シクロプロパン化

有機化学において、シクロプロパン化はシクロプロパン（(CH ₂ ) ₃）環を生成する化学反応を指す。多くの有用な化合物がこのモチーフを有しているため、これは現代化学において重要な反応である。例えば、ピレスロイド系殺虫剤や多くのキノロン系抗生物質（シプロフロキサシン、スパルフロキサシンなど）などである。しかし、シクロプロパンは環ひずみが大きいため生成が難しく、一般にカルベン、イリド、カルバニオンなどの反応性の高い種の使用が必要となる。^[1]反応の多くはキレトロピー的に進行する。

カルベン型試薬を使用してアルケンをシクロプロパン環に変換する方法はいくつかある。カルベン自体は反応性が高いため、カルベノイドと呼ばれる安定化された形で使用されるのが一般的である。^[2]

シモンズ・スミス反応では、反応性カルベノイドはヨウ化メチル亜鉛であり、これは通常、ジヨードメタンと亜鉛銅の反応によって生成されます。より安価な代替物、例えばジブロモメタン^[3]やジアゾメタンとヨウ化亜鉛^[4]などを用いた改良法も開発されています。亜鉛銅の反応をジエチル亜鉛に置き換えることで、システムの反応性を高めることもできます。^[5] 非対称バージョンも知られています。^[6]

ジアゾメタンなどの特定のジアゾ化合物は、オレフィンと反応して2段階でシクロプロパンを生成できます。最初のステップでは、1,3-双極子環化付加によってピラゾリンが形成され、次に光化学的または熱分解によって脱窒素されてシクロプロパンが得られます。KOHと白金を触媒として使用することが多い熱経路は、ロシアの化学者ニコライ・キシュナーにちなんでキシュナーシクロプロパン合成としても知られており^{[7] [8] 、}ヒドラジンとα,β-不飽和カルボニル化合物を使用して行うこともできます。^[9]分解のメカニズムはいくつかの研究の対象となっており、ジラジカル種を経由して進行すると広く考えられていますが、多少議論の余地があります。^{[10] [11]}グリーンケミストリーの観点から、この方法は他のカルベンベースのシクロプロパン化よりも優れています。この反応は金属やハロゲン化試薬を必要とせず、副産物として N _{2のみを生成するため、非常に安全です。ただし、ピラゾリンの熱転位中に微量の未反応ジアゾ化合物が爆発する可能性があるため、この反応は危険です。}

メチルフェニルジアゾ酢酸塩および多くの関連ジアゾ誘導体は、シクロプロパン化や有機基質のCH結合への挿入に使用できるドナー-アクセプターカルベンの前駆体である。これらの反応は、ロジウム(II)トリフルオロ酢酸塩および関連キラル誘導体によって触媒される。^{[12] [13] [14]}

遊離カルベンはシクロプロパン化反応に使用できますが、簡単に生成できるものはほとんどなく、ほぼすべてが不安定であるため、その用途は限られています（カルベン二量化を参照）。例外はジクロロカルベンやジフルオロカルベンなどのジハロカルベンで、これらは適度に安定しており、反応してジェミナルジハロシクロプロパンを形成します。^{[15]これらの化合物は、}スカッテベル転位を介してアレンを形成するために使用できます。

ブフナー環拡大反応では安定化カルベンも生成される。シクロプロパン化も立体特異的であり、カルベンとカルベノイドのアルケンへの付加はキレトロピー反応の一種であり、付加はシン様式で起こる。例えば、ジブロモカルベンとシス-2-ブテンからはシス-2,3-ジメチル-1,1-ジブロモシクロプロパンが得られるが、トランス異性体からはトランスシクロプロパンのみが生成される。^[16]

シクロプロパンはジョンソン・コーリー・チャイコフスキー反応において硫黄イリドを用いて生成することができるが^[17]、このプロセスは主に電子不足のオレフィン、特にα,β-不飽和カルボニル化合物への使用に限定されている。

シクロプロパンは、さまざまな分子内環化反応によって得られます。簡単な方法は、適切に配置された電子吸引基を持つ第一級ハロアルカンを使用することです。強塩基で処理するとカルボアニオンが生成され、ハロゲン化物が置換されて3-エキソ-トリグアニオンの形で環化します。例としては、シクロプロピルシアニド^[18]やシクロプロピルアセチレン^[19]の形成があります。このメカニズムは、ファヴォルスキー転位の基礎にもなっています。

関連するプロセスとして、ウルツカップリングによる1,3-ジブロモプロパンの環化がある。これは1881年にアウグスト・フロイントによるシクロプロパンの最初の合成に使用された。もともとこの反応はナトリウムを使用して行われたが^{[20] 、これを}亜鉛に置き換えることで収率を向上させることができる。^[21]

BrCH ₂ CH ₂ CH ₂ Br + 2 Na → (CH ₂ ) ₃ + 2 NaBr

• クリンコビッチ反応は、チタンアルコキシドの存在下でエステルとグリニャール試薬との反応によりシクロプロパノールを形成します。
• ビンゲル反応は、フラーレンを官能基化するために使用される特殊なシクロプロパン化反応です。
• ジ-π-メタン転位反応では、光化学刺激により1,4-ジエンが転位してビニルシクロプロパンが形成される。^[22]これらはその後ビニルシクロプロパン転位反応を起こすことができる。
• シクロプロパン脂肪酸アシルリン脂質合成酵素は生物系においてシクロプロパン化を行う
• コバルト(II)-ポルフィリン触媒を使用し、ジアゾ化合物とオレフィンを使用します。

シクロプロパンは生化学では比較的まれですが、自然界では多くのシクロプロパン化経路が特定されています。最も一般的な経路は、テルペノイドのカルボカチオンの閉環反応です。シクロプロパン脂肪酸は、不飽和脂肪酸に対するS-アデノシルメチオニン（SAM）の攻撃から得られます。ホルモンエチレンの前駆体である1-アミノシクロプロパン-1-カルボン酸は、ピリドキサールリン酸との縮合に続いてSMe ₂基の分子内求核置換を介してSMMから直接誘導されます。^{[23]ジアゾエステルからオレフィンへの直接カルベン移動は、}指向性進化によって最適化されたバチルスメガテリウム由来のシトクロムP450酵素の改変バリアントを使用したin vitro生体触媒によっても達成されています。^[24]