[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

オキソニウムカチオンを飼いならす

[スポンサーリンク]

酸素原子は結合の手を二つもち、二つの原子団と結合を作ることができる―これは高校までの化学で習う、ごくごく基本的な事実です。
この酸素原子に、余分な置換基を無理やり持たせてやるとどうなるでしょう?そうするとオキソニウムカチオンという化学種ができあがります。普通より多くの手をもつ「無理のある状態」ですから、とても不安定な化学種になります。

オキソニウムカチオンを含む有機合成試薬として有名なものの一つに、Meerwein試薬があります。これは水ともすぐさま反応してしまうほどの、強力なアルキル化剤です。オキソニウムカチオンがひとつの手を離して形式電荷を解消し、2つの手を持つエーテルになるほうが無理がないため、下記のような反応が進行するわけです。

oxonium_tamed_1.gifこのように高い反応性をもつオキソニウムカチオンですが、近年カリフォルニア大学デービス校のMark Mascalらによって、異常に安定なものが作れることが示されました[1]。それがオキサトリキナン(oxatriquinane, 1)という化合物です。

具体的には以下のスキームにしたがって合成されます。

oxonium_tamed_3.gif1aは高求核性の臭化物カウンターアニオンをもちますが、自己開環を起こすことなく安定に存在することができます。またこの化合物は還流条件の水やアルコール、チオール、ヨウ化物アニオンなどの求核置換条件では反応せず、シリカゲルクロマトグラフィにも耐えるそうで全く驚きです(CN–、OH–、N3–とは反応するようです)。SbF6–へとアニオン交換した1bは結晶性化合物であり、X線構造解析によってその3次元構造が明らかにされています。こちらも安定。

なぜこれほどまでに優れた安定性を誇るのか?・・・ふーむ一見して全くわからない。みなさんはパッと見で、なぜなのか当てがつけられますか?

報告者であるMascalらは、「求核攻撃を受けて生成する構造が歪8員環であり、化学的に不利になることがその理由」と考察しています。そう言われればそんな気もしますが・・・なかなかに奥が深そうです。

またMascalらは、二重結合を3つ持つ類縁体オキサトリキナセン(oxatriquinacene,2)をも合成しています。このカチオンはアリル位に位置するため、1よりも反応性に富み、水とはすぐさま反応してしまいます。しかしこの化合物は酸化することでオキサアセペンタレンという、理論上ベンゼンと同程度の芳香族性を示す化合物になると考えられています[2]。合成中間体という意味で興味深い化合物たるようです。オキサアセペンタレンの合成そのものは未達成ですが、いずれ彼らのグループから報告があるかもしれません。

さてMascalらはさらに研究をすすめ、メチル基を3つもつ誘導体(3)を合成しました[3]。オキソニウムカチオンが三級アルキル基に結合するため、1以上に種々の求核置換条件や加溶媒分解に対して安定になっています。OMe–、OAc–、CN–などのアニオンに晒すと、β脱離が起こってオレフィンが得られます。まぁここまでは予測のつくところかと思います。しかしN3–のような強力な求核剤で処理してやると、なんと立体反転を伴った求核付加生成物が取れてきます。

oxonium_tamed_4.gif

すなわち3級アルキル炭素上にも関わらず、SN2反応が起こるという他に類を見ない現象が観測されているわけで、これまた驚きの成果です。

本当にこれがSN1過程ではなくSN2過程なのかということについては
①SN1を加速させるプロトン性極性溶媒では、この反応は遅くなる
②反応速度プロファイルは二次であり、カチオン濃度とアジド濃度に一次ずつ依存する
③SN1の中間体であるカルボカチオンが合理的に存在し得ないことをDFT計算で示す
④LiBF4のような非活性塩の存在下に反応が遅くなる

といった教科書的な基本事項を調べて裏付けています。

有機化学の歴史は100年以上のものがありますが、こんなシンプルな性質をもつ化合物が未だ発見されていなかった、という事実は意外そのものですね。この方向で今後どんな化学が展開されていくのか、楽しみにしていたいと思います。

関連文献

  1. (a) Mascal, M.; Hafezi, N.; Meher, N. K.; Fettinger, J. C. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 13532. doi:10.1021/ja805686u (b) Highlight: Haley, M. M. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 1544. DOI: 10.1002/anie.200805417
  2. Mascal, M. J. Org. Chem. 2007, 72, 4323. DOI: 10.1021/jo070043z
  3.  Mascal, M.; Hafezi, N.; Toney, M. D. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 10662. doi:10.1021/ja103880c

 

外部リンク

Avatar photo

cosine

投稿者の記事一覧

博士(薬学)。Chem-Station副代表。国立大学教員→国研研究員にクラスチェンジ。専門は有機合成化学、触媒化学、医薬化学、ペプチド/タンパク質化学。
関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。
素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

関連記事

  1. 市民公開講座 ~驚きのかがく~
  2. 【速報】2012年ノーベル化学賞発表!!「Gタンパク質共役受容体…
  3. 配位子保護金属クラスターを用いた近赤外―可視光変換
  4. 発想の逆転で糖鎖合成
  5. 安全性・耐久性・高活性を兼ね備えた次世代型スマート触媒の開発
  6. 元素名を名字にお持ちの方〜
  7. イミノアルキンと共役ジエンの形式的[4+1]アニュレーションによ…
  8. 塗る、刷る、printable!進化するナノインクと先端デバイス…

注目情報

ピックアップ記事

  1. 第47回天然有機化合物討論会
  2. Dead Endを回避せよ!「全合成・極限からの一手」⑥(解答編)
  3. スティーブン・ジマーマン Steven C. Zimmerman
  4. 金と炭素がつくりだす新たな動的共有結合性を利用した新たな炭素ナノリングの合成法の確立
  5. ストリゴラクトン : strigolactone
  6. アッペル反応/Appel Reaction
  7. 開催間近!ケムステも出るサイエンスアゴラ2013
  8. カール・ジェラッシ Carl Djerassi
  9. グルコース (glucose)
  10. 有機反応を俯瞰する ーシグマトロピー転位

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2011年7月
月 火 水 木 金 土 日
 123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728293031

注目情報

最新記事

【速報】2026年のノーベル化学賞は「不斉有機合成における非線形効果および自己触媒作用の発見」へ

2026年のノーベル化学賞は、アンリ・カガン (Henri B. Kagan、フランス・パリ=サクレ…

柳沢 正史 Masashi Yanagisawa

柳沢 正史(やなぎさわ まさし、Masashi Yanagisawa、1960年5月…

ケムステ人気新着記事 トップ 5【2026年8月版】

2026年8月にケムステでは22本の新しい記事を公開しました。この記事では、その新着記事の中から、ペ…

シュライナー チオウレア触媒/Schreiner’s Thiourea Catalyst

⏱ 30秒サマリー 何をする反応か — 2本の N–H による二座水…

タリンにいってきました BOS2026 後編

前編では、BOS2026とタリンについて、また今回訪問した理由、そして実際に講演するところまでお話し…

「そっちが切れちゃうの!?」 〜弱い結合を残し、強い結合を切断する HAT 反応の開発〜

第721回のスポットライトリサーチは、金沢大学 大学院医薬保健学総合研究科(平野研究室)博士前期課程…

SNS予想で盛り上がれ!2026年ノーベル化学賞は誰の手に?

【速報】(2026/10/7 19:10)2026年のノーベル化学賞 (速報…

予想外から!cis-クレロダン型ジテルペノイド類の発散的不斉全合成

TEMPO⁺BF₄⁻を用いたラクトン化および付加環化反応による骨格構築と酸素官能基の導入により、ci…

【書評】ストラウブ化学数学 / MATHEMATICAL METHODS for MOLECULAR SCIENCE

内容化学を学び、研究するうえで必要になる数学の知識を懇切丁寧に教えるテキスト。化学の…

化学コミュニケーション賞2026、候補者募集開始!

化学コミュニケーション賞は、日本化学連合が2011年に設立した賞です。「化学・化学技術」に対する社会…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP