フォルモース反応

1861年にアレクサンドル・ブトレロフによって発見されたフォルモース反応は、ブトレロフ反応としても知られており^{[1] [2]、}ホルムアルデヒドから糖を生成する反応である。フォルモースという用語は、ホルムアルデヒドとアルドースを組み合わせた造語である。

この反応は、塩基とカルシウムなどの二価金属によって触媒される。進行する中間段階は、アルドール反応、逆アルドール反応、およびアルドース-ケトース異性化である。中間体は、グリコールアルデヒド、グリセルアルデヒド、 ジヒドロキシアセトン、およびテトロース糖である。1959年、ブレスローは、以下の段階からなる反応機構を提唱した：^[3]

この反応は誘導期を示し、その間はホルムアルデヒドの非生産的なカニッツァロ不均化（メタノールとギ酸への）のみが起こる。ホルムアルデヒドからグリコールアルデヒド（1）への最初の二量化は、未知のメカニズムを介して起こり、おそらく光またはフリーラジカルプロセスによって促進され、非常に遅い。しかし、この反応は自己触媒的である。つまり、 1 は​​2分子のホルムアルデヒドの縮合を触媒し、追加の1分子を生成する。したがって、微量（3 ppm ^[4]程度）のグリコールアルデヒドでも反応を開始するのに十分である。自己触媒サイクルは、1とホルムアルデヒドのアルドール反応で始まり、グリセルアルデヒド（2 ）が生成される。 2のアルドース-ケトース異性化によりジヒドロキシアセトン（3 ）が形成される。3とホルムアルデヒドとのさらなるアルドール反応でテトルロース ( 6 ) が生成され、これが別のケトース-アルドース異性化を受けてアルドテトロース7 (トレオースまたはエリスロース) が形成される。7の逆アルドール反応では1分子が 2 つ生成され、結果として 1 分子が1 分子自体の触媒作用 ( 自己触媒 ) により 2分子のホルムアルデヒドから正味生成される。 この過程で3 は1と反応してリブロース( 4 )を形成し、これが異性化してリボ核酸の重要な構成要素であるリボース( 5 )を生成することもある。 反応条件は注意深く制御する必要があり、さもないとアルカリ条件によってアルドースがカニッツァーロ反応を起こす。

アルドース-ケトース異性化段階はカルシウムへのキレート化によって促進される。しかし、これらの段階は、以前に提案された中間体エンジオラートを経由するのではなく、同位体標識研究によって水素化物シフト機構を介して進行することが示されている。^[5]

フォルモース反応は、単純なホルムアルデヒドからRNAの構成要素であるリボースのような複雑な糖類を生成する反応であるため、生命の起源という疑問にとって重要である。地球の初期の状態をシミュレートしたある実験では、ホルムアルデヒド、グリセルアルデヒド、およびコールマナイト（Ca ₂ B ₆ O ₁₁ 5H ₂ O）やケルナイト（Na ₂ B ₄ O ₇ ）などのホウ酸塩鉱物の混合物からペントースが生成された。^[6]しかし、既製の糖類を既製の核酸塩基に結合させることの熱力学的および速度論的実現可能性、および混合物からリボースを選択的に使用する方法については、依然として問題が残っている。ホルムアルデヒドとグリコールアルデヒドは両方とも宇宙空間で分光学的に観測されているため、フォルモース反応は宇宙生物学の分野で特に興味深いものとなっている。