Moleculus
有機化学リファレンス

Acyl Chloride Synthesis with SOCl2

塩化アシルの合成(SOCl2

塩化アシル(酸塩化物)の合成:酢酸+塩化チオニル SOCl2 → 塩化アセチル+SO2+HCl

全体式

出発物から生成物へ

+
基本形 General Form

反応の基本形

R–COOH + SOCl₂ → R–COCl + SO₂ + HCl

塩化チオニル SOCl₂(加熱も)カルボン酸の活性化(酸塩化物の合成)

カルボン酸を塩化チオニルで反応性の高い酸塩化物に変える活性化反応である。

機構 Mechanism

反応機構(段ごと)

巻矢印はA=攻撃 / B=脱離・π形成 / C=プロトン移動。本文の (A)(B)(C) は図中の同色の矢印を指します。

Step1

カルボン酸OHが硫黄を攻撃(クロロスルフィット化・OHの脱離基化)

試薬・条件SOCl2(塩化チオニル)

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この段のあと
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酢酸のOH酸素O4の孤立電子対結合に使われず、原子の上に対で残っている非共有の電子対。求核剤として攻める手になる。が、塩化チオニルの硫黄S10を攻撃して新しいO4–S10結合を作る(A)。玉突きでS10–Cl13の結合電子が塩素Cl13へ移り、Cl⁻が脱離する(B, 脱離矢印)。O4はいま3結合+正電荷(クロロスルフィット中間体反応の途中で一時的にできる、ある程度の寿命を持つ化学種。遷移状態とは別物である。プロトン化分子が水素イオン(H⁺、プロトン)を1つ受け取る操作。酸性条件でよく起こる。型)。この段でカルボン酸のOHが『硫黄のついた良い脱離基結合の電子対を持ったまま分子から抜けていく原子や原子団。抜けたあと安定なほど良い脱離基となる。』に付け替わる。

Q.なぜカルボン酸のOHをわざわざ硫黄に付け替えるのか

A.OHのままだと脱離基として悪い(O4が抜けるときOH⁻という強い塩基になり抜けにくい)から。硫黄をつけてクロロスルフィット(–O–S(=O)Cl)にすると、あとでSO2とCl⁻へ壊れて抜ける『良い脱離基』に変わる。これがSOCl2を使う理由。

Step2

脱プロトン(中性クロロスルフィット)

試薬・条件Cl⁻(前段で生じた塩化物イオンが塩基)

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この段のあと
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塩化物イオンCl13がO4⁺上のプロトンH5を引き抜き(C)、O4–H5の結合電子が酸素O4へ戻って中性のクロロスルフィット中間体反応の途中で一時的にできる、ある程度の寿命を持つ化学種。遷移状態とは別物である。(CH3–CO–O–S(=O)Cl)になる(B)。抜けたプロトンはCl13と結びついてHClになる。電荷を消し、次にCl⁻がカルボニル炭素と酸素が二重結合したC=O構造。炭素が電子不足で、求核剤に攻められる。を攻撃できる中性体を整える。

Step3

Cl⁻がカルボニル炭素を攻撃(四面体中間体の生成)

試薬・条件Cl⁻(求核剤)

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この段のあと
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塩化物イオンCl20の孤立電子対結合に使われず、原子の上に対で残っている非共有の電子対。求核剤として攻める手になる。が、カルボニル炭素と酸素が二重結合したC=O構造。炭素が電子不足で、求核剤に攻められる。炭素C2を攻撃して新しいC2–Cl20結合を作る(A)。玉突きでC2=O3のπ電子が酸素O3へ降りてアルコキシドアルコールのO–Hが外れ、酸素上に負電荷を持った陰イオン。強い求核剤・塩基である。(O⁻)になる(B)。C2は4結合の四面体中間体カルボニルに求核剤が付き、炭素がsp3の四面体形になった中間体。になる。カルボニル炭素は電子求引性のO–S基が付いてδ⁺が強く、求核剤電子が余っていて、電子の足りない相手(求電子剤)へ電子対を差し出して結合をつくる化学種。Cl⁻の攻撃を受けやすい。

Q.なぜCl⁻がカルボニル炭素を攻撃できるのか

A.カルボニル炭素C2は、酸素二つ(=O3とO4–S)に挟まれて電子が引かれδ⁺が強い求電子点だから。そこへ求核剤のCl⁻が付加し、π電子をO3へ逃がして四面体中間体反応の途中で一時的にできる、ある程度の寿命を持つ化学種。遷移状態とは別物である。になる。これが求核アシル置換カルボニルに求核剤が付いてから脱離基が抜け、正味で置換になる二段の型。の前半(付加)。

Step4

脱離基の脱離(塩化アシル完成・SO2とCl⁻の放出)

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生成物(完成)
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アルコキシドアルコールのO–Hが外れ、酸素上に負電荷を持った陰イオン。強い求核剤・塩基である。O3の孤立電子対結合に使われず、原子の上に対で残っている非共有の電子対。求核剤として攻める手になる。がC2=O3のカルボニル炭素と酸素が二重結合したC=O構造。炭素が電子不足で、求核剤に攻められる。を再生し(B)、玉突きでC2–O4の結合電子が脱離基結合の電子対を持ったまま分子から抜けていく原子や原子団。抜けたあと安定なほど良い脱離基となる。側(O4)へ移ってO4–S10基が抜ける(B, 脱離矢印)。抜けたクロロスルフィット部分はそのままSO2へ壊れ(O4–S10がπ結合を作り(B)、S10–Cl12が切れてCl⁻を放つ(B, 脱離矢印))、二酸化硫黄SO2と塩化物イオンCl⁻になる。四面体中間体カルボニルに求核剤が付き、炭素がsp3の四面体形になった中間体。が壊れて塩化アセチル(CH3COCl)が完成する。

Q.なぜO–S基(クロロスルフィット)が脱離できるのか、なぜ塩素が炭素に残るのか

A.O–S基(クロロスルフィット)は抜けると同時にSO2(気体)とCl⁻に不可逆に壊れるので、脱離基として非常に優秀だから。SO2が系外へ抜けることが駆動力になる。四面体中間体反応の途中で一時的にできる、ある程度の寿命を持つ化学種。遷移状態とは別物である。にはClとクロロスルフィット基が付いているが、この比較ではクロロスルフィット側が圧倒的に抜けやすい(Cl⁻自体も良い脱離基だが、気体を放出して戻れなくなる脱離には敵わない)。だからClが炭素に残り、塩化アシルが立つ。

考察

なぜこう進むのか

原理
カルボン酸のOHは、そのままでは脱離基結合の電子対を持ったまま分子から抜けていく原子や原子団。抜けたあと安定なほど良い脱離基となる。として悪い(OH⁻は強い塩基=抜けにくい)。SOCl2はこのOHを『クロロスルフィット(–O–S(=O)Cl)』に付け替え、良い脱離基(最終的にSO2とCl⁻へ壊れる基)に変える活性化剤。良い脱離基にしたうえで、Cl⁻がカルボニル炭素と酸素が二重結合したC=O構造。炭素が電子不足で、求核剤に攻められる。炭素へ付加–脱離(求核アシル置換カルボニルに求核剤が付いてから脱離基が抜け、正味で置換になる二段の型。)して塩化アシルができる。
選択性
Q.なぜ塩化アシルまで一気に進むのか(途中で止まらないのか)
A.脱離基がSO2とCl⁻という気体・小分子へ不可逆に壊れるので、平衡が生成側へ引かれるから。SO2が系外へ抜けることが強い駆動力になり、酸塩化物という『反応性の高い(=ふつうは作りにくい)誘導体』まで登れる。
駆動力
律速はOHの脱離基化(クロロスルフィット化)。いったん良い脱離基になれば、Cl⁻の付加–脱離は速い。全体はSO2の脱離(不可逆・気体化)で駆動される。四面体中間体カルボニルに求核剤が付き、炭素がsp3の四面体形になった中間体。で抜けるのはCl⁻ではなくクロロスルフィット基:抜けた瞬間にSO2(気体)とCl⁻へ壊れて系外に出るぶん、単なるCl⁻の脱離より圧倒的に有利だから。結果としてClがカルボニルに残り、塩化アシルになる。
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検算 Verified

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矢印⇄結合変化の整合整合 — fail=0 / check=0(全4段)
電荷保存保存 — 全段で電荷保存
中間体の鎖の連続連続 — 中間体の鎖が連続
生成物への到達(内部整合)到達 — 看板の生成物が機構中で実際に生成
生成物の分子式C2H3ClO
PubChem 照合緑・完全一致(CID 6367)
acetyl chloride
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