電子環反応

有機化学において、電子環式反応は、1つのパイ結合が1つのシグマ結合に変換されるか、またはその逆の結果として生じるペリ環転位の一種です。 ^[1]これらの反応は通常、次の基準によって分類されます。

反応は光化学的または熱的のいずれかになります。
反応は開環反応または閉環反応（電子環化反応）のいずれかになります。
反応の種類（光化学反応または熱反応）とπ電子の数に応じて、反応は共回転または逆回転のメカニズムを通じて起こります。
回転の種類によって、生成物のシス異性体が形成されるかトランス異性体が形成されるかが決まります。

古典的な例

ナザロフ環化反応は、ジビニルケトンをシクロペンテノンに変換する電子環化反応です。

典型的な例としては、3,4-ジメチルシクロブテンの熱開環反応が挙げられる。シス異性体はシス、トランス-ヘキサ-2,4-ジエンのみを生成し、トランス異性体はトランス、トランスジエンを生成する：^[2]

この反応過程は、フロンティア軌道法による簡単な分析で説明できます。反応物のシグマ結合は、結果として生じるp 軌道が生成物 (ヘキサジエン) のHOMOと同じ対称性を持つように開きます。これを実現する唯一の方法は、末端ローブの位相が逆になる共回転開環です。

電子環式反応の立体特異性

電子環式反応を実行する場合、反応生成物のシス/トランス構造を予測することが望ましい場合がよくあります。このプロセスの最初のステップは、反応が共回転または逆回転のどちらで進行するかを判断することです。以下の表は、熱および光化学電子環式反応の選択性規則を示しています。

以下の例では、 (トランス、シス、トランス)-オクタ-2,4,6-トリエンの熱反応は、回転反転機構によって起こります。回転の種類を決定した後、出発分子を調べることで、生成物がシスかトランスかが決定できます。以下の例では、回転反転によって両方のメチルが上向きになり、生成物はシス-ジメチルシクロヘキサジエンになります。

さらに、電子環式反応におけるトルク選択性は回転方向を指します。たとえば、共回転性の反応では、2 つの方向に回転することができ、エナンチオマー生成物が生成されます。トルク選択性の反応では、これらの回転方向の 1 つが (部分的または完全に) 制限され、エナンチオマー過剰の生成物が生成されます。

熱反応のメカニズム

ウッドワード・ホフマンルール

反応物の分子軌道と、同じ対称性を持つ生成物の分子軌道を結び付ける相関図を、2つのプロセスに対して作成することができます。^[3]

これらの相関図は、3,4-ジメチルシクロブテンの共回転開環のみが対称性が許可され、5,6-ジメチルシクロヘキサ-1,3-ジエンの逆回転開環のみが対称性が許可されていることを示しています。これは、これらの場合にのみ、遷移状態で最大の軌道重なりが発生するためです。また、形成された生成物は励起状態ではなく基底状態になります。

フロンティア分子軌道理論

フロンティア分子軌道理論によれば、環内のシグマ結合は、結果として生じるp軌道が生成物のHOMOと同じ対称性を持つように開く。^[4]

5,6-ジメチルシクロヘキサ-1,3-ジエンの場合、逆回転モードのみがヘキサトリエンの HOMO と同じ対称性を持つ p 軌道をもたらします。一方、3,4-ジメチルシクロブテンの場合、共回転モードのみがブタジエンの HOMO と同じ対称性を持つ p 軌道をもたらします。

光化学反応のメカニズム

3,4-ジメチルシクロブテンの開環が光化学条件下で行われた場合、許容励起状態開環反応の相関図からわかるように、結果として生じる電子環化は共回転モードではなく逆回転モードで起こるであろう。

反応全体を通じて反射面の対称性が維持される逆回転モードのみが、遷移状態における最大の軌道重なりをもたらします。また、この場合も、反応化合物の励起状態と同等の安定性を持つ励起状態の生成物が形成されます。

生物系における電子環反応

電子環式反応は自然界で頻繁に起こる。^[5]最も一般的な電子環化反応の一つはビタミンD3_の生合成である。

最初のステップでは、光化学的に誘導された 7-デヒドロコレステロールの回転環開裂により、プレビタミン D3 が形成されます。次に、[1,7]-水素化物シフトによりビタミン D ₃が形成されます。

もう 1 つの例は、天然に存在するオキセピンであるアラノチンとその関連化合物の提案された生合成です。

フェニルアラニン由来のジケトピペラジンの酵素エポキシ化によりアレーンオキシドが形成され、これが 6π 回転開環電子環化反応を受けて非環化オキセピンが生成される。環の 2 回目のエポキシ化後、近くの求核性窒素が求電子性炭素を攻撃し、5 員環が形成される。結果として生じる環系は、アラノチンおよびその関連化合物に見られる一般的な環系である。

ベンゾノルカラジエンジテルペノイド（左下）は、塩化メチレン溶液を沸騰させることで、ベンゾシクロヘプタトリエンジテルペノイドのイソサルビプベルリン（右）に転位した。この変換は、以下に示すように、逆回転電子環式反応とそれに続く2つの超面1,5-シグマトロピー水素シフトとして想定できる。^[6]

有機合成における電子環式反応

よく研究されている電子環式反応は、ベンゾシクロブテンの共回転熱開環反応である。反応生成物は非常に不安定なオルトキノジメタンであるが、この分子は、無水マレイン酸などの強力なジエノフィルによるエンド付加でディールス・アルダー付加物に捕捉される。図2に示されているベンゾシクロブタンの開環の化学収率は、置換基Rの性質に依存することがわかっている。^[7]トルエンなどの反応溶媒と110℃の反応温度では、収率はメチルからイソブチルメチル、そして（トリメチルシリル）メチルへと増加する。トリメチルシリル化合物の反応速度の増加は、βC-Si結合が電子を供与してシクロブタンのCC結合を弱めるため、シリコン超共役によって説明できる。

生体模倣電子環カスケード反応は、特定のエンディアンドリック酸の単離および合成に関連して発見された：^[8]^[9]

不斉電子環式反応は、現代の有機合成における新たな分野である。この分野で最も一般的に研究されている反応は、4π シュタウディンガーβ-ラクタム合成^[10]と4πナザロフ反応である。両反応の不斉触媒はキラル補助剤の使用によって制御されており、ナザロフ反応はキラルルイス酸、ブレンステッド酸、キラルアミンを使用して触媒的に行われている。 ^[11]

参考文献

^ IUPACゴールドブック
^ -および-3,4-ジメチルシクロブテンの製造と異性化。 テトラヘドロンレター、第6巻、第17号、1965年、1207-1212ページルドルフエルンストK.ウィンターdoi：10.1016 / S0040-4039（01）83997-6
^ 軌道対称性の保存。Acc . Chem. Res.、第1巻、第1号、1968年、17～22ページ Roald HoffmannとRobert B. Woodward doi :10.1021/ar50001a003
^ フレミング、イアン。フロンティア軌道と有機化学反応。1976年（ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社）ISBN 0-471-01820-1
^ 生合成および生体模倣電気環化。Chem . Rev.、第105巻、第12号、2005年、4757-4778ページ Christopher M. Beaudry、Jeremiah P. Malerich、Dirk Trauner doi :10.1021/cr0406110
^ JT Arnason、Rachel Mata、John T. Romeo。薬用植物の植物化学（第2版）。1995年（Springer）ISBN 0-306-45181-6、ISBN 978-0-306-45181-2
^ α-ケイ素原子の影響下でのベンゾシクロブテンの加速電子環開環反応松谷裕二、大澤典子、根本秀夫J. Am. Chem. Soc. ; 2006; 128(2) pp 412 - 413; (Communication) doi :10.1021/ja055505+
^ エンジアンドリック酸カスケード。有機合成における電子環化。4. エンジアンドリック酸への生体模倣アプローチ AG. 全合成と熱的研究KC Nicolaou、NA Petasis、RE Zipkin J. Am. Chem. Soc.、1982、104 (20)、pp 5560–5562 doi :10.1021/ja00384a080
^ 全合成におけるインスピレーション、発見、将来の展望KC Nicolaou J. Org. Chem.、2009 記事 ASAP doi :10.1021/jo802351b
^ 「シュタウディンガー合成」。
^ 不斉電子環式反応、S. Thompson、AG Coyne、PC Knipe、MD Smith、Chem. Soc. Rev.、2011、40、pp 4217-4231 doi :10.1039/C1CS15022G

[1] IUPACゴールドブック

[2] -および-3,4-ジメチルシクロブテンの製造と異性化。 テトラヘドロンレター、第6巻、第17号、1965年、1207-1212ページルドルフエルンストK.ウィンターdoi：10.1016 / S0040-4039（01）83997-6

[3] 軌道対称性の保存。Acc . Chem. Res.、第1巻、第1号、1968年、17～22ページ Roald HoffmannとRobert B. Woodward doi :10.1021/ar50001a003

[4] フレミング、イアン。フロンティア軌道と有機化学反応。1976年（ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社）ISBN 0-471-01820-1

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[6] JT Arnason、Rachel Mata、John T. Romeo。薬用植物の植物化学（第2版）。1995年（Springer）ISBN 0-306-45181-6、ISBN 978-0-306-45181-2

[7] α-ケイ素原子の影響下でのベンゾシクロブテンの加速電子環開環反応松谷裕二、大澤典子、根本秀夫J. Am. Chem. Soc. ; 2006; 128(2) pp 412 - 413; (Communication) doi :10.1021/ja055505+

[8] エンジアンドリック酸カスケード。有機合成における電子環化。4. エンジアンドリック酸への生体模倣アプローチ AG. 全合成と熱的研究KC Nicolaou、NA Petasis、RE Zipkin J. Am. Chem. Soc.、1982、104 (20)、pp 5560–5562 doi :10.1021/ja00384a080

[9] 全合成におけるインスピレーション、発見、将来の展望KC Nicolaou J. Org. Chem.、2009 記事 ASAP doi :10.1021/jo802351b

[10] 「シュタウディンガー合成」。

[11] 不斉電子環式反応、S. Thompson、AG Coyne、PC Knipe、MD Smith、Chem. Soc. Rev.、2011、40、pp 4217-4231 doi :10.1039/C1CS15022G