電気環状反応（エレクトロサイクリック反応）とは — 定義・機構・ウッドワード–ホフマン規則
有機化学において、電気環状反応（エレクトロサイクリック反応）は、過環式転位反応の一種で、直線的なπ系の末端が互いに結合して環を閉じる（π→σ）反応、あるいは環のσ結合が開いてπ系を再生する（σ→π）反応を指します。生成物側で1つのπ結合が1つのシグマ結合になる、またはその逆である場合、その反応は電気環状であると分類されます。
定義と主な性質
- 電気環状反応は光または熱で駆動される。
- 反応の様式（conrotatory／disrotatory）は、π結合を構成する電子数（π電子数）と励起状態（基底状態＝熱反応、励起状態＝光反応）によって決まる。
- 電気環状反応は環を閉じる方向（環化）にも、環を開く方向（開環）にも進行し得る。
- 反応経路はWoodward-Hoffmann規則により予測され、遷移状態における分子軌道の対称性保存で決定される。
Woodward–Hoffmann規則（簡潔なまとめ）
Woodward–Hoffmann規則は、分子軌道の対称性（保存則）に基づき、どの回転様式（conrotatory：同方向回転、disrotatory：逆方向回転）が許容的（allowed）かを予測します。実務上よく使うまとめは次の通りです：
- π電子数が4n（nは整数、例：4電子系のブタジエン）の場合：熱反応では conrotatory、光反応では disrotatory が許容される。
- π電子数が4n+2（例：6電子系のヘキサトリエン）の場合：熱反応では disrotatory、光反応では conrotatory が許容される。
このルールは、遷移状態における最高被占軌道（HOMO）や励起状態での軌道の位相（符号）を照らし合わせて判断します。
トルク選択性（torquoselectivity）と立体化学
電気環状反応におけるトルク選択性は、環が開閉する際に置換基が回転する向き（トルクの向き）に偏りが生じる現象を指します。例えば、conrotatoryで進む反応では置換基は同じ方向に回転しますが、その回転の「どちら向き」が優先されるかは次の要因で決まります：
- 置換基の電子供与性／引抜性（電子的相互作用）
- 立体障害（衝突回避による優先方向）
- 近接する官能基や配位性（金属触媒やプロトン化など）
トルク選択性が強い場合、鏡像関係にある生成物（エナンチオマー）がみかけ上不均衡に生じ、部分的または完全なエナンチオマー過剰（ee）を与えることがあります。触媒やキラル補助基を用いることでトルク選択性を制御し、立体選択的な合成に利用できます。
フロンティア軌道法（FMO）による説明
フロンティア軌道法では、反応性は主に反応物の最高被占分子軌道（HOMO）と最低空軌道（LUMO）の位相と形に依存すると考えます。電気環状反応では、環の破断端（または形成端）の軌道の位相が重要です。
例：3,4-ジメチルシクロブテンの熱開環（次節の図参照）では、生成物であるブタジエンのHOMOの端（末端p軌道）の位相が互いに反対符号になるため、環はconrotatoryに開く必要があります。逆に6π系（ヘキサトリエンなど）では基底状態HOMOの末端が同符号になっており、disrotatory開環／閉環が支持されます。
代表例
- シクロブテンの熱開環（3,4-ジメチルシクロブテン）
与えられた例のように、シス体からは主にシス-トランス-2,4-ヘキサジエンが生成され、trans異性体からはtrans,trans-ジエンが得られる。これは開環がconrotatoryで起きるため、置換基の相対立体配置が反応後も特定の様式で保存されることを示しています。
- ナザロフ環化反応（Nazarov cyclization）
化学者がよく注目する電気環状反応の一つで、ジビニルケトンがプロトン化やルイス酸触媒下で活性化され、4π電子系の環化によりシクロペンテノン骨格を与える。発見者はイワン・ニコラエヴィチ・ナザロフ（Ivan Nikolaevich Nazarov, 1906–1957）であり、有機合成において五員環を構築する便利な手法として広く用いられる。
遷移状態と対称性保存の実験的検証
電気環状反応の予測（allowed／forbidden）は多数の実験的結果によって支持されています。例えば、熱条件と光条件で反応立体化学が逆転する例、置換基を変えたときのトルク選択性の変化、キラル触媒を使った不斉誘導などが報告されています。これらは分子軌道の対称性が化学反応の経路決定に重要であることを示す直接的な証拠です。
応用と留意点
- 電気環状反応は天然物合成や複雑分子の環形成に有用である。選択的な環化や開環を利用して構造多様性を導くことができる。
- 反応条件（熱／光）、溶媒、触媒、置換基の性質により経路や立体化学が大きく影響されるため、設計時にはFMO解析や立体的評価が重要である。
- Woodward–Hoffmann規則は多くの場合に有効だが、例外的に遷移金属触媒や極端な立体・電子効果により異なる経路が取られることがあるため、実験的検証が必要である。
総じて、電気環状反応は分子軌道の対称性保存に基づく古典的かつ強力な概念であり、有機合成化学における重要な反応クラスです。反応を設計・解釈する際には、π電子数、励起状態（熱か光か）、および置換基の効果（トルク選択性）を常に考慮することが有効です。
ウッドワードホフマン規則
ウッドワード-ホフマン規則は、電気化学反応における軌道対称性の保存に対応しています。
相関図は、反応物の分子軌道と、同じ対称性を持つ生成物の分子軌道を接続します。相関図は、2つのプロセスについて描くことができます。
これらの相関図は、3,4-ジメチルシクロブテンの回転性開環のみが「対称性が許される」のに対し、5,6-ジメチルシクロヘキサ-1,3-ジエンの回転性開環のみが「対称性が許される」ことを示している。これは、これらの場合にのみ、遷移状態で最大の軌道の重なりが起こるからです。また、形成された生成物は励起状態ではなく基底状態である。
フロンティア分子軌道理論
フロンティア分子軌道理論は、リング内のシグマ結合が、結果として生じるp軌道が生成物のHOMOと同じ対称性を持つように開くことを予測しています。
上の図は2つの例を示しています。5,6-ジメチルシクロヘキサ-1,3-ジエン（図の上段）については、回転モードのみが、ヘキサトリエンのHOMOと同じ対称性を持つp軌道をもたらすだろう。2つのp軌道は逆方向に回転する。3,4-ジメチルシクロブテン(図の下段)では、回転モードのみでp軌道がブタジエンのHOMOと同じ対称性を持つようになる。p軌道は同じ方向に回転している。
励起状態の電気環化
光は電子をより高い軌道を占める励起状態にまで移動させることができます。励起された電子は、電子の古い軌道よりも高いエネルギー準位を持つLUMOを占有することになる。光が3,4-ジメチルシクロブテンの環を開環させると、結果として生じる電気環化は回転モードではなく回転モードで起こる。許可された励起状態の開環反応の相関図は、その理由を示している。
反応全体を通して反射面の対称性が維持されている回転モードのみが遷移状態で最大の軌道の重なりをもたらすことになります。また、繰り返しになりますが、これは反応物の励起状態と同等の安定性を持つ励起状態にある生成物を生成することになります。
生物系における電気環状反応
自然界では電気環状反応が頻繁に起こっています。自然界でよく見られる反応としては、ビタミンD3の生合成があります。
第一段階では、光により７-デヒドロコレステロールの環が開環し、プレビタミンＤ３が形成される。これは、光化学的に誘導されたコロット性電気環状反応である。第二段階は、ビタミンD3を作るための[1,7]-ヒドリドシフトである。
また、自然界に存在するオキセピンであるアラノチンとその関連化合物の生合成が提案されています。
フェニルアラニンを用いてジケトピペラジン（図示せず）を製造する。次いで、酵素がジケトピペラジンをエポキシ化してアレンオキサイドを作る。これは、６πの回転性開環電気環化反応を経て、未環化オキセピンを生成する。環の第二のエポキシ化の後、近くの求核性窒素が求電子性炭素を攻撃し、5員環を形成する。このようにして得られる環系は、アラノチンおよびその関連化合物に見られる一般的な環系である。
ベンゾノルカラジエンジテルペノイド(A)を塩化メチレン水溶液を沸騰させることにより、ベンゾシクロヘプタトリエンジテルペノイドイソサルビプーリン(B)に再配列させた。この変換は、以下に示すように、2つの上面1,5-シグマトロピックな水素シフトが続くディスロート性の電気環状反応と考えることができます。
範囲
電気環状反応の例としては、ベンゾシクロブタンの熱開環反応があります。この反応生成物は非常に不安定なオルトキノジメタンである。この分子は、無水マレイン酸のような強いジエノ親和性を有する無水マレイン酸とのエンド付加反応でDiels-Alder付加体にトラップされます。トルエンなどの反応溶媒と110℃の反応温度では、収率はメチルからイソブチルメチル、トリメチルシリルメチルへと増加します。トリメチルシリル化合物の反応速度の増加は、βC-Si結合が電子を供与してシクロブタンのC-C結合を弱めるため、ケイ素の超共役化によるものと説明できます。
ある種のエンジアンドリック酸の単離と合成に関連して、バイオミメティックな電気環状カスケード反応を発見した。
質問と回答
Q:電気環式反応とは何ですか?
A:電気環式反応とは、π結合がΣ結合に、またはΣ結合がπ結合になるような、脂環式転位反応の一種です。
Q: 電気化学反応はどのように進行するのですか?
A: 電気化学反応は、光（光誘起）または熱（熱）によって駆動されます。
Q:π電子の数は電気化学反応にどのような影響を与えるか?
A:π電子の数は、電気化学反応の反応様式に影響を与えます。
Q: 電解環化反応では何が起こるのですか?
A:電解環化反応では、環が閉じることがあります。
Q:電気環式反応における立体選択性は何で決まるのか?
A:電気環式反応における立体選択性は、Woodward-Hoffmannの法則で予測される回転遷移状態または回転不転移状態の形成により決定されます。
Q: 電気環式反応におけるトルク選択性とは何ですか?
A:電気環式反応における置換基の回転方向のことで、回転型プロセスを経るとエナンチオマー生成物が、トルク選択的プロセスを経るとエナンチオマー過剰が生成することがある。
Q:フロンティア軌道法がどのような働きをするのか、どのような例で説明するのですか?
A:フロンティア軌道法がどのように機能するかを説明する例として、3,4-ジメチルシクロブテンの熱開環反応が挙げられます。シグマ結合は、生成物（ブタジエン）の最高被占軌道（HOMO）と同じ対称性を持つp軌道を持つように開環します。これは回転開環の場合にのみ起こり、回転離環では反結合を形成するのに対して、環の両端にある2つのローブは反対の符号を持つことになります。
