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有機化学において、シクロアルキンはアルキン( −C≡C− )の環状類似体である。シクロアルキンは、 1 つ以上の三重結合を含む炭素原子の閉環からなる。シクロアルキンの一般式はC n H 2 n −4である。C −C≡C−Cアルキン単位の直線的な性質のため、シクロアルキンは非常に歪んでおり、環内の炭素原子の数がこの形状に対応するのに必要な柔軟性を提供できるほど大きい場合にのみ存在することができる。大きなアルキン含有炭素環は実質的に歪んでいない可能性があるが、このクラスの分子の最小の構成要素は、実験ではまだ観察されていないほどの大きな歪を経験する可能性がある。[1]シクロオクチン ( C 8 H 12 ) は、安定した化合物として単離して保存できる最小のシクロアルキンである。[2]それにもかかわらず、より小さなシクロアルキンは、他の有機分子との反応や遷移金属との錯形成によって生成され、捕捉される可能性がある。
背景
R−C≡C−R官能基によって課せられる重大な幾何学的制約のため、シクロデシン（C 10 H 16）よりも小さいシクロアルキンは高度に歪んだ構造となる。シクロノニン（C 9 H 14）とシクロオクチン（C 8 H 12）は単離可能な（ただし反応性が強い）化合物であるが、シクロヘプチン（C 7 H 10）、シクロヘキシン（C 6 H 8）およびシクロペンチン（C 5 H 6）は、過渡的反応中間体として、または金属中心に配位する配位子としてのみ存在する。 [3]シクロブチン配位子を持つオスミウム錯体の単離を報告した研究を除けば、シクロブチン（C 4 H 4）またはシクロプロピン（C 3 H 2 ）の存在を裏付ける実験的証拠はほとんどない。[4] 7員環、6員環、5員環のシクロアルキンの過渡的中間体を実証した初期の研究では、高エネルギーアルキンを適切な反応パートナー（環状ジエンやジアゾ化合物など）で捕捉して、それぞれディールス・アルダー反応やジアゾアルカン1,3-双極子付加環化生成物を生成することに頼っていました。[5]その後、安定した小環シクロアルキンは、ニッケル、パラジウム、白金などのさまざまな遷移金属との錯体として単離されました。[6]長い間、合成用途が限られている化学的珍奇なものと考えられてきましたが、最近の研究では、複雑な天然物の全合成と生体直交化学の両方で、歪んだシクロアルキンの有用性が実証されています。[7] [8]
角度ひずみ
シクロアルキンの角ひずみは、10個未満の炭素を含む環の分子構造を収容するために発生しなければならないR−C≡C結合角の変形から生じる。シクロノニン（ C 9 H 14）およびシクロオクチン（C 8 H 12）に関連するひずみエネルギーは、それぞれ約2.9 kcal/molおよび10 kcal/molである。[9]このクラスの単離可能な構成要素のエネルギーのこの上昇傾向は、環のサイズと逆相関して角ひずみが急速に増加していることを示している。光電子分光法による分析では、小さな環状システムのアルキン結合は、2つの非縮退π結合 （エネルギーの低いπ結合に垂直な反応性の高いひずみの結合）で構成されていることが示された。[10] R−C≡C結合角のシス曲げは最低空分子軌道のエネルギーの劇的な低下をもたらし、これは分子軌道理論の観点から歪んだシクロアルキンの反応性を説明する現象である。[11]
合成
歪んだシクロアルキンの合成に向けた初期の取り組みでは、1-クロロシクロアルケンから塩酸を除去することでシクロアルキンを適度な収率で生成できることが示されました。目的の生成物は、対応するアレンを主生成物として混合物として得ることができました。 [12]
この分野でのさらなる研究は、より穏やかな反応条件の開発とより安定した収率を生み出すことを目指した。望ましくないアレンの生成を回避するために、アレン生成のための小林法がシクロアルキンの合成に適応された。[13]
最近では、藤田によって歪んだシクロアルキンを生成する優れた方法が開発されました。これは、ビニルヨードニウム塩の塩基誘導β脱離を伴うものです。ビニルヨードニウムは、正に帯電したヨウ素種の強力な電子吸引能力とヨードニウムの脱離基能力から生じる高い反応性により、歪んだシクロアルキンの合成前駆体として特に有用であることが証明されました。[14]
記載した脱離型経路に加えて、環状ビスヒドラゾンを酸化水銀[15]または四酢酸鉛[3]で酸化することによってもシクロアルキンが得られるほか、セレナジアゾール[ 16]の熱分解によってもシクロアルキンが得られる。
反応
ひずみシクロアルキンは、開鎖アルキンに典型的なすべての付加反応を起こすことができます。環状炭素-炭素三重結合の活性化特性により、ディールス-アルダー、1,3-双極子環状付加、ハロゲン化などの多くのアルキン付加型反応は、非常に穏やかな条件で、非環状システムでの変換を加速するために頻繁に必要とされる触媒なしで実行できます。アルキンの反応性に加えて、シクロアルキンは、合成上有用な多くの独自の変換を起こすことができます。
シクロヘキシン環挿入
特に興味深い反応様式の1つは、シクロヘキシンの環状ケトンへの環挿入である。反応はアルコキシド媒介による反応性シクロアルキン種のその場での生成によって開始され、続いてケトンのα-脱プロトン化により対応するエノラートが生成される。その後、2つの化合物は形式的な[2+2]-光環化付加を経て、非常に不安定なシクロブタノラート中間体を生成するが、これは容易にエノン生成物に分解する。[17]
この反応は、カレイラによるグアナカスタペンOとNの全合成における重要なステップとして利用された。この反応により、5-7-6環系の迅速な構築が可能になり、その後の機能化に有用な合成ハンドルが提供された。[18] [19]
シクロオクチンを用いた銅フリークリック反応
単離可能な最小のシクロアルキンであるシクロオクチンは、ひずみにより銅(I)触媒がなくても、穏やかな生理学的条件下でアジド-アルキンヒュスゲン環化付加を起こすことができる。この反応は、生細胞イメージングのための生体直交変換として広く応用されている。 [20]この反応の穏やかな銅触媒変種である直鎖アルキンとのCuAAC（銅触媒アジド-アルキン環化付加）は知られていたが、銅を使わない反応の開発は、毒性金属触媒を必要とせずに容易な反応性を提供するという点で重要であった。[21]
参考文献
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