Michael Addition
Michael 付加(共役付加):マロン酸ジエチル + NaOEt でエノラート(活性メチレンの脱プロトン)→ メチルビニルケトン(MVK, α,β-不飽和ケトン=Michael 受容体)へ 1,4-付加 → いったんエノラートを経て、プロトン化でケト体(1,5-ジカルボニル型の Michael 付加体)。
Nu–H + C=C–C=O → Nu–C–CH–C=O(1,4-付加)
安定化した炭素求核剤がα,β-不飽和カルボニルのβ炭素へ共役(1,4-)付加する反応である。
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NaOEt(エトキシド EtO⁻・弱い塩基)
エトキシド(EtO⁻)の酸素O20が、マロン酸ジエチルの活性メチレン(2つのエステルに挟まれた炭素C1)の水素H8を引き抜く(C)。玉突きでC1–H8の結合電子がC1とC5の間へ動いてC1=C5のπ結合を作り(B)、同時にC5=O6のπ電子が酸素O6へ降りてO6⁻になる(B)。負電荷が2つ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。酸素に共鳴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。で分散した安定なエノラートカルボニルの隣(α位)の水素が外れてでき、炭素と酸素に負電荷が広がった陰イオン。(カルバ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。)が生じ、エタノールが遊離する。
Q.なぜ弱い塩基のエトキシドで脱プロトン分子が水素イオン(H⁺)を塩基に引き抜かれて手放す操作。プロトン化の逆である。できるのか(どのHが外れるか)
A.外れるのは2つのカルボニルに挟まれた活性メチレンのH。生じる負電荷が両側のカルボニル酸素へ共鳴で分散するため非常に安定で、この位置のC–Hは pKa ≈ 13 と小さい。エトキシド(共役二重結合と単結合が交互に並び、π電子がひと続きに広がった状態。酸エタノールの pKa ≈ 16)でも十分に脱プロトンできる。ふつうのケトンα-H(pKa ≈ 20)より格段に酸性。
試薬・条件メチルビニルケトン(MVK・Michael受容体)
エノラートカルボニルの隣(α位)の水素が外れてでき、炭素と酸素に負電荷が広がった陰イオン。の求核炭素C1(C1=C5のπ電子)が、MVKのβ炭素C30を攻撃して新しいC1–C30結合を作る(A)。玉突きで、エノラート酸素O6の負電荷が戻ってC5=O6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。が再生する(B)。受容側では、C30=C31のπ電子がC31–C32間へ動いてC31=C32を作り(B)、玉突きでC32=O33のπ電子が酸素O33へ流れ込む(B)。負電荷はカルボニル酸素O33に落ち着き、MVK由来のエノラートになる。C1はH1つ・エステル2つ・新しい鎖が付いた四置換炭素になる。
Q.なぜMVKの末端の炭素(β炭素C30)を攻めるのか
A.MVKはC30=C31–C32=O33が共役二重結合と単結合が交互に並び、π電子がひと続きに広がった状態。していて、カルボニルの求電子性(δ⁺)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。でβ炭素C30まで広がっている(C30が求電子点)。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C30に付くと、余った負電荷がC31を経てカルボニル酸素O33まで流れ、共鳴安定なエノラートで受け止められる。これが1,4-付加(共役付加)=Michael付加。カルボニル炭素C32を直接攻める1,2-付加では、この安定なエノラートにならない。
試薬・条件EtOH(エタノール・プロトン源)
MVK由来エノラートカルボニルの隣(α位)の水素が外れてでき、炭素と酸素に負電荷が広がった陰イオン。の酸素O33上の負電荷(O33–C32のπを作りに動く)がC32=O33を再形成し(B)、玉突きでC31=C32のπ電子が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。C31へ移って(B)、そのC31がエタノールのプロトンH40を受け取る(C)。O20–H40の結合電子は酸素O20へ戻ってエトキシドが再生する(B)。エノラートがケト体(C32=O33のメチルケトン)に戻り、Michael付加体が完成する。触媒反応を速めるが、自身は反応の前後で消費されず再生される物質。として使った塩基(EtO⁻)が戻るのも要点。
Q.なぜここ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。するとケト体(1,5-ジ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。)になるのか
A.付加直後の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。はカルボニル酸素側に負電荷をもつエノラート(エノール形の共役塩基酸が水素イオン(H⁺)を1つ手放したあとに残る化学種。安定なほど元の酸は強酸である。)。α炭素C31がプロトンを受け取ると、C=Cが消えてC=O(ケト形)に戻る=ケト‑エノール互変異性プロトンの移動と二重結合の組み替えで、ケト形とエノール形が行き来する現象。のケト側。こうしてできた生成物は、マロン酸部のカルボニルとMVK由来のケトンが炭素3つを挟んで並ぶ1,5-ジカルボニル化合物(Michael付加体)になる。
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3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 | C11H18O5 |
| PubChem 照合 | 緑・完全一致(CID 253183) diethyl 2-(3-oxobutyl)propanedioate |