ザイツェフの法則

有機化学において、ザイツェフの法則（ザイツェフのほうそく、Saytzeff's rule、Saytzev's rule）は、脱離反応で好ましいアルケン生成物を予測するための経験則である。ロシアの化学者アレクサンダー・ザイツェフはカザン大学在学中に、さまざまな脱離反応を研究し、結果として生じるアルケンの一般的な傾向を観察した。この傾向に基づいて、ザイツェフは、最も多く生成されるアルケンは、最も少ない水素置換基を有するα炭素から水素が除去されたものであると提案した。たとえば、2-ヨードブタンをアルコール性水酸化カリウム（KOH）で処理すると、ブタ-2-エンが主生成物であり、ブタ-1-エンが副生成物である。^[1]

より一般的には、ザイツェフの法則は、脱離反応において最も置換された生成物が最も安定しており、したがって最も好ましいと予測する。この法則は、新たに形成されたアルケンの立体化学については一般化せず、脱離反応の位置化学についてのみ一般化する。ザイツェフの法則は多くの脱離反応で好ましい生成物を予測するのに有効であるが、多くの例外がある。それらの多くは、ホフマン生成物（ザイツェフ生成物に類似）における例外を含む。これらには、第四級窒素およびNR ₃⁺、SO ₃ Hなどの脱離基を持つ化合物が含まれる。これらの脱離では、ホフマン生成物が好ましい。脱離基がフッ素以外のハロゲンである場合、その他はザイツェフ生成物を与える。^{[説明が必要]}

歴史

アレクサンダー・ザイツェフは、 1875年にユストゥス・リービッヒの化学年鑑で、脱離反応の生成物に関する観察結果を初めて発表した。^[2]^[3]この論文にはザイツェフの学生による独自の研究も含まれていたが、大部分は文献レビューであり、以前に発表された研究に大きく依存していた。^{[4]この論文でザイツェフは、アルキルヨウ化物の}脱ハロゲン化水素化における好ましい位置化学を予測するための純粋に経験的な規則を提案したが、この規則は他のさまざまな脱離反応にも適用できることが判明した。ザイツェフの論文は20世紀を通じてよく引用されたが、教科書で「ザイツェフの規則」という用語が使われるようになったのは1960年代になってからであった。^[3]

ザイツェフは、現在彼の名を冠する規則を発表した最初の化学者ではない。アレクサンドル・ニコラエヴィチ・ポポフは1872年にザイツェフの規則に似た経験則を発表し、^[5] 1873年にカザン大学でその研究結果を発表した。ザイツェフは以前の研究でポポフの1872年の論文を引用しており、カザン大学で働いていたため、おそらくポポフの提案した規則を知っていた。それにもかかわらず、ザイツェフの1875年のリービッヒの論文にはポポフの研究について何も触れられていない。^[3]^[4]

ザイツェフの法則について議論するには、ウラジミール・ヴァシリエヴィチ・マルコフニコフについて触れずには不十分だろう。ザイツェフとマルコフニコフはともにアレクサンダー・ブトレロフに師事し、同時期にカザン大学で教鞭をとり、激しいライバル関係にあった。1870年に現在マルコフニコフの法則として知られる法則を発表したマルコフニコフとザイツェフは、脱離反応に関して相反する見解を持っていた。前者は最も置換度の低いアルケンが優先されると考えていたが、後者は最も置換度の高いアルケンが主生成物になると考えていた。おそらくザイツェフが脱離反応の研究を始めた主な理由の1つは、ライバルの考えを反証するためだったのだろう。^{[3]ザイツェフが脱離反応の法則を発表したのは、マルコフニコフが}Comptes Rendus誌に3部構成のシリーズの最初の論文を発表し、付加反応の法則を詳述した直後だった。^[4]

熱力学的考察

アルケンからアルカンへの水素化は発熱反応です。水素化反応中に放出されるエネルギー量は水素化熱として知られ、出発物質のアルケンの安定性と反比例します。アルケンが安定しているほど、水素化熱は低くなります。さまざまなアルケンの水素化熱を調べると、置換量が増えるにつれて安定性が増すことがわかります。^[6]

追加の置換に伴う安定性の増加は、いくつかの要因の結果です。アルキル基は誘導効果によって電子供与性であり、アルケンのシグマ結合上の電子密度を増加させます。また、アルキル基は立体的に大きく、互いに離れているときに最も安定します。アルカンでは、最大の分離は四面体結合角の109.5°です。アルケンでは、結合角は120°近くまで増加します。その結果、最も置換されたアルケンでアルキル基間の分離が最大になります。^[7]

アルキル基のHOMOと二重結合のLUMOの間の安定化相互作用を説明する超共役は、アルキル置換がアルケンの安定性に与える影響を説明するのにも役立ちます。軌道混成に関しては、 sp ²炭素とsp ³炭素間の結合は、2つのsp ³混成炭素間の結合よりも強くなります。計算により、アルキル基あたり6 kcal/molの支配的な安定化超共役効果が明らかになりました。^[8]

立体効果

E2脱離反応では、塩基がハロゲン化物などの脱離基のベータ位にあるプロトンを引き抜きます。プロトンの除去と脱離基の喪失は、新しい二重結合を形成するための単一の協調したステップで起こります。水酸化ナトリウム、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシドなどの小さくて障害のない塩基がE2脱離に使用される場合、通常、ホフマン生成物として知られる最も置換度の低いアルケンよりもザイツェフ生成物が優先されます。たとえば、2-ブロモ-2-メチルブタンをエタノール中のナトリウムエトキシドで処理すると、中程度の選択性でザイツェフ生成物が生成されます。^[9]

立体的相互作用のため、かさ高い塩基（例えば、カリウムtert-ブトキシド、トリエチルアミン、または2,6-ルチジン）は、ザイツェフ生成物につながるプロトンを容易に引き抜くことができない。これらの状況では、代わりに立体障害の少ないプロトンが優先的に引き抜かれる。その結果、かさ高い塩基を使用する場合、通常はホフマン生成物が優先される。2-ブロモ-2-メチルブタンをナトリウムエトキシドの代わりにカリウムtert-ブトキシドで処理すると、ホフマン生成物が優先される。^[10]

基質内の立体的相互作用もザイツェフ生成物の形成を妨げます。これらの分子内相互作用は、アミンをアルケンに変換するホフマン脱離反応における生成物の分布に関係しています。ホフマン脱離では、第四級アンモニウムヨウ化物塩を酸化銀で処理すると水酸化物イオンが生成され、これが塩基として作用して第3級アミンを除去してアルケンを生成します。^[11]

ホフマン脱離では、分子内立体相互作用のため、最も置換度の低いアルケンが典型的には優先される。四級アンモニウム基は大きく、分子の残りの部分のアルキル基との相互作用は望ましくない。その結果、ザイツェフ生成物の形成に必要な配座は、ホフマン生成物の形成に必要な配座よりもエネルギー的に不利である。その結果、ホフマン生成物が優先的に形成される。コープ脱離は原理的にはホフマン脱離と非常に似ているが、より穏やかな条件下で起こる。これもまた、同じ理由でホフマン生成物の形成に有利である。^[12]

立体化学

場合によっては、出発物質の立体化学によりザイツェフ生成物の形成が妨げられることがある。例えば、塩化メンチルをナトリウムエトキシドで処理すると、ホフマン生成物のみが生成されるが^[13]、収率は非常に低い：^[14]

この結果は、出発物質の立体化学によるものです。E2 脱離には、プロトンと脱離基が CC 結合の反対側にありながら同一平面上にある、反ペリプラナー構造が必要です。メンチルクロリドを椅子型配座で描くと、異常な生成物分布を簡単に説明できます。

Zaytsev 生成物の形成には 2 位での脱離が必要ですが、イソプロピル基 (プロトンではありません) は塩化物脱離基に対して反ペリ平面であるため、2 位での脱離は不可能です。ホフマン生成物を形成するには、6 位で脱離が起こる必要があります。この位置のプロトンは脱離基に対して正しい向きにあるため、脱離は起こり得ます。その結果、この特定の反応ではホフマン生成物のみが生成されます。

参照

参考文献

^ レーマン、ジョン（2009）。操作有機化学（第4版）。アッパーサドルリバー、ニュージャージー：ピアソンエデュケーション。p。182。ISBN 978-0136000921。
^ アレクサンダー・サイツェフ (1875)。「Zur Kenntniss der Reihenfolge der Analgerung und Ausscheidung der Jodwasserstoffelemente inorganischen Verbindungen」。ユストゥス・リービッヒの化学アナレン。179 (3): 296–301。土井：10.1002/jlac.18751790304。
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^ ポポフ、アレクサンドル (1872)。「ケトンの酸化は、憲法とフェッテンザウレンとアルコールホールのベストの状態を維持します。」ユストゥス・リービッヒの化学アナレン。162 (1): 151-160。土井：10.1002/jlac.18721620112。
^ ウェイド、292–294ページ。
^ ウェイド、293ページ。
^ セイツェフ則の物理的起源Benoit Braida、Vinca Prana、Philippe C. Hiberty Angew. Chem. Int. Ed. 2009、48、5724 –5728 doi :10.1002/anie.200901923
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^ ウェイド、302ページ。
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^ ウェイド、903ページ。
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^ ヒュッケル、ヴァルター;タッペ、ヴェルナー。ギュンターのレグトケ（1940年）。「Abspaltungsreaktionen und ihr sterischer Verlauf」。ユストゥス・リービッヒの『化学分析』。543 : 191–230.土井：10.1002/jlac.19405430117。

文献

ウェイド、LG (2010)。有機化学（第7版）。アッパーサドルリバー、ニュージャージー：ピアソンエデュケーション。ISBN 978-0321592316。

外部リンク

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[1] アレクサンダー・ザイツェフによる1875年のドイツ語論文「有機化合物における水素とヨウ素の付加および脱離の順序」の英訳。

[1] レーマン、ジョン（2009）。操作有機化学（第4版）。アッパーサドルリバー、ニュージャージー：ピアソンエデュケーション。p。182。ISBN 978-0136000921。

[2] アレクサンダー・サイツェフ (1875)。「Zur Kenntniss der Reihenfolge der Analgerung und Ausscheidung der Jodwasserstoffelemente inorganischen Verbindungen」。ユストゥス・リービッヒの化学アナレン。179 (3): 296–301。土井：10.1002/jlac.18751790304。

[Lewis1995-3] Lewis, DE (1995). 「アレクサンドル・ミハイロヴィチ・ザイツェフ（1841–1910）マルコフニコフの保守派同時代人」（PDF） .化学史紀要. 17 : 21–30 (27).

[Lewis2010-4] Lewis, DE (2010). 「反目しあうルールメーカー：アレクサンドル・ミハイロヴィチ・ザイツェフ（1841–1910）とウラジミール・ヴァシリエヴィチ・マルコフニコフ（1838–1904）。ザイツェフのルールの起源に関する解説」（PDF）。化学史紀要。35 （2）： 115–124 （121–122）。PMID 21449203。

[5] ポポフ、アレクサンドル (1872)。「ケトンの酸化は、憲法とフェッテンザウレンとアルコールホールのベストの状態を維持します。」ユストゥス・リービッヒの化学アナレン。162 (1): 151-160。土井：10.1002/jlac.18721620112。

[6] ウェイド、292–294ページ。

[7] ウェイド、293ページ。

[8] セイツェフ則の物理的起源Benoit Braida、Vinca Prana、Philippe C. Hiberty Angew. Chem. Int. Ed. 2009、48、5724 –5728 doi :10.1002/anie.200901923

[9] ウェイド、301ページ。

[10] ウェイド、302ページ。

[11] ウェイド、898–901ページ。

[12] ウェイド、903ページ。

[13] リーマン 2009、183-184 ページ

[14] ヒュッケル、ヴァルター;タッペ、ヴェルナー。ギュンターのレグトケ（1940年）。「Abspaltungsreaktionen und ihr sterischer Verlauf」。ユストゥス・リービッヒの『化学分析』。543 : 191–230.土井：10.1002/jlac.19405430117。