Moleculus
有機化学リファレンス

Grignard Addition to a Ketone

ケトンへのグリニャール付加

ケトンへのGrignard付加:アセトン+CH3MgBr → マグネシウムアルコキシド →(H2O後処理)→ 2-メチルプロパン-2-オール(tert-ブタノール、第三級アルコール)

全体式

出発物から生成物へ

+ +
基本形 General Form

反応の基本形

R₂C=O + R'MgX → R₂C(OH)R'(第三級アルコール)

無水エーテル → H₃O⁺後処理カルボニルへの求核付加(Grignard 付加)

炭素求核剤 Grignard 試薬がケトンのカルボニルに付加し、後処理で第三級アルコールを与える反応である。

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

Grignard付加(マグネシウムアルコキシド生成)

試薬・条件CH3MgBr

1234101112
この段のあと
1234101112

アセ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。炭素C2は、電気陰性なO3にC=Oの電子を引かれて部分正電荷(δ+電気陰性度の差で結合の電子が偏り、δ+とδ-の部分電荷が生じること。)を帯びている。Grignardのメチル等価体C10(強い炭素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。)がそのC2を攻撃して新しいC2–C10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はメチル3つを持つsp3の第三級炭素になり、O⁻はMg²⁺と塩(O–MgBr)を作る。Mg²⁺・Br⁻は対イオン。

Q.なぜカルボニル炭素を攻めるのか、そしてこの段で水を入れてはいけないのか

A.カルボニル炭素はO側に電子を引かれてδ+=最も求電子性が高い点だから、そこを求核剤が攻める。水を入れてはいけないのは、Grignardは強塩基でもあり水のO–Hプロトンを即座に奪ってCH4になり分解してしまうから。付加が終わってから初めて水で後処理する。

Step2

後処理:プロトン化(第三級アルコール完成)

試薬・条件H2O(H3O⁺)

12341020212223
生成物(完成)
12341020212223

反応が終わったところで水(酸性後処理)を加える。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。が水のプロトンH21を受け取り(C)、玉突きでO20–H21の結合電子がO20へ戻って水になる(B)。中性の第三級アルコール=2-メチルプロパン-2-オール(tert-ブタノール、(CH3)3C–OH)が完成する。

Q.なぜ最後に水(後処理)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。するのか

A.付加でできるのはアルコキシドのMg塩であって、まだアルコールそのものではないから。反応が終わった後に水を加えてO⁻をO–Hにプロトン化して初めて、目的の中性アルコールが取り出せる。付加の途中でなく最後に入れるのがGrignardの鉄則。

考察

なぜこう進むのか

原理
Grignard試薬 CH3MgBr の炭素はカルボアニオン炭素の上に負電荷を持つ化学種で、強い求核剤・塩基としてはたらく。的に働く強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、部分正電荷(δ+電気陰性度の差で結合の電子が偏り、δ+とδ-の部分電荷が生じること。)を帯び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。炭素へ1,2付加する。まずメチル基がカルボニル炭素にC–C結合を作り、π電子は酸素へ降りてマグネシウム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–MgBrの塩)になる。この段では水を絶対に入れない(入れるとGrignardが分解する)。反応が終わってから水で後処理してアルコキシドを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。し、中性のアルコールにする。ケトン+Grignardは置換基が3つ付いた炭素にOHが乗る第三級アルコールを与える。
選択性
Q.なぜ第三級アルコールになるのか
A.出発物のケトン(アセトン)はカルボニル炭素にすでにメチルが2つ付いている。そこへGrignardのメチルがもう1つC–C結合で加わるので、OHの付く炭素はメチル3つを持つ第三級炭素になる。アルデヒドなら第二級、ホルムアルデヒドなら第一級。付く炭素の置換基の数がそのままアルコールの級数を決める。
駆動力
C–Mg結合の強い求核性(分極でCが負電荷側)が、安定な新しいC–C結合をカルボニル炭素との間に作ることが駆動力。生じたアルコキシドは後処理の酸でプロトン化されて安定な中性アルコールに固定され、反応が完結する。
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矢印⇄結合変化の整合整合 — fail=0 / check=0(全2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C4H10O
PubChem 照合緑・完全一致(CID 6386)
2-methylpropan-2-ol
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