Baeyer-Villiger Oxidation
Baeyer–Villiger酸化:シクロヘキサノン+mCPBA(m-クロロ過安息香酸)→ ε-カプロラクトン(7員環ラクトン)+ m-クロロ安息香酸。ケトンのカルボニル炭素とα炭素の間に酸素が1つ挿入され、環が1つ大きくなる。
R–CO–R' + R''CO₃H → R–CO–O–R' + R''COOH
ケトンのカルボニルとα炭素の間に酸素が挿入され、エステル(環状ならラクトン)になる過酸酸化である。
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。
試薬・条件H⁺(酸性条件・ヒドロニウム)
シクロヘキサノン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。酸素O1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、酸(ヒドロニウム)のプロトンH8を受け取る(C)。玉突きでO40–H8の結合電子が酸素O40へ戻って水になる(B)。カルボニルが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。されて炭素C2の求電子性(オキソカルベニウム性)が上がり、弱い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。である過酸の末端酸素でも付加できるようになる。
Q.なぜ先にカルボニルをプロトン化するのか
A.プロトン化するとC=Oの炭素C2がより強くδ⁺(オキソカルベニウム性)になり、中性で弱い求核剤である過酸の末端酸素O9でも付加できるようになるから。Baeyer–Villigerは弱酸性条件で進み、この活性化が付加を助ける。
試薬・条件過酸の末端酸素(求核剤)
過酸の末端酸素O9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、活性化された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O9–C2結合を作る(A)。玉突きでC2=O1⁺のπ電子が酸素O1へ降りて中性の–OHになる(B)。C2は4本の結合をもつ四面体炭素になり、これが Baeyer–Villiger の鍵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。=Criegee中間体(–O–O–CO–Ar のペルオキシエステルが炭素にぶら下がる)。付加したO9側が正電荷を帯びる。
Q.なぜ過酸は末端の酸素(O–OHの外側O)でカルボニルを攻めるのか
A.過酸 Ar–CO–O–OH の末端酸素O9は孤立電子対をもつ求核点で、隣の弱いO–O結合のぶん反応性のある求核酸素として働くから。この酸素がカルボニル炭素C2に付くことで、後段の転位結合や原子団が分子内で移動して、炭素骨格などが組み替わる過程。で切るべきO–O結合を分子内に抱えたCriegee中間体ができる。
試薬・条件溶媒/カルボン酸(プロトンの受け渡し)
溶媒(水/カルボン酸)が、付加した酸素O9⁺の上のプロトンH20を引き抜く(C)。玉突きでO9–H20の結合電子が酸素O9へ戻り、O9は中性のペルオキシ酸素になる(B)。正電荷が消え、C2に中性の–OH(O1)と中性の–O–O–CO–Ar(O9)が付いた中性のCriegee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。次段の転位結合や原子団が分子内で移動して、炭素骨格などが組み替わる過程。・脱離の準備が整う。
3本の矢印が同時に動く協奏段。まず–OHの酸素O1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C1–O2間(C2)に二重結合を作りに行き(A)、玉突きで隣のα炭素カルボニルの隣(α位)の炭素についた水素。塩基で外れやすく酸性を示す。C3が、C2–C3の結合電子ごと隣の酸素O9へ転位結合や原子団が分子内で移動して、炭素骨格などが組み替わる過程。して新しいC3–O9結合を作る(B)。同時にその押し出しでO9–O10の弱い結合電子が酸素O10へ降り、m-クロロ安息香酸のカルボキシラートが脱離する(B, 脱離矢印)。C2とC3の間に酸素O9が割り込み、C2=O1⁺の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。ラクトン(オキソカルベニウム)ができる。C–C結合が切れて同じ場所にC–Oができる=これがO挿入の実体。
Q.なぜアルキル基(α炭素C3)が、水素やアリール側でなく転位するのか/なぜO–Oが切れるのか
A.転位段の遷移状態結合が切れかけ・できかけの、エネルギーが最も高い一瞬の状態。取り出すことはできない。は動く炭素C3上に部分正電荷を帯びる(カルボカチオン炭素の上に正電荷を持つ、電子が足りず不安定な中間体。置換基の多い3級ほど安定になる。的)ので、その正電荷を安定化できる置換の多い炭素ほど転位する(転位能:第3級>第2級・環状>第1級>メチル)。シクロヘキサノンでは両隣が等価な第2級環炭素なのでどちらが動いても同じ結果になる。切れるのは弱いO–O結合で、抜けたあとが共鳴1つの構造式では描き切れない電子の広がりを、複数の極限構造で表す考え方。安定なカルボキシラート(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。)になるため、この方向へ協奏的複数の結合の切断と生成が、中間体を経ずに一度に同時に起こるさま。に進む。
試薬・条件カルボキシラート(塩基)
脱離してきたm-クロロ安息香酸のカルボキシラート酸素O10が、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。ラクトン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。酸素O1⁺の上のプロトンH8を引き抜く(C)。玉突きでO1–H8の結合電子が酸素O1へ戻って中性のC=O(エステル/ラクトン)になる(B)。7員環のε-カプロラクトン(–O–CO–を含む環)が完成し、副生成物のm-クロロ安息香酸が再生する。
同じ中間体・対になる選択性・連続する変換など、位置の近い反応です。反応マップで全体の中での位置も見られます。
原子の保存・電子の流れ・生成物への到達を機械で検証しています。妥当な経路は複数ありえます。
| 矢印⇄結合変化の整合 | 整合 — fail=0 / check=0(全5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 | C6H10O2 |
| PubChem 照合 | 緑・完全一致(CID 10401) oxepan-2-one |