オキソカルベニウム

オキソカルベニウム イオン（またはオキサカルベニウムイオン）は、中心のsp ²混成炭素、酸素置換基、および中心の炭素原子と酸素原子の間で非局在化した全体的な正電荷を特徴とする化学種です。^[1]オキソカルベニウムイオンは、2つの極限共鳴構造で表され、1つは炭素に正電荷を持つカルベニウムイオンの形で、もう1つは酸素に形式電荷を持つオキソニウム種の形で表されます。共鳴混成体であるため、真の構造は2つの中間になります。ケトンやエステルなどの中性カルボニル化合物と比較して、カルベニウムイオンの形態は構造に大きく寄与しています。これらはグリコシド結合の加水分解における一般的な反応中間体であり、化学的グリコシル化によく使用される戦略です。これらのイオンは、それ以来、幅広い化学変換における反応中間体として提案されており、いくつかの天然物質の全合成に利用されています。さらに、自然界では、酵素触媒による生合成や炭水化物の加水分解のメカニズムによく見られます。アントシアニンは天然のフラビリウム染料で、安定化したオキソカルベニウム化合物です。アントシアニンは、パンジーなどの一般的な花や、ナスやブルーベリーなどの食用植物のさまざまな色の原因となっています。

オキソカルベニウムイオンの最適なルイス構造には酸素–炭素二重結合が含まれ、酸素原子は追加の基に結合しているため、形式上の正電荷を帯びています。標準構造 (または「共鳴」) の用語では、π 結合の分極は、炭素上に形式上の正電荷を持つ二次カルボカチオン共鳴形式で説明されます (上記を参照)。フロンティア分子軌道理論では、オキソカルベニウムイオンの最低空分子軌道(LUMO) は、炭素原子上に大きなローブを持つ π* 軌道です。電気陰性度が高い酸素ほど、LUMO への寄与が少なくなります。その結果、求核攻撃が発生した場合、炭素が求電子部位になります。ケトンと比較すると、オキソカルベニウムイオンの分極は強調されています。つまり、オキソカルベニウムイオンは「真の」カルボカチオンに非常に似ており、求核剤に対する反応性が高くなっています。有機反応では、ケトンは一般にルイス酸またはブレンステッド酸の酸素への配位によって活性化され、中間体としてオキソカルベニウムイオンが生成されます。

_{数値的には、ケトン R 2} C=O (アセトンなど)のカルボニル炭素の典型的な部分電荷 (ハートリー・フォック計算から導出)はδ+  = 0.51 です。酸素原子に酸性水素を加えて [R ₂ C=OH] ^{+ を}生成すると、部分電荷はδ+  = 0.61 に増加します。比較すると、ケトンとオキソカルベニウムイオンの窒素類似体であるイミン (R ₂ C=NR) とイミニウムイオン ([R ₂ C=NRH] ⁺ ) の部分電荷はそれぞれδ+  = 0.33 とδ+  = 0.54 です。したがって、カルボニル炭素の部分正電荷の順序は、イミン < ケトン < イミニウム < オキソカルベニウムです。

これは、C=X (X = O, NR) 結合を含む種の求電子性の順序でもある。この順序は合成上重要であり、例えば、還元アミノ化が試薬としてシアノ水素化ホウ素ナトリウム(Na ⁺ [H ₃ B(CN)] ⁻ ) またはトリアセトキシ水素化ホウ素ナトリウム (Na ⁺ [HB(OAc) ₃ ] ⁻ ) を使用して pH = 5 ～ 6 で行われるのが最もよい理由を説明しています。電子吸引基を持つシアノ水素化ホウ素ナトリウムとトリアセトキシ水素化ホウ素ナトリウムは、水素化ホウ素ナトリウムよりも還元剤として劣っており、ケトンとの直接反応は一般に遅く非効率的なプロセスです。ただし、還元アミノ化反応中にその場で生成されるイミニウムイオン (イミンそのものではない)は、ケトン出発物質よりも強力な求電子剤であり、合成上有用な速度で水素化物源と反応します。重要なのは、反応は弱酸性条件下で行われるため、イミン中間体がかなりプロトン化されてイミニウムイオンが形成されるが、ケトンがプロトン化されるほど強酸性ではないため、さらに求電子性の高いオキソカルベニウムイオンが形成されるということです。したがって、反応条件と試薬により、カルボニル基（またはそのプロトン化された形態）を直接還元してアルコールを形成するのではなく、イミニウム還元から選択的にアミンが形成されるようになります。

オキソカルベニウムイオンの形成は、いくつかの異なる経路で進行します。最も一般的な方法は、ケトンの酸素がルイス酸に結合し、ケトンを活性化してより効果的な求電子剤にします。ルイス酸は、単純な水素原子から金属錯体まで、さまざまな分子になります。ただし、この記事の残りの部分では、酸素に追加された原子が炭素であるアルキルオキソカルベニウムイオンに焦点を当てます。この種のイオンが形成される1つの方法は、脱離基の除去です。炭水化物化学では、この脱離基はエーテルまたはエステルであることがよくあります。除去の代替方法は、分子を直接脱プロトン化してイオンを形成することですが、これは困難な場合があり、達成するには強塩基が必要です。

5員環の反応に関与する立体化学は、エンベロープ遷移状態モデルによって予測できます。求核剤は、エンベロープの「内側」、つまり右の図の上部からの付加を好みます。「内側」の付加は、外側の付加から生じる重なり合った配座ではなく、ねじれた配座をもたらします。 ^[2]

6員環オキソカルベニウム環の遷移状態モデルは、1992年にWoodsらによって提案されました。^[3] 6員環への求核付加の立体化学を決定するための一般的な戦略は、5員環の場合と同様の手順に従います。この分析では、環がシクロヘキセンと同じ配座にあり、3つの炭素と酸素が平面にあり、他の2つの炭素原子が平面からしわくちゃになっていて、1つは上、もう1つは下になっているという仮定が立てられています（右の図を参照）。環に存在する置換基に基づいて、立体効果と立体電子効果を念頭に置いて、最もエネルギーの低い配座が決定されます（オキソカルベニウム環の立体電子効果については、下のセクションを参照してください）。この配座が確立されると、求核付加について検討できます。付加は、比較的エネルギーの高いツイストボート型遷移状態ではなく、エネルギーの低い椅子型遷移状態を経て進行します。このタイプの反応の例を以下に示します。この例では、電気陰性置換基によって発揮される立体電子効果によって、最低エネルギー配座が反転し、逆の選択性が生じることも強調されています。^[4]

酸素原子を含まないアルケン環では、立体効果を最小限に抑えるために、大きな置換基はいずれもエクアトリアル位にあることを好む。オキソカルベニウムイオンを含む環では、電気陰性置換基がアキシャル位または擬アキシャル位を好むことが観察されている。電気陰性原子がアキシャル位にある場合、その電子密度は空間を介して環内の正に帯電した酸素原子に提供される可能性がある。^[5]この電子相互作用により、アキシャル配座が安定化される。ヒドロキシル基、エーテル、ハロゲンは、この現象を示す置換基の例である。オキソカルベニウムイオンへの求核付加の分析において、最もエネルギーの低い配座を決定する際には、立体電子効果を考慮する必要がある。 ^{[4] [6]}

有機合成において、ビニルオキソカルベニウムイオン（右の構造）は、広範囲の環化付加反応に利用することができる。これらは、ディールス・アルダー反応におけるジエノフィルとして一般的に用いられる。反応速度を上げるために、電子吸引性ケトンがジエノフィルに加えられることが多く、^[7]これらのケトンは、反応中にビニルオキソカルベニウムイオンに変換されることが多い^[8]オキソカルベニウムイオンが必ず形成されるかどうかは明らかではないが、Roush らは、以下に示す環化反応においてオキソカルベニウム中間体が形成されることを実証した。この反応では、オキソカルベニウム環が中間体として存在する場合にのみ形成される 2 つの生成物が観察された。^[9]オキソカルベニウム中間体による [4+3]、[2+2]、[3+2]、[5+2] 環化付加も報告されている。^[8]

キラルなオキソカルベニウムイオンは、高度にジアステレオ選択的かつエナンチオ選択的な酢酸アルドール付加反応を行うために利用されている。^{[10]オキソカルベニウムイオンは反応において}求電子剤として使用される。メチル基のサイズが大きくなると、ジアステレオ選択性は増加する。

オキソカルベニウムイオンは、全合成に何度も利用されてきた。(+)-クラボソリドの主要サブユニットは、6員環オキソカルベニウム環の還元により合成された。すべての大きな置換基はエクアトリアル位にあり、予測どおり椅子型遷移状態を経て変換が行われた。^[11]

2番目の例は、(−)-ネオペルトリドの合成の重要なステップに見られ、ジアステレオ選択的なヒドリド付加のために別の6員環オキソカルベニウム環還元が使用されています。^[12]

生物系では、オキソカルベニウムイオンは主に炭水化物の反応中に見られます。糖は核酸の構造に存在し、RNAにはリボース 糖、DNAにはデオキシリボースが存在するため、その化学的性質は核酸の幅広い細胞機能において重要な役割を果たしています。ヌクレオチドにおける機能に加えて、糖はエネルギー貯蔵分子、細胞シグナル伝達分子、タンパク質修飾など生物の構造成分としても使用され、免疫系、受精、病原性の予防、血液凝固、発達において重要な役割を果たしています。^[13]生物学的プロセスにおける糖の化学反応の豊富さにより、多くの反応メカニズムがオキソカルベニウムイオンを介して進行します。このセクションでは、オキソカルベニウムイオンを利用するいくつかの重要な生物学的反応について概説します。

ヌクレオチドは、酵素触媒による分子内環化反応を起こし、いくつかの重要な生物学的分子を生成することができる。これらの環化反応は、通常、オキソカルベニウム中間体を経て進行する。この反応の例としては、細胞内カルシウムシグナル伝達に重要な分子である環状ADPリボースの環化反応があげられる。^[14]

グリコシダーゼは、グリコシド結合を分解して2 つの小さな糖を生成する酵素です。このプロセスは、動物のグリコーゲンなどの貯蔵エネルギーの利用や、植物を餌とする生物によるセルロースの分解に重要な意味を持っています。一般的に、酵素の活性部位にあるアスパラギン酸またはグルタミン酸残基は、グリコシド結合の加水分解を触媒します。これらの酵素のメカニズムには、オキソカルベニウムイオン中間体が関与しており、その一般的な例を以下に示します。^[15]

• カルボカチオン
• 化学的グリコシル化
• グリコシル供与体
• グリコシダーゼ
• オキソカーボン陰イオン