich, R. (1997). 「キラルシリルエノールエーテルのパテルノ・ブッヒ反応における制御要素としての1,3-アリルひずみ：4つの連続した立体中心を含むジアステレオマー的に純粋なオキセタンの合成」J. Am. Chem. Soc. 119 (10): 5315–5316. doi :10.1021/ja963827v.
^ Ramey, B.; Gardner, P. (1967). 「α, β-不飽和ケトンへの光化学的アルコール付加のメカニズム」J. Am. Chem. Soc. 89 (15): 3949–3950. doi :10.1021/ja00991a078.
^ McGarvey, G.; Williams, J. (1985). 「アリル非対称性の立体電子制御特性。エステルエノラートアルキル化への応用」。J . Am. Chem. Soc. 107 (5): 1435–1437. doi :10.1021/ja00291a067.
^ Harris, RK; Sheppard, N. (1967). 「NMRで調べたシクロヘキサンの環反転に関するコメント」J. Mol. Spectrosc. 23 (2): 231–235. Bibcode :1967JMoSp..23..231H. doi :10.1016/0022-2852(67)90015-X.
^ Overton, KH; Renfrew, AJ (1967). 「ラブダノール酸とエペル酸の C-13 の配置」J. Chem. Soc. C : 931–935. doi :10.1039/J39670000931.
^ WRヴォーン;ケープル、R;チャピラ、J;シャイナー、P (1965)。「β-ブロモ酸。II. 環状β-ブロモ酸の加溶媒分解」。J.Am.化学。社会87 (10): 2204.土井:10.1021/ja01088a020。
^ Houk KN; Paddon-Row, M.; Rondan, N.; Wu, Y.; Brown, F.; Spellmeyer, D.; Metz, J.; Li, Y; Loncharich, R.; et al. (1986). 「立体選択的有機反応の理論とモデリング」. Science . 231 (4742): 1108–1117. Bibcode :1986Sci...231.1108H. doi :10.1126/science.3945819. PMID 3945819.
^ Fleming, I. (1988). 「シリコン化合物を用いた有機合成における立体制御」. Pure Appl. Chem. 60 :71–78. doi : 10.1351/pac198860010071 .
^ Evans, DA; Takacs, JM; McGee, LR; Ennis, MD; Mathre, DJ; Bartroli, J.; et al. (1981). 「キラルエノラート設計」. Pure Appl. Chem. 53 (6): 1109. doi : 10.1351/pac198153061109 . S2CID 93637283.
^ Ichihara, A.; et al. (1986). 「ジプロディアトキシンの立体選択的全合成と立体化学、ジプロディアトキシンは、カビ毒由来か?」Tetrahedron Lett. 27 (12): 1347–1350. doi :10.1016/S0040-4039(00)84255-0.
^ Roush, WR; Kageyama, Masanori; Riva, Renata; Brown, Bradley B.; Warmus, Joseph S.; Moriarty, Kevin J.; et al. (1991). 「クロロトリコリドの下部半分のエナンチオ選択的合成。3. 分子内ディールス・アルダー反応における立体制御のための立体誘導基戦略の研究」J. Org. Chem. 56 (3): 1192. doi :10.1021/jo00003a049.
^ Nicolaou, KC; et al. Classics in Total Synthesis . Wiley. p. 185.

外部リンク

上級有機化学講義ノート (エバンス、DA; マイヤーズ、AG ハーバード大学、2006-2007)

[AD-Book-1] Eric V. Anslyn および Dennis A. Dougherty Modern Physical Organic Chemistry University Science Books、2006 年。

[J1968-2] Johnson, F (1968). 「6員環におけるアリルひずみ」. Chem. Rev. 68 (4): 375–413. doi :10.1021/cr60254a001.

[JM1965-3] Johnson, F; Malhorta, SK (1965). 「アリル系および擬似アリル系における立体干渉。I. 2つの立体化学定理」J. Am. Chem. Soc . 87 (23): 5492–5493. doi :10.1021/ja00951a047.

[Allinger-4] Allinger, NL; Hirsch, Jerry A.; Miller, Mary Ann.; Tyminski, Irene J. (1968). 「コンフォメーション解析。LXIV. Westheimer法による不飽和炭化水素の構造とエネルギーの計算」。J. Am. Chem. Soc. 90 (21): 5773–5780. doi :10.1021/ja01023a021.

[westbook-5] Eliel, EL; Allinger, NL; Angyal, SJ; Morrison, GA立体配座解析Interscience Publishers, Inc., New York, NY, 1965.

[homomorph-6] Brown, H.; Barbarahs, GK; Berneis, HL; Bonner, WH; Johannesen, MG; Grayson, M. (1953). 「歪んだ同形体。14. 全体概要」。J . Am. Chem. Soc. 75 (1): 1–6. doi :10.1021/ja01097a001.

[H1989-7] Hoffman, R (1989). 「立体選択的変換における制御因子としてのアリル1,3-ひずみ」. Chem. Rev. 89 (8): 1841–1860. doi :10.1021/cr00098a009.

[BJKF1997-8] Bach, T.; Jodicke K.; Kather, K.; Frohlich, R. (1997). 「キラルシリルエノールエーテルのパテルノ・ブッヒ反応における制御要素としての1,3-アリルひずみ：4つの連続した立体中心を含むジアステレオマー的に純粋なオキセタンの合成」J. Am. Chem. Soc. 119 (10): 5315–5316. doi :10.1021/ja963827v.

[RG1967-9] Ramey, B.; Gardner, P. (1967). 「α, β-不飽和ケトンへの光化学的アルコール付加のメカニズム」J. Am. Chem. Soc. 89 (15): 3949–3950. doi :10.1021/ja00991a078.

[MW1985-10] McGarvey, G.; Williams, J. (1985). 「アリル非対称性の立体電子制御特性。エステルエノラートアルキル化への応用」。J . Am. Chem. Soc. 107 (5): 1435–1437. doi :10.1021/ja00291a067.

[HS1967-11] Harris, RK; Sheppard, N. (1967). 「NMRで調べたシクロヘキサンの環反転に関するコメント」J. Mol. Spectrosc. 23 (2): 231–235. Bibcode :1967JMoSp..23..231H. doi :10.1016/0022-2852(67)90015-X.

[OR1967-12] Overton, KH; Renfrew, AJ (1967). 「ラブダノール酸とエペル酸の C-13 の配置」J. Chem. Soc. C : 931–935. doi :10.1039/J39670000931.

[VCCS1965-13] WRヴォーン;ケープル、R;チャピラ、J;シャイナー、P (1965)。「β-ブロモ酸。II. 環状β-ブロモ酸の加溶媒分解」。J.Am.化学。社会87 (10): 2204.土井:10.1021/ja01088a020。

[14] Houk KN; Paddon-Row, M.; Rondan, N.; Wu, Y.; Brown, F.; Spellmeyer, D.; Metz, J.; Li, Y; Loncharich, R.; et al. (1986). 「立体選択的有機反応の理論とモデリング」. Science . 231 (4742): 1108–1117. Bibcode :1986Sci...231.1108H. doi :10.1126/science.3945819. PMID 3945819.

[15] Fleming, I. (1988). 「シリコン化合物を用いた有機合成における立体制御」. Pure Appl. Chem. 60 :71–78. doi : 10.1351/pac198860010071 .

[16] Evans, DA; Takacs, JM; McGee, LR; Ennis, MD; Mathre, DJ; Bartroli, J.; et al. (1981). 「キラルエノラート設計」. Pure Appl. Chem. 53 (6): 1109. doi : 10.1351/pac198153061109 . S2CID 93637283.

[17] Ichihara, A.; et al. (1986). 「ジプロディアトキシンの立体選択的全合成と立体化学、ジプロディアトキシンは、カビ毒由来か?」Tetrahedron Lett. 27 (12): 1347–1350. doi :10.1016/S0040-4039(00)84255-0.

[18] Roush, WR; Kageyama, Masanori; Riva, Renata; Brown, Bradley B.; Warmus, Joseph S.; Moriarty, Kevin J.; et al. (1991). 「クロロトリコリドの下部半分のエナンチオ選択的合成。3. 分子内ディールス・アルダー反応における立体制御のための立体誘導基戦略の研究」J. Org. Chem. 56 (3): 1192. doi :10.1021/jo00003a049.

[19] Nicolaou, KC; et al. Classics in Total Synthesis . Wiley. p. 185.