エポキシド開環

原理

塩基性条件のエポキシド開環は、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。がエポキシドの炭素を攻めるSN2そのものである。強い求核剤メトキシド CH₃O⁻ は酸素上に負電荷をもち、三員環の電子が薄い炭素へ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。を差し出して新しいC–O結合をつくる。ちょうどその裏側で、攻められた炭素と環酸素をつなぐC–O結合の電子が丸ごと酸素へ移り、三員環が開い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。になる——攻めと開環が別々の段に分かれず1段でつり合う協奏過程である。ふつうのジアルキルエーテルと違ってこれが進むのは、三員環の角ひずみ（内角が約60°まで圧縮されている）が開環で一気に解放されるためで、そのひずみ解放が、本来は悪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。であるアルコキシド（切れても分子内につながったまま抜けきらない）を押し出す。生じたアルコキシドはワークアップで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、中性の1-メトキシ-2-プロパノールになる。

選択性

Q.塩基性条件で求核剤はなぜ立体障害の小さい炭素を攻めるのか。酸性条件ではどう変わるのか
A.塩基性条件では、強い求核剤メトキシドが自分から炭素へ電子を差し出す純粋なSN2として進む。SN2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。では求核剤・炭素・切れるC–O結合が一直線に並ぶため、置換基が少なく背面が空いている炭素（ここでは無置換のCH₂＝C3）ほど攻めやすい。だから塩基性では立体（障害の小ささ）が位置を決め、求核剤は無置換側に入る。酸性条件では逆になる：先に環の酸素がプロトン化されて脱離能が上がり、C–O結合が伸びて遷移状態が正電荷を帯びる（SN1寄りの機構）。すると、より置換の多い炭素（ここではメチルのついたC2）のほうが正電荷を安定化できるので、弱い求核剤はむしろ多置換側を攻める。同じ基質でも塩基性と酸性で位置選択反応が起こりうる複数の位置のうち、特定の位置に偏って進む性質。が逆転するのがエポキシド開環の特徴である（酸性条件の詳細は別ページ）。

駆動力

C–O結合自体はふつう強く、切って開くのは一見不利に見える。それでもこの反応が塩基性・穏やかな条件で進むのは、三員環に蓄えられた角ひずみ（sp³炭素・酸素が好む約109.5°に対し、内角が約60°まで押し込められることによる、およそ27 kcal/mol のひずみエネルギー）が開環で一気に解放されるからである。これがふつうのエーテルとエポキシドの決定的な違いで、ひずみのないジアルキルエーテル（ジエチルエーテル等）は求核剤に対して不活性だが、エポキシドはひずみ解放という熱力学的な後押しと、それによって下がる活性化障壁のおかげで、悪い脱離基であるアルコキシドを出しながらでも開く。加えて、電子が余った強い求核剤メトキシドが電子の薄い炭素を攻めるという有機反応の基本の一手がそろっている。

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