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脱離反応は、 1段階または2段階の機構で分子から2つの置換基が除去される有機反応の一種です。 [2] 1段階機構はE2反応として知られ、2段階機構はE1反応として知られています。数字は機構のステップ数ではなく、反応の速度論を示しています。E2は二分子（二次）で、E1は単分子（一次）です。分子がアニオンを安定化できるが、脱離基が貧弱な場合は、3番目のタイプの反応であるE1 CBが存在します。最後に、キサントゲン酸エステルと酢酸エステルの熱分解は、「内部」脱離機構であるE i機構によって進行します。
E2メカニズム
E2 機構 (E2 は二分子脱離) は、炭素-水素結合と炭素-ハロゲン結合が切断されて二重結合 ( C=C π 結合) が形成される1 段階の機構です。
反応の詳細は次のとおりです。
- E2 は単一の遷移状態を持つ単一ステップの除去です。
- これは通常、第一置換アルキルハロゲン化物で起こりますが、一部の第二置換アルキルハロゲン化物や他の化合物でも可能です。
- 反応速度は、アルキルハロゲン化物と塩基（二分子）の両方の影響を受けるため、2 次です。
- E2 機構はπ結合の形成をもたらすため、2 つの脱離基 (多くの場合、水素とハロゲン) は反ペリプラナーである必要があります。反ペリプラナー遷移状態は、高エネルギーで重なり合った配座をとるシンペリプラナー遷移状態よりも低いエネルギーでねじれた配座をとります。ねじれた配座を伴う反応機構は、E2 反応にとってより有利です (E1 反応とは異なります)。
- E2 は通常、強塩基を使用します。弱酸性の水素を除去できるほど強力でなければなりません。
- π結合を形成するには、炭素の混成をsp 3からsp 2に下げる必要があります。
- CH 結合は速度決定段階で弱められるため、1 よりもはるかに大きい主要な重水素同位体効果 (通常は 2 ～ 6) が観察されます。
- 塩基が求核剤としても作用できる場合（多くの一般的な塩基に当てはまります）、 E2 はS N 2 反応メカニズムと競合します。
スキーム 1のこのタイプの反応の例は、エタノール中の臭化イソブチルとカリウムエトキシドの反応です。反応生成物はイソブテン、エタノール、臭化カリウムです。
E1メカニズム
E1は、特定の種類の化学脱離反応を説明するモデルです。E1は単分子脱離を表し、次の仕様があります。
- これはイオン化と脱プロトン化という 2 段階の除去プロセスです。
- E1 は典型的には第三級アルキルハロゲン化物で起こりますが、一部の第二級アルキルハロゲン化物でも可能です。
- 反応速度はアルキルハライドの濃度によってのみ影響を受けます。これは、カルボカチオン形成が最も遅い段階であり、律速段階として知られているためです。したがって、一次速度論が適用されます（単分子）。
- この反応は通常、塩基が全く存在しないか、弱塩基のみが存在する場合（酸性条件および高温）に起こります。
- E1 反応は、共通のカルボカチオン中間体を共有するため、 S N 1 反応と競合します。
- 1 よりわずかに大きい (通常は 1 - 1.5)二次的な重水素同位体効果が観測されます。
- 反ペリプラナー要件はありません。例として、メントールの特定のスルホン酸エステルの熱分解があります。
- 反ペリプラナー脱離では反応生成物Aのみが生成される。生成物Bの存在はE1機構が起こっていることを示している。[3]
- カルボカチオン転位反応を伴う
スキーム 2の例は、エタノール中の tert-ブチル臭化物とカリウムエトキシドの反応です。
E1 脱離は、主に 2 つの理由により、高度に置換されたアルキルハロゲン化物で発生します。
- 高度に置換されたアルキルハロゲン化物はかさばるため、E2 ワンステップ機構の余地が制限されます。そのため、2 ステップ E1 機構が好まれます。
- 高度に置換されたカルボカチオンは、メチルまたは第一置換カチオンよりも安定しています。このような安定性により、2 段階の E1 メカニズムが発生する時間が得られます。
S N 1 経路と E1 経路が競合している場合は、熱を増加させることで E1 経路が優先される可能性があります。
具体的な特徴:
- 再配置可能
- 塩基の濃度や塩基性に依存しない
メカニズム間の競争
反応速度はハロゲンの反応性に影響され、ヨウ化物と臭化物が好まれる。フッ素は脱離基として適していないため、フッ素を脱離基とする脱離は他のハロゲンよりも速度が遅くなる。脱離反応と求核置換反応の間にはある程度の競合がある。より正確には、E2とS N 2の間、およびE1とS N 1の間にも競合がある。一般に、以下の場合には脱離が置換反応よりも好まれる。
- α炭素周囲の立体障害が増加します。
- より強力なベースが使用されます。
- 温度が上昇する（エントロピーが増加する）
- この塩基は求核剤としては不十分です。立体的にかさ高い塩基（カリウム tert-ブトキシドなど）は、求核剤としては不十分であることが多いです。
たとえば、3° ハロアルカンがアルコキシドと反応する場合、アルコキシドの強い塩基性と 3° 基の S N 2 に対する非反応性のため、E2 脱離によるアルケンの形成のみが観察されます。したがって、E2 による脱離により、ウィリアムソンエーテル合成(S N 2 反応)の範囲は基本的に 1° ハロアルカンのみに制限されます。2° ハロアルカンは一般に合成上有用な収率をもたらさず、3° ハロアルカンは完全に失敗します。
強塩基の場合、3° ハロアルカンは E2 による脱離反応を起こします。弱塩基の場合、S N 1 経路と E1 経路が競合して、脱離反応と置換反応の混合物が形成されます。
2° ハロアルカンの場合は比較的複雑です。強塩基性求核剤 (p K aH > 11、例: 水酸化物、アルコキシド、アセチリド) の場合、結果は一般的に E2 による脱離ですが、弱い塩基でも良好な求核剤 (例: 酢酸、アジ化物、シアン化物、ヨウ化物) の場合は主に S N 2 になります。最後に、弱い求核剤種 (例: 水、アルコール、カルボン酸) の場合は S N 1 と E1 の混合物になります。
β分岐を持つ1°ハロアルカンの場合、強塩基性求核剤では、E2脱離が依然として一般的にS N 2よりも優先されます。求核剤も妨げられていない場合、妨げられていない1°ハロアルカンはS N 2を優先します。ただし、強塩基性および妨げられた求核剤はE2を優先します。
一般に、β水素が利用できないためにE2が不可能な反応（例：メチル、アリル、ベンジルハライド）を除いて、[4]強塩基を使用すると、脱離によって生じるアルケン生成物がほぼ常にある程度観察されるため、きれいなS N 2置換を達成することは困難です。一方、きれいなE2は、単に立体的に障害のある塩基（例：カリウムtert-ブトキシド）を選択するだけで達成できます。同様に、S N 1による置換を行おうとすると、ほぼ常に、何らかのE1生成物が混入した生成物混合物が生成されます（この場合も、β水素がないため脱離が不可能な場合を除きます）。[5]
ある研究[6]では、いくつかのアルキルハライドと塩素酸イオンとの気相反応について、速度論的同位体効果 (KIE) が測定されました。E2脱離に従って、t-ブチルクロリドとの反応では KIE が 2.3 になります。一方、メチルクロリド反応 ( SN 2のみ可能) では KIE が 0.85 で、 SN 2 反応と一致します。これは、この反応タイプでは遷移状態で CH 結合が強化されるためです。エチル (0.99) およびイソプロピル (1.72) 類似体の KIE は、2 つの反応モード間の競合を示唆しています。
β脱離以外の脱離反応
β脱離は、隣接炭素原子の電気脱離と核脱離の喪失を伴う脱離であり、これまでのところ最も一般的な脱離の種類です。C = CまたはC = X結合を含む安定した生成物を形成できること、および軌道整列を考慮すると、他の脱離プロセスよりもβ脱離が有利です。[7]ただし、一般的にβ脱離が起こらないシステムでは、他のタイプも知られています。
次に一般的な脱離反応は、α 脱離です。炭素中心の場合、α 脱離の結果はカルベンの形成であり、これには一酸化炭素やイソシアニドなどの「安定したカルベン」が含まれます。たとえば、強塩基の存在下でクロロホルム (CHCl 3 ) から HCl の元素を α 脱離させるのは、反応中間体としてジクロロカルベン(:CCl 2 ) を生成するための古典的な方法です。一方、酸性条件下ではギ酸は α 脱離を起こし、安定した生成物である水と一酸化炭素を生成します。α 脱離は金属中心でも発生する可能性があり、その特に一般的な結果の 1 つは、還元脱離と呼ばれるプロセスで金属の酸化状態と配位数が 2 単位低下することです。 （紛らわしいことに、有機金属の用語では、 α-脱離とα-抽出という用語は、金属-カルベン錯体の形成をもたらすプロセスを指します。[8] これらの反応では、α-脱離を受けるのは金属に隣接する炭素です。）
特殊なケースでは、有機プロセスと有機金属プロセスの両方で、γ-脱離およびそれ以上の脱離により3員環以上の環を形成することも可能である。例えば、特定のPt(II)錯体はγ-およびδ-脱離を経て金属環を与える。[9]最近では、シルイルシクロブチルトシル酸塩のγ-シルイル脱離が、歪んだ二環式系を調製するために使用されている。[10]
歴史
脱離反応に関連する概念や用語の多くは、1920 年代に クリストファー・ケルク・インゴールドによって提案されました。
参照
参考文献
- ^ Coleman, GH; Johnstone, HF (1925). 「シクロヘキセン」.有機合成. 5:33 . doi :10.15227/orgsyn.005.0033.
- ^ マーチ、ジェリー（1985）、上級有機化学：反応、メカニズム、構造、第3版、ニューヨーク：ワイリー、ISBN 9780471854722、OCLC 642506595
- ^ Nash, JJ; Leininger , MA; Keyes, K. (2008 年 4 月)。「溶媒なしでのアリールスルホン酸エステルの熱分解: E1 か E2 か? 有機化学研究室の難問」。Journal of Chemical Education。85 ( 4): 552。Bibcode : 2008JChEd..85..552N。doi :10.1021/ed085p552。
- ^ β水素が利用できないが置換が好ましくない稀なケースでは、α脱離によりカルベンが形成されることがあります。具体的には、(1)クロロホルムなどのトリハロメタンはNaOHと反応してジハロカルベンを形成することがあります（置換は電子的に好ましくありません）。(2)アリルおよびベンジルクロリドはリチウムテトラメチルピペリド（LiTMP）と反応してそれぞれビニルカルベンおよびフェニルカルベンを形成することがあります（置換は立体的に好ましくありません）。
- ^ ケアリー、フランシス A. (2003).有機化学(第 5 版). ニューヨーク: マグロウヒル. p. 350. ISBN 0-07-242458-3。
- ^ Stephanie M. Villano; Shuji Kato; Veronica M. Bierbaum (2006). 「気相SN2およびE2反応における重水素運動同位体効果：実験と理論の比較」J. Am. Chem. Soc. 128 (3): 736–737. doi :10.1021/ja057491d. PMID 16417360.
- ^ アンスリン、エリック V. (2006).現代の物理有機化学。ダハティ、デニス A.、1952-。カリフォルニア州サウサリート：ユニバーシティサイエンス。ISBN 1891389319. OCLC 55600610.
- ^ Crabtree, Robert H. (2009).遷移金属の有機金属化学（第5版）. ホーボーケン、ニュージャージー：Wiley. ISBN 9780470257623. OCLC 268790870.
- ^ Moore, Stephen S.; DiCosimo, Robert; Sowinski, Allan F.; Whitesides, George M. (1981-02-01). 「ビス(トリエチルホスフィン)-3,3-ジメチルプラチナシクロブタンの環ひずみは小さい」アメリカ化学会誌. 103 (4): 948–949. doi :10.1021/ja00394a043. ISSN 0002-7863.
- ^ Kelly, Christopher B.; Colthart, Allison M.; Constant, Brad D.; Corning, Sean R.; Dubois, Lily NE; Genovese, Jacqueline T.; Radziewicz, Julie L.; Sletten, Ellen M.; Whitaker, Katherine R. (2011-04-01). 「1,3 γ-シリル脱離によるパーフルオロアルキルビシクロブタン合成の実現」. Organic Letters . 13 (7): 1646–1649. doi :10.1021/ol200121f. ISSN 1523-7060. PMID 21366262.
外部リンク
ウィキメディア・コモンズの排泄反応に関連するメディア
ウィキクォートにおける脱離反応に関する引用