環の拡大と縮小

環拡大反応と環縮小反応は、通常有機化学において環を拡大または縮小する反応です。この用語は通常、CC結合の形成と切断を伴う反応を指します。 ^[1]さまざまなメカニズムがこれらの種類の反応を引き起こします。

これらの反応は、アミノシクロブタンとアミノシクロプロパンのジアゾ化を伴う。ジアゾカチオンからN ₂が失われると、二次カルボカチオンが生成され、転位して加水分解を受ける傾向がある。この反応により、アミノシクロブタンはヒドロキシシクロブタンとヒドロキシメチルシクロプロパンの混合物に変換される。これらの反応により、2つのカルボカチオンの平衡混合物が生成される：^[2]

炭素₄水素+7 ⇌ C ₃ H ₅ CH+2

アルント・アイスタート反応では、α-ジアゾケトンがN2を放出するように誘導され_、カルボニルに隣接した非常に反応性の高い六重炭素中心が生じる。このような種は、アルコールの存在下でウォルフ転位によってエステルに変換される。環状α-ジアゾケトンに適用すると、環の収縮が起こる。^{[3] [4]}ステロイド の場合、この反応はシクロペンタノン基をシクロブタニル誘導体に変換するために使用されている。^[5]

環の拡張により、他の方法では合成が難しいより大きなシステムにアクセスできるようになります。^[6]環は、環にすでに付加されている外側の基への環の攻撃（移動/挿入）、単一のより大きな環への自転車の開放、または拡張と環の閉鎖の結合によって拡張できます。^[1]これらの拡張は、拡張された環に組み込む原子の種類（炭素またはヘテロ原子）によってさらに分類できます。

これらの反応は、環に隣接する炭素上に環外脱離基を持ち、環内に環内結合の移動を開始できる電子供与基を持つという一般的な特徴を持っています。

炭素の一般的な移動導入はピナコール転位である。^[1]この反応は特にビシナルジヒドロキシド転位を指すが、ティフェノー・デムヤノフ転位など、同じ一般的なメカニズムで進行する他のピナコール型転位もある。これらの「セミピナコール転位」はより穏やかな条件下で起こるため、複雑な合成に適している。^[7]これらの反応は、攻撃される環外基には脱離基以外にも他の官能基が付加されている可能性があるため、単に環を拡大する以外にも有用である。環内結合が移動する基は、すでに存在する官能基に基づいて環に選択的に付加することもできる。たとえば、環状ケトンへの 1,2付加などである。

環を拡大する一般的な方法は、シクロプロパンを含む二環式中間体を開くことです。この戦略は、環状アルケンのシモンズ・スミスのようなシクロプロパン化から始めることができます。 ^[8]

関連するシクロプロパンベースの環拡大はブフナー環拡大である。ブフナー環拡大は、アレーンをシクロヘプタトリエンに変換するために使用される。ブフナー環拡大は、追加された炭素に電子吸引基を配置することで、目的の生成物への開環を促進する。飽和二環式分子の開環を行うには、シクロプロパンを導入して隣接する基が拡大を促進できるようにするか、拡大を攻撃して環を開くか、または外部基からの攻撃によって環を開く必要がある。 [ ^{9 ]}

環拡大の手段としての開環は、より大きな系にも適用でき、さらに大きな環の共環化が可能になります。このような拡大の例として、グロブフラグメンテーションが挙げられます。ピナコール型移動と同様に、グロブフラグメンテーションは、結合移動を促進し、脱離基の排除を促すために電子供与基に依存しています。この場合、電子供与基は、結合が切断された炭素に電子対を放出および供与することができる擬似電子供与基である可能性があります。2つの小さな環で作業すると、拡大した環で作業する前に、分子の2つの部分を別々に加工することができます。ダウド-ベックウィズ環拡大反応は、一度にいくつかの炭素を環に追加することもでき、大きな環を作るための便利なツールです。^[11]中間の自転車を通って進行しますが、最終的な環化と開環は同じラジカル反応内で起こります。^[12]この展開は、β-ケトエステルを大きな環状ケトンに展開することができ、環状ケトンまたは環外エステルのいずれかを使用して簡単に合成できるため有用である。

環へのヘテロ原子付加は、環の新規合成によって行われない場合、環拡大によって起こり得る。^[13]これらの導入は、炭素の場合に上述したものと同様の移動/挿入経路によって起こることが多いため、主に環拡大である。例としては、合成におけるベックマン転位（コデインへの窒素の導入）^[14]やバイヤー・ビリガー酸化（ケージ環化エーテルへの酸素の導入）^[15]の大きな影響のある応用が挙げられる。どちらも、アルキル基が環外ヘテロ原子上に移動するにつれて脱離基が排除され、ピナコール型転位と非常によく似ている。

環の縮小は、より大きな環からより小さく、より歪んだ環を作るのに役立ちます。これらの環を作る動機は、そのような環は原子を切り出すことができるより大きな環からより簡単に作ることができるのに、完全に精巧な小さな環を作ることの難しさ、または元のより大きな足場がよりアクセスしやすいことから来ています。^[16]

環の縮小は、縮小を行う反応中間体によって簡単に特徴付けられる。標準的な中間体は、アニオン性、カチオン性、およびカルベノイドである。^[17]

ファヴォルスキー転位は、古典的なアニオン環縮小反応である。^[18]これは、環内炭素を攻撃するカルバニオンを介して進行し、脱離基（ハロゲン化物）を放出して、元の環よりも小さい環を持つ二環式分子を形成する。次に、この二環式分子はケトンへの求核攻撃によって開環し、縮小した生成物を与える。^{[19]この反応は、}シクロヘキサノンをシクロプロパンカルボン酸のメチルエステルに 変換するために使用されている。

標準的なファヴォルスキー転位の代替として、陰性ピナコール転位とも言える反応を行う方法がある。この反応では、アニオン基が脱離基と並んだ結合を移動させて脱離基を追い出すように促し、いくつかの合成で使用されている。^[17]また、いわゆる「準ファヴォルスキー転位」は、追加の求核剤なしで進行し、最終的な縮合生成物を形成することにも留意すべきである。

カチオン転位収縮は、脱離基の喪失と環内結合のカルボカチオンへの移動によって進行する。このタイプの収縮には、ピナコール型転位がよく使用される。^[20]膨張反応と同様に、これは移動を助ける電子供与基によって進行する。

一つの環の収縮反応を別の環の拡大反応と組み合わせることで、同じ大きさの縮合環からなる不等二環式化合物が得られる。これらのカチオン転位は、複雑な分子の核を合成するために使用されている。^[21]

• レッドモア、D.; ガッチェ、CD 炭素環拡大反応、アカデミック プレス、ニューヨーク、1968 年、