キレトロピック反応とは：定義・機構・代表例を分かりやすく解説

理論解析

チェレトロピック反応は、その分子の形状から、理論化学者の多くの予測を裏付けるものである。チェレトロピック反応は、分子軌道の対称性が保たれていることを確認する。

pericyclicな遷移状態では、小分子が環に2つの電子を供与する。この反応を説明するには、2つの可能なジオメトリーがあります。小分子は、直線的にも非直線的にも接近することができる。直線的なアプローチでは、小分子の軌道上の電子は、大分子のπ系に直接向けられる。一方、非線形的なアプローチでは、軌道が少しずれた角度で接近します。小分子の接近に伴ってπシステムが回転することは、新しい結合を形成する上で非常に重要である。回転の方向は、π電子が何個あるかによって異なります。フロンティア分子軌道を用いて、2電子のフラグメントが4電子のπシステムに接近する図を以下に示します。小分子が直線的に接近する場合はdisrotatory、非直線的に接近する場合はconrotatoryの回転となる。disrotatoryとconrotatoryは、π系の結合がどのように回転しているかを表しています。disrotatoryは逆方向、conrotatoryは同じ方向を意味します。これは下の図にも示されている。

Huckel's Ruleを用いると、π系が芳香族系か反芳香族系かがわかります。芳香族系であれば、直線的なアプローチでは逆回転運動、非直線的なアプローチでは逆回転運動をします。反芳香族系の場合は逆になります。直線的なアプローチでは回転運動、非直線的なアプローチでは回転しない運動になります。

SOが関与するcheletropicな反応2

熱力学

二酸化硫黄とブタジエン、イソプレンを反応させると、2種類の製品ができる。何が作られるかは、反応メカニズムによって決まります。動力学的生成物と熱力学的生成物の両方が考えられます。熱力学的生成物は、運動論的生成物よりも多く作られます。動力学的生成物はディールス-アルダー反応によるものであり、クレトロピック反応ではより熱力学的に安定した生成物が作られる。cheletropic経路は、より安定した5員環付加物を作るため、より多く使用されます。下の図は、この2つの生成物の違いを示しています。左側の経路は熱力学的な生成物、右側の経路は動力学的な生成物を示しています。SuarezとSordoは1995年にこのことを示しました。彼らは、実験とガウス計算の両方でこのことを示した。

キネティクス

その一例が、1,3-ジエンと二酸化硫黄のキレート反応である。化学者はこの反応の速度論を注意深く見てきた。1976年、IsaacsとLailaは、ブタジエン誘導体への二酸化硫黄の付加反応の速度因子を測定した。30℃のベンゼン中で、最初に20倍のジエンを添加して、添加速度をモニターした。彼らは、分光光度計を用いて320nmの光を調べ、SO₂の消失を測定した。反応は「疑似一次速度論」を示した。化学者たちは、ジエンに電子吸引性の基があると、反応速度が低下することを発見した。また、2置換基の立体効果によっても反応速度が大きく影響され、嵩高い基ほど反応速度が大きくなることがわかった。(つまり、2番目の炭素原子からぶら下がっている原子群が大きいほど、反応速度が速くなったのである）。これは、反応に不可欠なジエンのシソイド構造を、嵩高い基が好む傾向があるためだと考えられる（以下の表を参照）。さらに、7つのジエンについて、4つの温度での反応速度を測定した。これらの測定結果から、化学者はアレニウス式を用いて各反応の活性化エンタルピー（Δ^‡H）と活性化エントロピー（Δ^‡S）を算出した。これは、キレートロピック反応のケネティックスを研究した最初の重要な試みの1つである。

Monnat、Vogel、Sordoの3人は、2002年に1,2-ジメチルリデンシクロアルカンへの二酸化硫黄の付加反応のカイネティクスを測定した。彼らは、1,2-ジメチルイデンシクロヘキサンと二酸化硫黄の反応は、反応条件によって2つの異なる生成物が得られることを記している。この反応は、速度論的な制御下（≦-60℃）ではヘテロDiels-Alder反応によって対応するスルチンを作るが、熱力学的な制御下（≧-40℃）では、cheletropic反応によって対応するスルホレンを作るのである。ヘテロ・ディールス・アルダー反応の活性化エンタルピーは、対応するチェレトロピック反応の活性化エンタルピーよりも約2kcal/mol小さくなっています。スルフォレンは、CHCl₂₂/₂SO水溶液中で等モルのスルチンよりも約10kcal/mol安定である。

著者らは、1,2-ジメチルイデンシクロヘキサンと二酸化硫黄の反応で、対応するスルホレンを得るための261.2Kでの速度則を実験的に求めることができた。この反応は、1,2-ジメチルイデネシクロヘキサンでは一次反応であるが、二酸化硫黄では二次反応であった（下記参照）。これは、高レベルの第一原理量子計算に基づく理論化学者の予測を裏付けるものであった。著者らは、計算手法を用いて、1,2-ジメチルイデンシクロヘキサンと二酸化硫黄のキレートロピック反応の遷移構造を提案した（右図）。この反応は二酸化硫黄では二次的に起こるが、これは二酸化硫黄の別の分子が遷移状態を安定化させるために結合していると考えられるからである。同様の結果は、1995年にSuarez、Sordo、Sordoが行った研究でも見られた。この研究では、第一原理計算を用いて、二酸化硫黄と1,3-ジエンの反応の速度論的および熱力学的制御を研究した。

d [ ] 3d t = k 21[ ] [ S O ] {\\}{22d[3]}{dt}}=k_{2}[1][SO_{2}]^{2}}。

溶剤の影響

3,4-ジメチル-2,5-ジヒドロチオフェン-1,1-ジオキシドのキレート反応（右図）の溶媒の影響を，14種類の溶媒を用いて速度論的に調べた。その結果，平衡定数に加えて，正反応と逆反応の反応速度定数は，E_T(30)溶媒極性スケールと線形相関することがわかった。

反応は120℃で行い、反応混合物の1H-NMR分光法で調べた。順方向の速度kは、₁シクロヘキサンからメタノールになるにつれて4.5倍に減少することがわかった。逆方向の速度k_-1は、シクロヘキサンからメタノールへの変化により53倍に増加し、平衡定数K_eqは140倍に減少した。平衡定数と動力学データの関係から、活性化の過程で極性が変化していることが示唆された。著者らは、反応は溶媒の極性に影響されるようであり、このことは、反応物から遷移状態、生成物へと移行する際の双極子モーメントの変化によって示されると述べている。また、著者らは、キレートロピック反応は、溶媒の酸性度、塩基性度のいずれにも影響されないようだと述べている。

この研究の結果から、著者は次のような行動を期待しています。

1.溶媒の極性の変化は、平衡状態よりも速度に影響を与える。

2.E_T(30)の増加に伴い、k₁はわずかに減少し、同じ条件であればk_-1は増加するというように、速度定数は極性によって逆の影響を受けるという特徴がある。

3.k_-1に対する影響の方が大きくなります。

アルケンへのカルベン付加反応

合成上最も重要なキレトロピック反応の一つは、アルケンに一重項カルベンを付加してシクロプロパンを作ることである（左図参照）。カルベンとは、価電殻に6個の電子を持つ2価の炭素を含む中性の分子である。このため、カルベンは反応性の高い求電子物質であり、反応の中間体として生成される。一重項カルベンには、空のp軌道と、2個の電子を持つほぼsp²のハイブリッド軌道が存在する。一重項カルベンは、アルケンに立体特異的に付加し、シクロプロパンの生成物にはアルケンの立体化学が保持される。カルベンがアルケンに付加するメカニズムは、協奏的な[2+1]付加環化反応である（図参照）。クロロホルムやブロモホルムから得られるカルベンを用いると，アルケンにCX₂を付加してジハロシクロプロパンを得ることができ，Simmons-Smith試薬ではCH₂.

充填されたカルベン軌道とアルケンπ系との相互作用により、4電子系が形成され、非線形アプローチが有利になります。また、カルベンの空のp軌道とアルケンの満たされたπ軌道を混ぜるのも好ましい。混ぜる場合は、非線形アプローチが有利です（右図2参照）。しかし、理論的には非線形アプローチが有利であることは明らかですが、実験的には線形アプローチと非線形アプローチの明確な違いはありません。