有機亜鉛化学

有機亜鉛化学は、炭素（C）と亜鉛（Zn）の化学結合を含む有機金属化合物である有機亜鉛化合物の物理的性質、合成、および反応を研究する分野です。^{[1] [2] [3] [4]}

有機亜鉛化合物は、最初に作られた有機金属化合物の一つです。これらは、グリニャール試薬や有機リチウム試薬などの他の多くの類似有機金属試薬よりも反応性が低いです。1848年、エドワード・フランクランドは、亜鉛金属の存在下でエチルヨウ化物を加熱することにより、最初の有機亜鉛化合物であるジエチル亜鉛を調製しました。 ^[5]この反応により、空気に触れると自然発火する揮発性の無色液体が生成されました。有機亜鉛化合物は自然発火性であるため、通常は空気を使用しない技術を使用して調製されます。これらはプロトン性溶媒に対して不安定です。多くの目的で、これらは単離されずにその場で調製されますが、多くは純粋な物質として単離され、徹底的に特性評価されています。^[6]

有機亜鉛は、金属に結合した炭素置換基の数に応じて分類することができます。^{[2] [3]}

1. ジオルガノ亜鉛（R ₂ Zn）：2つのアルキル配位子を持つ有機亜鉛化合物のクラス。これらは、結合している他の配位子に応じてさらにサブクラスに分けられる場合がある。
2. ヘテロレプティック（RZnX）：ハロゲン化物などの電気陰性またはモノアニオン性配位子（X）が、別のアルキルまたはアリール置換基（R）とともに亜鉛中心に結合している化合物。
3. イオン性有機亜鉛化合物：このクラスは、有機亜鉛酸塩（R _n Zn ⁻）と有機亜鉛カチオン（RZnL⁺
   _いいえ）。

亜鉛(II)は、その配位錯体において、一般的には八面体、四面体、および様々な五配位構造のいくつかの配位幾何学を採用しています。これらの構造柔軟性は、亜鉛の電子配置[Ar]3d ¹⁰ 4s ²に起因します。3d軌道は満たされているため、配位子場効果は存在しません。したがって、配位幾何学は主に静電相互作用と立体相互作用によって決定されます。^[2]有機亜鉛化合物は通常、2配位または3配位であり、カルバニオン配位子の強い供与特性を反映しています。

典型的なジオルガノ亜鉛錯体の化学式は R ₂ Zn です。ジアルキル亜鉛化合物は単量体で、亜鉛原子に線状配位しています。^{[7]炭素と亜鉛の間には}極性共有結合が存在し、電気陰性度の差 (炭素: 2.5、亜鉛: 1.65)により炭素に分極しています。対称ジオルガノ亜鉛試薬の双極子モーメントはこれらの線状錯体ではゼロとみなすことができ、これがシクロヘキサンなどの非極性溶媒への溶解性を説明しています。他の二元金属アルキルとは異なり、ジオルガノ亜鉛種はエーテル溶媒との錯形成に対する親和性が低いです。R ₂ Znの結合は、 Zn 上の sp混成軌道を使用するものとして説明されています。 ^[2]

これらの構造により、亜鉛は結合に利用できる 2 つの結合 d 軌道と 3 つの低い非結合 d 軌道 (非結合軌道を参照) を持つことになります。亜鉛に電子供与性配位子がない場合、亜鉛の原子半径が大きく電子不足が少ないために配位飽和を得ることができません。したがって、亜鉛原子の弱い電子不足により、架橋アルキルまたはアリール基が発生することはまれです。ただし、Ph ₂ Zn (下図) などの一部のケースでは発生します。また、有機亜鉛が金属クラスターを形成できるハロゲンです (クラスター化学を参照)。ハロゲン配位子が亜鉛原子に追加されると、亜鉛のアクセプター特性とドナー特性の両方が強化され、凝集が可能になります。^[2]

有機亜鉛化合物の生成にはいくつかの方法があります。市販されている二有機亜鉛化合物はジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、ジフェニル亜鉛です。これらの試薬は高価で取り扱いが難しいです。ある研究^{[8] [9]}では、活性有機亜鉛化合物ははるかに安価な有機臭素前駆体から得られます。

フランクランドによるジエチル亜鉛の合成は、ヨウ化エチルと亜鉛金属の反応によるものである。この酸化還元反応を促進するためには、亜鉛を活性化する必要がある。フランクランドが使用した亜鉛の活性化形態の1つは、亜鉛銅カップルである。^[5]

_塩化亜鉛をカリウムでその場で還元して生成されるリーケ亜鉛は、亜鉛の別の活性化形態である。この形態は、根岸カップリングや福山カップリングなどの反応に有用であることが証明されている。有機亜鉛試薬の形成は、ニトリルやエステルなどの電子吸引置換基を有するアルキルまたはアリールハロゲン化物で促進される。^{[10] [11]}

最も一般的な2つの亜鉛官能基相互変換反応は、ハロゲン化物とホウ素との反応であり、これはヨウ化銅（CuI）または塩基によって触媒されます。ホウ素中間体は、最初のヒドロホウ素化反応に続いてジエチル亜鉛で処理することによって合成されます。この合成は、分子内の最も反応性の高い部位に対する高い選択性を示し、有用なカップリングパートナーを作成することで、有機亜鉛試薬の有用性を示しています。^[12]

この基移動反応はアリル化や他のカップリング反応（根岸カップリングなど）に利用できる。 ^[13]

二有機亜鉛アルキル化の主な欠点の1つは、2つのアルキル置換基のうち1つだけが転移されることである。この問題は、転移不可能な基であるMe ₃ SiCH ₂ - (TMSM)を使用することで解決できる。^[14]

トランスメタル化は、上記に示した相互変換に似ており、亜鉛は水銀、リチウム、銅などの他の金属と交換することができます。この反応の一例として、ジフェニル水銀と亜鉛金属が反応してジフェニル亜鉛と金属水銀が形成されることが挙げられます。

亜鉛への金属交換の利点は、反応性が低いため選択性が向上し、分子内の他の官能基に対する耐性が高まることです。^[15]

• マオエクリスタルVの合成では、指向性オルトメタル化により最初のアリールリチウム種が得られ、これがトランスメタル化されて目的のアリール亜鉛化合物となる。アリール亜鉛化合物はアリールリチウム種よりも反応性が大幅に低いため、その後のメチルクロロオキサロアセテートとのカップリングにおける機能性がよりよく許容される。エステルは有機亜鉛試薬に対して非常に安定している。^[16]

有機亜鉛は亜鉛金属から直接得ることができる：^{[17] [18]}

この方法では、亜鉛は1,2-ジブロモエタンとトリメチルシリルクロリドによって活性化されます。重要な成分は塩化リチウムで、これは有機亜鉛化合物とすぐに可溶性付加物を形成し、金属表面から有機亜鉛化合物を除去します。

多くの反応では、有機亜鉛が中間体として現れます。

• フランクランド・デュッパ反応（1863年）では、シュウ酸エステル（ROCOCOOR）がアルキルハロゲン化物R'X、亜鉛、塩酸と反応してα-ヒドロキシカルボン酸エステルRR'COHCOORを生成する^[19]

この有機反応は、α-ハロエステルとケトンまたはアルデヒドをβ-ヒドロキシエステルに変換するために使用できます。 得られたアルコキシドを処理中にプロトン化するには、酸が必要です。 最初のステップは、亜鉛金属を炭素-ハロゲン結合に酸化的に付加して、炭素-亜鉛エノラートを形成することです。 この C-Znエノラートは、配位によって酸素-亜鉛エノラートに転位することができます。 これが形成されると、他のカルボニルを含む出発物質は以下に示すように配位し、プロトン化後に生成物を与えます。^[20]従来のアルドール反応プロトコルに対するReformatsky 反応の利点は次のとおりです。

1. 極めて誘導体化されたケトン基質を許容する
2. エステルエノラート中間体は、エノール化可能な部分の存在下で形成される。
3. 分子内反応に最適

^{下図は、R 3がR 4}よりも小さい、ジマーマン・トラクスラーモデルの6員遷移状態（キレート制御、アルドール反応を参照）を示している。^[21]

リフォルマツキー反応は、C(16),C(18)-ビス-エピ-サイトカラシンDの合成など、数多くの全合成に利用されている。^[22]

レフォマツキー反応は亜鉛ホモエノラートでも可能である。^[23]レフォマツキー反応の改良型がブレズ反応である。^[21]

シモンズ・スミス試薬は、メチレン源としてヨウ化メチレンを使用して、オレフィンからシクロプロパンを調製するために使用されます。反応は亜鉛によって行われます。生成される主要な亜鉛中間体は、アルケンと反応してシクロプロパン化生成物を与えるカルベノイド（ヨードメチル）ヨウ化亜鉛です。最初の反応は金属の表面で起こるため、超音波処理によって活性亜鉛種の生成速度が速まります。

メカニズムは完全に解明されていないが、有機亜鉛中間体は金属カルベノイドであると仮定されている。中間体は3中心の「バタフライ型」であると考えられている。この中間体は、アルコールなどの置換基によって、分子の同じ側にシクロプロパンを供給するように誘導することができる。亜鉛を活性化するには、亜鉛銅カップルが一般的に使用される。^[21]

臭化メチレンやヨウ化メチレンから誘導される有機亜鉛化合物は、カルボニル基に求電子付加して末端アルケンを形成することができる。^{[24]この反応は機構的には}テッベ反応に関連しており、様々なルイス酸（例えばTiCl ₄やAl ₂ Me ₆）によって触媒される。 ^{[25]この反応は}同位体標識のために分子に重水素を導入するために、またはウィッティヒ反応の代替として使用される。

この強力な炭素-炭素結合形成クロスカップリング反応は、ニッケルまたはパラジウム触媒の存在下で有機ハロゲン化物と有機亜鉛ハロゲン化物試薬を結合する。有機ハロゲン化物反応物は、アルケニル、アリール、アリル、またはプロパルギルであることができる。臭化物や塩化物などのアルキルハロゲン化物とのアルキル亜鉛カップリングも、β-水素化物脱離（アルキル置換基でよく起こる）に強く抵抗するPd-PEPPSIプレ触媒などの活性触媒で報告されている。^[26]この反応のトランスメタル化段階では、二有機^{[スペルを確認]}種または有機亜鉛ハロゲン化物のいずれかをカップリングパートナーとして使用できる。有機亜鉛試薬の有機求電子剤に対する反応性は低いが、これらの試薬はパラジウムに対する最も強力な金属求核剤の1つである。^[27]

アルキル亜鉛種は、パラジウム中心への金属交換反応を起こす前に、溶液中に少なくとも化学量論量のハロゲン化物イオンが存在し、RZnX ₃ ^{2−の形の「亜鉛酸塩」種を形成する必要がある。 [28]この挙動は、アリール亜鉛種の場合とは大きく対照的である。}触媒サイクルの重要なステップは、亜鉛ハロゲン化物がその有機置換基を金属中心の別のハロゲンと交換する金属交換反応である。

根岸カップリングの優れた例として、フルストナーによるアンフィジノリドT1の合成が挙げられる。^[29]

福山カップリングは、パラジウム触媒反応であり、アリール、アルキル、アリル、またはα、β-不飽和チオエステル化合物のカップリングを伴う。このチオエステル化合物は、対応するケトン生成物を明らかにするために、幅広い有機亜鉛試薬とカップリングすることができる。このプロトコルは、ケトン、酢酸、芳香族ハロゲン化物、さらにはアルデヒドなどの官能基に対する感度が高いため有用である。観察された化学選択性は、ケトン形成がこれらの他の部分へのパラジウムの酸化的付加よりも容易であることを示している。^[30]

このカップリング法のさらなる例として、(+)-ビオチンの合成が挙げられる。この場合、福山カップリングはチオラクトンで起こる：^[31]

バルビエ反応は、カルボニルと等価なカルボアニオンの求核付加反応である。この反応はグリニャール反応に似ている。有機亜鉛試薬は、アルキルハライドへの酸化付加反応によって生成される。この反応では、1,2-付加反応によって第一級、第二級、または第三級アルコールが生成される。バルビエ反応は、ワンポットプロセスであるという利点がある。有機亜鉛試薬はカルボニル基質の存在下で生成される。また、有機亜鉛試薬は水に対する感受性が低いため、この反応は水中で行うことができる。グリニャール反応と同様に、シュレンク平衡が適用され、より反応性の高いジアルキル亜鉛が形成される可能性がある。^[21]

このメカニズムはグリニャール反応に似ており、金属アルコキシドはラジカル段階的経路、一電子移動、または環状遷移状態を介した協奏反応経路によって生成されます。この反応の例は、ダニシェフスキーのシクロプロパラジシコールの合成です。有機亜鉛付加反応条件を使用することで、ジエノンとアルキンの他の官能基が許容されます。^[32]

亜鉛アセチリドの形成は、ジアルキニル亜鉛（官能基交換）の仲介を介して進行する。メルクのエフェドリン法などの触媒プロセスが開発されている。^{[33]プロパルギルアルコールは亜鉛アセチリドから合成できる。これらの多用途の中間体は}、クロスカップリング反応、水素化、ペリ環式反応などの幅広い化学変換に使用できる。^[34]

配位子がない場合、反応は遅く、非効率的である。キラル配位子が存在すると、反応は速く、高い変換率が得られる。野依良治は、一亜鉛配位子錯体が活性種であることを突き止めた。^[35]

有機亜鉛試薬のアルデヒドへの付加におけるジアステレオ選択性は、野依と​​デイビッド・A・エヴァンスによる以下のモデルによって予測できる：^[36]

• 配位子のα立体中心はプロパルギルアルコールの立体化学を決定する。
• アルデヒド置換基と配位子間の立体効果はそれほど重要ではないが、それでも好ましい配座を決定する。

亜鉛アセチリドは、HIV-1 逆転写酵素阻害剤エファビレンツやメルク社のエフェドリン誘導体にも使用されている。^[37]

最初の有機亜鉛酸塩錯体（有機亜鉛酸塩）は、1858年にフランクランドの助手であったジェームズ・アルフレッド・ワンクリン^[38]によって報告され、元素ナトリウムとジエチル亜鉛の反応に関するものでした。

強いルイス酸性を示す有機亜鉛化合物は、ナトリウムなどのアルカリ金属による求核攻撃を受けやすく、そのため「アート化合物」を形成する。有機亜鉛酸塩には、ジアニオン性のテトラ有機亜鉛酸塩（[R ₄ Zn]M ₂）とモノアニオン性のトリ有機亜鉛酸塩（[R ₃ Zn]M）の2種類が知られている。配位子によって決まるその構造は、広範囲に特徴付けられている。^[3]

_{[Me 4} Zn]Li ₂などのテトラ有機亜鉛酸塩は、Me ₂ ZnとMeLiを1:2のモル比で混合することで生成できます。スピロ環式有機亜鉛酸塩を形成する別の合成経路の例を以下に示します。^[3]

トリオルガノ亜鉛酸塩化合物は、（Me ₃ SiCH ₂）₂ Znなどのジオルガノ亜鉛をアルカリ金属（K）またはアルカリ土類金属（Ba、Sr、Ca）で処理することによって生成されます。一例として、[（Me ₃ SiCH ₂）_{3 Zn]Kがあります。トリエチル亜鉛酸塩は}、β水素化物の脱離の結果として、ヒドリドエチル亜鉛酸塩（II）ナトリウムに分解されます：^[39]

この生成物は、橋渡し ヒドリド配位子を持つ、エッジ共有の二面体構造です。

あまり研究されていないが、有機亜鉛酸塩は中性の二有機亜鉛化合物に比べて反応性と選択性が高くなることが多い。これらはケトンや関連カルボニルの立体選択的アルキル化、開環反応に有用である。アリールトリメチル亜鉛酸塩はバナジウム媒介CC形成反応に関与する。^[3]

Zn-Zn結合を持つ低原子価有機亜鉛化合物も知られている。最初のそのような化合物であるデカメチルジジンコセンは2004年に報告された。^[40]

• 亜鉛の化合物

• 有機合成における亜鉛
• BASF社が製造する有機亜鉛化合物