ビニルシクロプロパン転位

ビニルシクロプロパン転位またはビニルシクロプロパン-シクロペンテン転位は、ビニル置換シクロプロパン環をシクロペンテン環に変換する環拡大反応である。^{[1] [2] [3]}

ビニル基に隣接するシクロプロピル基は環拡大反応を起こすことができる。この反応性を利用して、シクロブテン^[4]などの珍しい環状化合物や、以下に示すシクロヘプテン^[5]などの二環式化合物を生成することができる。

実験と計算による調査により、ビニルシクロプロパン転位は、機構的には、ジラジカル媒介の 2 段階プロセスおよび/または軌道対称性制御のペリ環式プロセスのいずれかとして考えることができることが示されています。2 つのメカニズムのそれぞれがどの程度作用するかは、基質に大きく依存します。

ビニルシクロプロパン転位はシクロペンテン環を形成する能力があるため、複雑な天然物の合成における重要な反応として何度も利用されてきました。

1959年、ハンブル・オイル・アンド・リファイニング（エッソ、現エクソン）の若き研究化学者ノーマン・P・ノイライターは、製油所の工程で生成される余剰ブタジエンの新しい用途を見つけるよう指示された。当時同社の最も尊敬されていたコンサルタントの一人で、当時イェール大学教授だったウィリアム・フォン・エッガース・ドーリングとカルベン化学について話し合った結果、ノースウェスタン大学で博士号を取得した若きノイライターは、カルベンとブタジエンの両方を組み合わせた最新の手順に従うことになった。^{[6]特に、この手順は、ドーリングが以前に研究していた}クロロホルムやブロモホルム に対する塩基の作用で生成されるカルベンと1,3-ブタジエンの反応について説明したものであった。^[7]その後、ノイライターは得られた1,1-ジクロロ-2,2-ジメチルシクロプロパンを熱分解条件下（400℃以上）で4,4-ジクロロシクロペンテンへの転位を発見しました。これは今日、歴史上初の熱ビニルシクロプロパン-シクロペンテン転位であると考えられています。^[8]

対応する全炭素バージョンの反応は、ノイライターの論文が発表されてからわずか1年後に、エマニュエル・フォーゲル^{[9]とオーバーバーガーとボルヒャートによって独立して報告された。 [10] [11]} ドーリングは、ハンブル・オイル・アンド・リファイニング（したがってノイライターとも）とコンサルタントとして交流していたが、1963年の論文で次のように述べている。「ビニルシクロプロパンがシクロペンテンに転位するという発見の功績は、オーバーバーガーとボルヒャート、そしてフォーゲルらによるもので、彼らは独立して転位の例をいくつか開発したようだ。」^{[12]ビニルシクロプロパン転位のさらなる変種の開発は、1967年のアトキンソンとリース、 [13]} 1968年のルウォフスキー^[14] 1971年のパラディーニとチュチェ^[15] によって実証されたように、それほど時間はかからなかった。

古典的なビニルシクロプロパン転位は、そのヘテロ原子変種のうち2つがすでに報告されていたずっと後に発見されました。ビニルシクロプロパン転位は、1922年にニコライ・デミヤノフが高温でホフマン脱離によりビニルシクロプロパンを調製した際に発生したに違いないと考えられていますが、 ^[16] 1929年のクロークによるシクロプロピルイミン-ピロリン転位^[17]と1947年のウィルソンによるシクロプロピルカルボアルデヒド-2,3-ジヒドロフラン転位^[18]が、実際にはビニルシクロプロパンのような転位の唯一の例です。

この最後の反応型はクローク・ウィルソン転位 としても知られている^[19]

ビニルシクロプロパン転位がジラジカルを介した2段階機構で進行するのか、それとも完全に協奏的な軌道対称性制御機構で進行するのかについての機構論的議論は、半世紀以上にわたって続いている。ビニルシクロプロパンのビニル末端で観察される二次的な同位体効果と速度論的データから協奏機構が示唆される一方、生成物分布からは段階的ジラジカル機構が示唆される。^[20] 1960年代、転位が発見されて間もなく、ビニルシクロプロパン転位の活性化エネルギーは約50 kcal/molであることが確立された。^[21]この転位について得られた速度論的データは、シクロプロピル炭素-炭素結合の切断が律速となる協奏機構と一致していた。協調的なメカニズムである可能性が高いと思われたが、非置換シクロプロパンの炭素-炭素結合を切断する活性化エネルギーは63kcal/mol ^[22]であり、親の活性化エネルギーよりも正確に13kcal/mol高いことがすぐに認識され、その差はアリルラジカルの共鳴エネルギーと驚くほど似ていた。^[23]すぐに、人々は熱条件下での弱いC1-C2-シクロプロパン結合のホモリシス切断から生じるジラジカル中間体の可能性を認識し始めた。

ビニルシクロプロパン転位が完全協奏的機構で進行するか、あるいは2段階の非協奏的機構で進行するかについての議論は、1969年にウッドワードとホフマンがビニルシクロプロパン転位を用いて[1,3]-シグマトロピック協奏アルキルシフトを例示したときにさらに慎重に検討されました。^[24]彼らは、協奏的機構が機能している場合、軌道対称性によって制御される要因の結果、特定の生成物の形成のみが可能になるという仮説を立てました。 3つのR基で置換されたビニルシクロプロパンの解析によれば、結合1,2のC-5への反面[1,3]シフト（C-2を保持してarシクロペンテンをもたらす）と、結合1,2のC-5への超面[1,3]シフト（C-2で反転してシクロペンテンsiをもたらす）は対称性が許容されるのに対し、結合1,2のC-5への超面[1,3]シフト（C-2を保持してシクロペンテンsrをもたらす）と、結合1,2のC-5への反面[1,3]シフト（C-2で反転してaiシクロペンテンをもたらす）は対称性が禁制である。

ウッドワードとホフマンは、軌道対称性保存理論の原理のみに基づいて分析を行いましたが、機構的または立体化学的な予測は一切行っていません。

Woodward と Hoffmann が [1,3] 炭素シフトの代表例としてビニルシクロプロパン転位に注目したことで、この反応への関心が明らかに高まりました。さらに、彼らの分析により、協奏的メカニズムと段階的メカニズムを区別できる可能性のある実験が明らかになりました。協奏的反応経路が反応結果に及ぼす立体化学的影響から、得られた反応立体化学をモデル基質の予測される反応立体化学と相関させる実験が示唆されました。ai - およびsr -シクロペンテン生成物の形成を観察すると、段階的で非協奏的なメカニズムが機能しているという考えが裏付けられ、一方、これらがない場合は完全に協奏的なメカニズムが示唆されます。結局、ビニルシクロプロパン転位の立体化学的結果を研究するための適切な置換モデル基質を見つけることは、当初考えられていたよりもはるかに困難でした。これは、ホモジエニル[1,5] - 水素シフトなどの副反応や、さらには熱立体変異により、転位がシクロペンテン生成物をもたらすよりもはるかに速く立体化学の区別が混乱する傾向があるためです。

これらの転位の根底にある複雑な速度論的シナリオのデコンボリューションは困難であったが、競争的立体変異から生じる立体化学的寄与を考慮するために速度論的および立体化学的な生のデータを正確かつ明示的にデコンボリューションすることが可能であったという研究がいくつか報告されている。^{[20] [25] [26] [27]}

これにより、ビニルシクロプロパン転位の 4 つの立体化学的に異なる経路すべての速度定数を決定することができました。

データは、転位の機構上の好みがシステムに依存していることを明確に示しています。trans -ビニルシクロプロパンは、協調機構を支持する対称性が許容されるar - およびsi -シクロペンテンをより多く形成する傾向がありますが、 cis -ビニルシクロプロパンは、より段階的なジラジカル機構を示唆する対称性が禁じられたai - およびsr - 生成物を優先的に生成します。置換基効果が反応立体化学に及ぼす影響も、データから明らかです。ラジカル安定化能力が増大した置換基は、転位の活性化エネルギーを下げるだけでなく、最初に形成されたジラジカル種の再閉環がシクロペンテン形成の速度に比べて遅くなり、結果として立体変異が少なくなり、全体的に協調機構が強化されます (例: エントリ 6 および 7)。いずれの場合も、4 つの生成物すべてが生成されたため、軌道対称性制御のペリ環式機構とジラジカル媒介の 2 段階機構の両方がどちらの方法でも機能することが示されています。データは、生成物が形成される前に制限された立体配座の柔軟性を許容する比較的平坦なポテンシャルエネルギー面上でのビラジカル種の形成と一致している。生成物を形成する前にジラジカル種が利用できる立体配座の柔軟性の量、したがって立体配座の進化は、ポテンシャルエネルギー面の構成に依存する。この概念は計算作業によっても裏付けられている。^[28]高いジラジカル特性を持つ1つの遷移状態が見つかった。反応の最低エネルギー経路のポテンシャルエネルギー面をたどると、非常に浅い領域でジラジカル種が立体配座の変化と立体異性化反応を起こし、エネルギー的影響は小さいことがわかった。さらに、置換基は、立体化学的スクランブルを可能にする種を不安定化させることによって、立体選択的経路を優先できることが示された。

合成法としてのビニルシクロプロパン転位の最大の欠点は、本質的に活性化障壁が高く、その結果、反応温度が非常に高くなる（500～600℃）ことである。この高温により、ホモジエニル-[1,5]-水素転移などの同様の活性化エネルギーを持つ副反応が発生するだけでなく、基質で許容される官能基が大幅に制限される。この反応が有用な合成法となり、いつか複雑な天然物に適用できるようになるためには、何らかの反応開発が必要であることは化学界でよく認識されていた。シクロプロパン環にジチアン基が含まれていると、反応温度を大幅に下げられることがわかった。ジチアン置換ビニルシクロプロパン基質は、対応する1,3-ジエンから出発して2つの合成ステップを必要としたが、この方法はさまざまな置換シクロペンテンの合成に有効であることが証明された。即時転位生成物は対応するシクロペンテノンに容易に変換することができた。^[29]

メトキシ置換ビニルシクロプロパンは反応速度が著しく速く、220℃で転位反応が起こる。^[30]

^{シロキシビニルシクロプロパン[31]}および類似のスルフィニルビニルシクロプロパン^{[32]は、環化}シクロペンテン構造を構築するための基質として使用できることがわかりました。これらの反応は300℃を超える反応温度を必要としますが、シクロペンテンを環化して現在の環系にすることで有用な生成物を生成することができました。

ビニルシクロプロパン転位は光化学的にも媒介される。^{[33] [34]}特に興味深い例として、シクロオクタン核内に埋め込まれたビニルシクロプロパンが、対応する[5-5]縮合環系に変換できることを示した。

ビニルシクロプロパン転位反応は遷移金属触媒に反応しやすい。酢酸二ロジウムは室温から80℃まで転位反応を触媒する^{[35] [36]}

アニオン性オキシコープ転位で観察された速度加速と同様に、ダンハイザーは[アルコキシ]置換基を有するビニルシクロプロパン基質に対して非常によく似た効果を報告した。^[37]

もう一つの興味深い結果は、1988年にラーセンによって報告されました。^[38]彼は、以下の反応で示されるような基質を用いて、-78℃という低温でビニルシクロプロパン転位を促進することができました。基質は、塩基性条件下でチオカルボニルディールスアルダー付加物を環縮小することでその場で生成されました。この方法論により、立体選択的に多数の高度に官能化されたシクロペンテンを形成することができました。

この方法論により、様々な[5-5]-および[5-6]-炭素骨格の形成が可能になります。^[39]

5 員炭素環は、天然物に広く見られる構造モチーフです。より大きく、完全に「協和」なシクロヘキサン骨格とは対照的に、シクロペンタンとその誘導体は、極性交互の Lapworth-Evans モデルによれば「不協和」です。極性の不協和により、シクロペンタンを切断する方法が明らかに制限されます。これは、5 員環を作製するための一般的な方法が、対応する 6 員環に比べて減少していることからも明らかです。特に、 5 員環の合成にDiels-Alder相当法がないという事実は、何十年もの間、合成化学者を悩ませてきました。その結果、1960 年頃にビニルシクロプロパン転位が発見されてから、合成コミュニティがビニルシクロプロパン転位によってシクロペンテンを形成する固有の可能性を認識するのにそれほど時間はかかりませんでした。 1970年代にビニルシクロプロパン転位が方法論として進歩し、反応条件が改善されるにつれて、ビニルシクロプロパン転位を利用した最初の全合成が1980年頃に現れ始めました。この反応を全合成に応用した主要人物は、バリーM.トロスト、エリアスJ.コーリー、トーマスハドリッキー、レオA.パケット、

アフィジコリンの合成には、独自の研究室で開発されたビニルシクロプロパン転位を中心とする手法が用いられている。^[40]重要なステップでは、後期段階のシロキシビニルシクロプロパンを、天然物に見られる[6-6-5]融合炭素骨格を含むシクロペンテンに変換する。転位した生成物は、さらなる操作によって天然物に変換される。

ジザエンの合成は、ビニルシクロプロパン転位を重要な切断反応として応用したもう一つの初期の例である。^[41]

^{この方法はヒルステン[42]}やイソコメン^[43]の合成にも応用されている。

シニルシクロプロパン転位は1982年にスピロ環式天然物α-ベチスピレンの構築に使用されました。^[44]

アンテリジオゲン-Anはルイス酸を介した後期ビニルシクロプロパン転位反応を利用して合成された。^[45]

銅触媒ヘテロ原子ビニルシクロプロパン転位反応は、それぞれビオチンのテトラヒドロチオフェン核とプラビックスのチオフェン単位を形成するために使用された。^[46]

酸媒介ビニルシクロプロパン転位反応を利用して天然物サルビアスペラノールを合成した。^[47]

• スカッテボル転位
• ジ-π-メタン転位
• ジビニルシクロプロパン-シクロヘプタジエン転位