on 2021年2月20日
求電子的フッ素化剤. 反応性は、電子供与性であるアルキル基（CH3）や、非共有電子対をもつ置換基（OH,NH2)が結合した芳香族はベンゼンに比べ反応性が高くなります。 中央のカルボニル基は求電子性に富んでおり、酸アミドのような求核性の低い試薬と反応し、n,o-ヘミアセタールを与えます。本反応を無水酢酸中で行なえば、o-アセチル化も同時に行なうことができ、n,o-アセタールを1段階で得ることに成功しています。 （ボルハルトショアー下巻 表16－2）, 一般に配向性は、電子供与性の置換基はオルトパラ配向性、電子吸引性の置換基はメタ配向性になりますが、例外としてハロゲンは非共有電子対の存在により電子吸引性の性質でありながらオルトパラ配向性になります。, ・芳香族の求電子置換反応の反応性は、芳香族に電子供与性の置換基が結合していると、一般に反応は速くなり、電子吸引性の置換基が結合していると反応性は低下する。 一方でSN1反応は求核試薬が攻撃する前にハロゲンが外れてカルボカチオンが生じ、そのカルボカチオンに対して求核試薬が攻撃する反応です。 おおよその順序は下図のようになります。, 下記の参考書に、置換ベンゼンをニトロ化した時の相対速度が詳細に載っていますので興味がある方はご活用ください。 求電子的なフッ素化は、最も電気陰性度の高い元素であるフッ素を、形式上陽イオンとして導入する形になるので、ちょっと考えると困難な反応にも見える。しかし手法の進歩により、簡便に行える試薬が登場してきた。 芳香族化合物の反応性 芳香族求電子置換反応 ベンゼンは6個のπ電子が非局在化(電子が分散して存在)している。ベンゼンは電子を与える「電子供与体」として働き、カチオンや電子が欠如した物質(求電子試薬)と反応 … この図より，求核試薬 の 反応性が一番大きいのは4 位の炭素原子であることが理解 できる。さらに，2 位の炭素原子もかなりの反応性を持つことも理解できる。 y− x h 2 c c h h c ch 2 h 3c ch 2 0.8974 0.0397 0.9753 0.0876 ヘキサトリエンch 2=chch=chch=ch 2の反応性 芳香族求電子置換反応のエネルギー図 ① アレニウムイオン中間体を通る二段階の反応 ② 中間体はエネルギーが高い（芳香族性を失う） ③ 生成物はエネルギーが低い（芳香族性を回復） エネルギー 反応座標 + e+ h e e + h+ アレニウム イオン中間体 8 22－4 フェノールの合成：芳香族求核置換反応 p1231 芳香族求核置換反応は、通常、起こりにくい。（π電子があるため：16章） しかし、強力な電子求引性置換基が存在する場合に、イプソ置換されて生成物を与える。 オルト位 メタ位 パラ位 イプソ位 ケトンの合成法：求核置換反応＝炭素骨格構築 四面体型中間体 副反応 何が目的の反応と副反応を分けるのか？ 1. 般に、芳香環の求電子性、求核性を両方とも向上させ るため、反応性を制御し官能基を導入する手段として 汎用されてきた。一方、機能性色素として用いられる 大環状ヘテロ芳香族分子の光物性に与える効果は全く 謎であった。 反応試薬は、 ベンゼン環 と 求電子剤（electrophile） ここでは、求電子剤の一般式としてE+で示す 復習ポイント！ 二重結合へのHX付加の反応機構 芳香族求電子置換反応の重要なステップ 2. 原料rcoxと目的物ケトンrcor’との求電子性 （δ＋性）の差。 付加 脱離 酸塩化物とケトンの求電子性（δ＋） の差は十分大きい。 求核剤が関与する反応はその反応様式により求核置換反応あるいは求核付加反応などと呼称される。求核剤は、反応機構を図示する際に英語名の頭文字をとり、しばしばNuと略記される。 求核剤として反応性の高い化学種のほとんどは孤立電子対を持つ。 求電子剤（きゅうでんしざい、英: electrophile ）あるいは求電子試薬（—しやく）、求電子種（—しゅ）とは、異なる化学種の間で電子の授受をともないながら化学結合を生成する反応において、電子を受け取る側、奪う側の化学種を指す、有機化学などで使われる用語である。 C=Oの構造をもつ化合物がカルボニル化合物であり、カルボニル化合物は非常に種類が多いです。これらカルボニル化合物の中でも、カルボン酸から合成できるカルボニル化合物をカルボン酸誘導体といいます。, カルボン酸誘導体としては、塩化アシルや酸無水物、エステル、アミドなどと種類があります。それぞれ反応性や安定性が異なるため、合成反応の内容は違います。, ただ、それぞれのカルボン酸誘導体について反応性を理解すれば、どのような化合物を合成できるのか把握できるようになります。カルボン酸誘導体では求核アシル置換反応がメインであり、どのような合成反応になるのか予測できます。, そこで、カルボン酸誘導体を利用してどのように合成反応を進めればいいのか、反応機構を含めて解説していきます。, 有機化学では、官能基ごとに特徴的な合成反応が存在します。特に脱離基をもつカルボニル化合物であれば、求核アシル置換反応が起こります。, C=Oがアルキル鎖に結合している場合、アシル基といいます。アシル基にはカルボニル基やホルミル基など、多くの官能基が含まれています。要は、アルキル鎖の分子構造中にC=Oがあればアシル基だと理解すればいいです。, カルボニル化合物の中でも、脱離基をもつ分子がいくつかあります。これらをカルボン酸誘導体と呼び、具体的なカルボン酸誘導体は以下になります。, またすべてのカルボン酸誘導体には脱離基があります。そのため求核剤がカルボニル炭素を攻撃することで、置換反応が起こります。アシル基に求核置換反応が起こるため、求核アシル置換反応といいます。反応機構は以下の通りです。, このように求核剤（Nu）が攻撃することで、脱離基（L）が離れていきます。その結果、新たな化合物を得られます。, 注意点として、カルボニル化合物の中には脱離基が存在しないことがよくあります。カルボニル基（ケトン）やホルミル基（アルデヒド）がこの例に該当します。, この場合は脱離基が存在しないため、求核アシル置換反応は起こりません。その代わりとして、求核付加反応が起こります。求核付加反応は以下のような反応機構になります。, このように、反応後はアシル基が消えます。アシル基に対する求核攻撃が起こるにしても、脱離基が存在しない場合は異なる合成反応が進行することを理解しましょう。, なお求核剤を用いた合成反応としては、SN1反応やSN2反応などの求核置換反応が知られています。ただ、求核置換反応（SN1反応とSN2反応）と求核アシル置換反応は反応機構が異なります。, アシル基では、炭素原子に酸素原子が結合しています。しかもC=Oは二重結合で結合しているため、以下のように電子が動きます。, これはつまり、求核試薬がカルボニル炭素を攻撃するとき、必ず電子が酸素原子に移動することを意味しています。アシル基へ求核攻撃が起こるとき、すべての合成反応でカルボニル炭素が攻撃され、その後に電子が酸素原子に移動すると理解しましょう。, そのためSN1反応のように、脱離基が最初に離脱し、カルボカチオンが生成することはありません。またSN2反応のように、求核剤が攻撃すると同時に脱離基が脱離することはありません。つまり、以下の反応は起こりません。, 同じ求核試薬を用いた合成反応ではあっても、反応機構は異なります。アシル基が存在するかどうかによって、電子の流れは変わります。, それでは、カルボン酸誘導体を学ぶときに重要なことは何なのでしょうか。カルボン酸誘導体には、反応性の順番があります。この順番を学ぶのがカルボン酸誘導体で最も重要です。, つまり塩化アシルは安定性が低く、最も反応性が高くなっています。一方でアミドでは、反応性が非常に低いです。参考までに、エステルの反応性はカルボン酸と同等です。, なぜ、このように反応性（または安定性）の順番が異なるのでしょうか。この理由の一つに共鳴構造式があります。例えば塩化アシルの場合、塩素原子は二重結合を作る性質が弱いです。そのため、共鳴構造の寄与が弱いです。, 一方でアミドであれば、窒素原子は電子を押し出すことで二重結合を作れます。共鳴構造の寄与が大きく、電子の非局在化によって分子は安定します。, これらの安定性を理解することがなぜ重要なのでしょうか。それは、化合物を反応させるときにどのような生成物を得られるのか理解できるからです。, 例えば、サリチル酸と酸無水物を反応させたとき、以下のうちどちらの化合物を得られるでしょうか。, 答えをいうと、No.2の化合物は得られません。No.1の化合物が合成されます。酸無水物と比べて、エステルは安定性が高いです。そのためエステル基をもつNo.1の化合物のみ得られます。No.2は酸無水物が構造式に存在するため、合成反応は進行しません。, 化合物の合成反応では、通常は不安定な状態から安定な状態になるように反応が進行します。そのため今回の反応では、エステル基を有する化合物のみ得られます。, もちろん、カルボン酸から塩化アシルや酸無水物など、反応性の高い化合物を合成することは可能です。ただ特別な試薬を用いるなど、特殊な反応条件でのみ塩化アシルや酸無水物を合成できます。, それでは、カルボン酸誘導体を反応させるときの反応機構はどのようになっているのでしょうか。前述の通り、カルボン酸誘導体には種類があります。おさらいすると、反応性の順番は高い順に以下になります。, カルボン酸誘導体の中でも、非常に有益な化合物が塩化アシルです。なぜ塩化アシルが重要なのかというと、ほとんどの化合物と反応するからです。, 塩化アシルはカルボン酸と反応し、酸無水物を合成できます。またアルコールと反応すれば、エステルを得られます。また水と反応すれば、カルボン酸になります。反応速度は非常に早く、反応試薬を入れた瞬間に生成物を得られます。, 水を含め、非常に求核性の弱い試薬とも反応するため、塩化アシルを作った後に合成反応を進行させることができます。, それでは、反応性の高い塩化アシルをどのようにして合成するのでしょうか。塩化アシルの合成では、通常はカルボン酸と反応させます。カルボン酸と反応させる試薬としては、例えば塩化チオニル（SOCl2）が知られています。, カルボン酸のOHは脱離能が低いです。そこで塩化チオニルを加えることで、カルボン酸を活性化させます。反応機構は以下のようになります。, 塩化アシルを合成した後、試薬（求核剤）を加えることですぐに次の合成反応を進める必要があります。前述の通り、塩化アシルは水と反応することでカルボン酸になります。塩化アシル化合物を単離するのは困難なため、塩化アシルを得たあとはすぐに次の合成反応を進めるのが一般的です。, 塩化アシルほど安定性が低いわけではないものの、同様に反応性が高く、非常に多くの化合物と反応するのが酸無水物です。, 酸無水物であれば、水やアルコールなど電荷をもたない求核性の低い化合物であっても合成反応が進行します。理由は既に述べた通り、より安定性の高いエステルやカルボン酸が生成されるからです。, アミンは求核性が高いため、当然ながら酸無水物と反応し、アミドが得られます。ただ、求核性の高くない水とも反応することを理解しましょう。, 塩化アシルの反応を理解すれば、酸無水物の反応機構を理解するのは簡単です。脱離基がCl–ではなく、COORに置き換わったのが酸無水物の求核アシル置換反応です。, COOの構造をもつのがエステルです。エステルの合成反応で重要なのは加水分解です。塩基性または酸性の条件で反応させることで加水分解され、カルボン酸が合成されます。特に塩基性で加水分解する場合、けん化といいます。, 塩基性条件で加水分解する場合、カルボン酸が生成された後、塩基によってプロトンが引き抜かれてカルボン酸はマイナスの電荷を帯びます。そのため、けん化は不可逆反応です。, 一方で、酸性条件下で加水分解する場合、可逆反応になります。カルボン酸が生成しても、酸性条件であれば、カルボン酸はマイナスの電荷を帯びることはありません。, カルボン酸誘導体の中でも、エステルは保護基として非常に重要な役割をします。カルボン酸から、エステルを容易に合成できます。それだけでなく、エステルからカルボン酸への加水分解も容易です。, カルボン酸とアルコール（ヒドロキシ基：-OH）が結合することで、エステルを合成することができます。そのため分子内にカルボン酸またはヒドロキシ基がある場合、事前にエステル保護しておくといいです。, 特にカルボン酸は酸性の化合物であり、合成によって副生成物を生じやすく、合成後の精製も難しいです。そこで事前にエステル化させておき、必要なときに加水分解（脱保護）をすることで、目的化合物を得やすくすることはよくあります。, なお、水と反応させることで加水分解＆脱保護が可能であると説明しました。このとき反応させる試薬が水ではなく、他のアルコールだと、エステル交換を起こします。つまり、エステルが別のアルコールに置き換わるのです。, 酸性条件では、前述の通りエステルの反応は可逆反応です。水を加えればカルボン酸になるが、他のアルコールと反応させると、異なるエステルを得られます。, 例えば、メチルエステルの化合物とアルコールを混ぜ、高温で反応させます。エステル交換後に生成するメタノールの沸点は低いため、高温条件でメタノールはすぐに蒸発します。, 一方で沸点の高いアルコールが存在する場合、メタノールのようにすぐには蒸発しません。例えばメタノールの沸点は65℃ですが、1-ブタノールの沸点は118℃です。そこでメチルエステル化合物と1-ブタノールを混ぜ、65℃付近で熱すれば、ブタノール由来のエステルに置き換わります。, このようにして、酸性条件下でエステル交換による合成反応が可能です。生成されるアルコールを除去しつつ、エステル交換させたいアルコールと反応させることで、目的化合物を得られます。, またカルボン酸誘導体では、カルボン酸自体の反応条件を理解しなければいけません。カルボン酸誘導体の場合、さまざまな求核剤と反応します。一方でカルボン酸の場合、求核剤と反応しないことに注意しましょう。, 通常、塩基性が強いほど求核性が高くなります。つまり、求核剤の多くは塩基だといえます。グリニャール試薬やアミンなど、これら求核性の高い化合物は塩基性を示します。, 塩基性の物質とカルボン酸を混ぜると、求核攻撃による合成反応ではなく、酸塩基反応が優先的に起こります。以下のように、カルボン酸の水素原子が塩基によって引き抜かれるのです。, そのため求核剤を用いた合成反応をすることはできません。そこで塩基性ではなく、酸性条件にて合成反応を進めます。, 酸性条件では、カルボン酸をエステル化することができます。カルボン酸とアルコールを混ぜ、反応させることでエステル化合物を得られます。反応機構については、酸性条件でのエステルのカルボン酸合成と逆になります。, エステルの加水分解は可逆反応だと説明しました。そのため、同じようにカルボン酸からエステルを合成することができます。, カルボン酸誘導体の中でも、安定な化合物がアミドです。アミドの場合、脱離基はアミノ基になります。ただアミノ基は非常に強い塩基性化合物であり、通常は脱離基になりません。アミンと反応させてアミドを合成することはできても、アミンから他の化合物を得るのは困難なのです。, アミドが-NH2や-NHR、-NR2の状態で脱離基になることはありません。一方、酸触媒を加えることで-NH3+や-NH2R+、-NHR2+の状態にすれば、アミドが活性化されます。プラスの電荷を帯びることで、脱離基になるのです。, そこで、酸性条件下で水またはアルコールを加えることで、アミドからカルボン酸またはエステルを合成できます。, エステルやカルボン酸の反応機構とほぼ同じなので、アミドの加水分解の反応機構は簡単です。重要なのは、窒素原子にH+（プロトン）が結合することで、アミンがプラスの電荷を帯びることです。, 塩酸や硫酸などの酸触媒が存在するからこそ、アミドの加水分解が進みます。この点については、カルボン酸との合成反応と共通しているといえます。, 非常に重要な置換基がC=Oです。ただC=Oの構造をもっている化合物であったとしても、官能基によって合成反応の種類が大きく異なります。, C=O構造を持つ化合物の中でも、カルボン酸誘導体の性質について解説してきました。アシル基を有するのがカルボン酸誘導体であり、どのような原子が結合しているのかによって反応性の順番が異なります。, カルボン酸誘導体で重要な化合物としては、塩化アシルや酸無水物、エステル、アミドなどがあります。反応機構はどれも似ています。しかし、反応条件や生成可能な化合物は違います。そこで、どのような反応条件で合成が進むのか理解しましょう。, 有機化学の研究室では、求核アシル置換反応は頻繁に利用される合成反応です。そのため、反応性や反応機構を事前に理解しておく必要があります。. 塩基性度が高いと求核性は大きくなる傾向があります。ただし、このことは15族～17族の原子が求核剤になるときに当てはまることに注意してください。 第2周期原子を含むイオン分子について、求核性の強さを比較すると以下のようになります。 π電子過剰系含窒素複素環は求電子置換反応が 進行し易い等、ベンゼン環に近い化学的反応性を有している。これに対しπ電子不足系含窒素複素環は、 ベンゼン環あるいはπ電子過剰系含窒素芳香複素環とは大きく異なった化学的反応性を有している。すな 【参考】 求電子剤は、その名の通り『電子』を求めている剤(分子)になります。 求電子剤は、何らかの原因で電子不足に陥っている部位を持った化合物であり、電子を求めて様々な反応を起こすという特徴があります。 専門的には、ルイス酸性の高い分子が求電子剤に分類されます。 例えば以下のような場合が典型的です。 フロンティア軌道論を考えるため、具体例としてナフタレンを見てみましょう。ナフタレンの反応において、求電子試薬も求核試薬もβ位に比べてα位で置換反応しやすいです。これは電子密度で反応性を考える電子論では説明できません。 長末端は求核性の高いカルボアニオンであるたあ,適 当 な求電子試薬を反応させることにより容易に鎖末端に官 能基を導入することができ,実 際これまでに種々の官能 基の導入にっいて多くの報告がなされている21～6).本稿 求核性に対する溶媒効果 ch3oh 溶液中 ch3oh o ho‒ は水素結合を受ける h 反応性落ちる 分極率の高い hs‒ が優先 ch3cn 溶液中 水素結合は起きない 塩基性の高い ho‒ が優先 （プロトン性極性溶媒） （非プロトン性極性溶媒） 7 “Application of DBU as Strong Organic Base.” Journal of Synthetic Organic Chemistry, Japan 33.11 (1975): 925-935. 酸性度の高い水素が脱離：芳香族性が復活 1. いはそれ以上に,求 電子試薬に対して高い反応性を持っ ている。臭素とは極めて容易に反応するし,濃硫酸や濃 硝酸とも,芳 香族化合物のスルホン化,ニ トロ化の条件 下で充分反応する。決して反応性が低いわ … 酸性度の高い水素が脱離：芳香族性が復活 1. 同時に求電子試薬を2倍にすると反応速度は2×2＝4倍になります。sn2反応とは？反応例と反応機構を簡単に解説. 水を含め、非常に求核性の弱い試薬とも反応するため、塩化アシルを作った後に合成反応を進行させることができます。 ・塩化アシルを合成し、カルボン酸を活性化する. (2) カルボニル基 (-co-) に対する求核付加反応 カルボニル基 (-co-) において、炭素原子は部分的に正電荷を帯びているので、電子豊富な求核剤は、この炭素原子を攻撃します。 その結果、 c ＝ o 結合の π 電子は酸素原子上に移動し、酸素原子は形式負電荷を帯びることになります。 求電子試薬として，第2級臭化物を用いることが可能なところ まで開発できた。今後，第2級塩化物や芳香族化合物を用いた 反応を実現できれば，更なる優位性を示すことができる。 求核試薬としてマグネシウム反応剤（Grignard試薬）を用い ・電子供与性の置換基はオルトパラ配向性、電子吸引性の置換基はメタ配向性、例外としてハロゲンはオルトパラ配向性となる。, 次回のコメントで使用するためブラウザーに自分の名前、メールアドレス、サイトを保存する。. DBUの求核性について. 一方、ハロゲン（F,Cl,Br,I）や不飽和結合をもつもの（NO2,CO2H,COCH3,SO3H）、CF3などの強力な電子吸引基が結合した芳香族はベンゼンに比べ反応性が低くなります。 DBUは求核性が低いといわれていますが、無いわけではありません。DBUはイソシアネートと反応して付加体を生成します。 NAKATANI, Keizo, and Sei HASHIMOTO. ここで反応にあずかる求電子剤は、三酸化硫黄 so 3 またはプロトン化された三酸化硫黄 so 3 h + です。 so 3 は求電子性が十分に高いので、プロトン化されなくても、ベンゼンと反応し （電子求引性基） （電子求引性基）＜（電子供与性基） h h h e e h h e - h+ 付加 脱離 いずれの反応でも求電子試薬が反応 すべて、求電子置換反応 ニトロ化 hno3, h2so4 no2+ スルホン化 +so3, h2so4 so3h ハロゲン化（臭素化） br2, febr3 br+ アルキンはs性が大きいので、アルカンやアルケンに比べて末端水素の酸性度が高い。 このため、アルキンは末端炭素で求核置換反応を起こす。 pKa 22 pKa 45 pKa 50 s性 50% s性 33% s性 25% CC H H H H 120˚ σ結合＋π結合 sp2混成 C C H H H H C C H H H H C C H H H H それでは、反応性の高い塩化アシルをどのようにして合成するのでしょうか。 反応試薬は、 ベンゼン環 と 求電子剤（electrophile） ここでは、求電子剤の一般式としてE+で示す 2. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); 官能基の違いによって、どのような合成反応をするのか理解することは重要です。これら官能基の中でも、重要な官能基としてケトンとアルデヒドが知られています。ケトンはカルボニル基と呼ばれており、アルデヒドはホルミル基といいます。両者に共通しているのは、C=Oの構造を有することです。そのため有機化学では、カルボニル基もホルミル基も似た化学反応を起こします。ケトンとアルデヒドを含めたカルボニル化合物では、さまざまな種類の化学反応を起こします。あらゆる化合物を合成できるため、有機化学では非常に重要な官能基です... 求核試薬がカルボニル炭素を攻撃するとき、必ず電子が酸素原子に移動することを意味しています。, 化合物の合成反応では、通常は不安定な状態から安定な状態になるように反応が進行します。, 分子内にカルボン酸またはヒドロキシ基がある場合、事前にエステル保護しておくといいです。. 芳香環上のπ電子が求電子剤を攻撃：非芳香族性のカチオン中間体を生成 ★★ 19 反応性は、電子供与性であるアルキル基（CH3）や、非共有電子対をもつ置換基（OH,NH2)が結合した芳香族はベンゼンに比べ反応性が高くなります。 一方、ハロゲン（F,Cl,Br,I）や不飽和結合をもつもの（NO2,CO2H,COCH3,SO3H）、CF3などの強力な電子吸引基が結合した芳香族はベンゼンに比べ反応性が低くなります。 おおよその順序は下図のようになります。 下記の参考書に、置換ベンゼンをニトロ化した時の相対速度が詳細に載っていますので興味がある方はご活用ください。 【参考】 （ボルハルト …
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