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化学者のつぶやき

有機反応を俯瞰する ー芳香族求電子置換反応 その 2

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前回、芳香族求電子置換反応の概要と一般的な反応機構についてお話ししました。そこでは、ベンゼンの安定な芳香族 π 電子を、強力な求電子剤が無理やり引き出すことで、ベンゼンの求電子置換反応が起こることを説明しました。今回は、フェノールの反応性と配向性について説明し、ベンゼンの反応とフェノールの反応の反応機構を書き分けるべきだということについてお話しします。

前回からの課題

本題に入る前に、簡単に前回の復習をします。前回、ベンゼンおよびフェノールの臭素化について比較し、次の疑問をあげました。

  1. なぜベンゼンとフェノールで反応性が違うのか。(触媒の必要性)
  2. フェノールはなぜ o,p- 位で反応するのか 。逆になぜ m- 位だけ反応しないか。

%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-04-23-34-15ベンゼンの反応性が低い理由については、前回お話ししたとおりです。手短に言うと、ベンゼン環が持つ π 電子系は、電子が環全体に非局在化して安定だから反応性が低いのでした。一方、上の反応式(むしろ実験事実)が示しているように、フェノールは触媒なしでも臭素と 3 回反応します。明らかにフェノールはベンゼンよりも高い反応性を有します。このことを説明できるような反応機構を書くことを目標とします。

フェノールの共鳴構造式

さて、フェノールとベンゼンの違いは、見た目通りヒドロキシ基 (OH 基) の有無です。そして、フェノールのヒドロキシ基の酸素は非共有電子対(ローンペア)を持っており、次の共鳴極限構造式を書くことができます。

%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-06-23-32-59

この式が意味していることは、

酸素の非共有電子対はベンゼン環上に流れ込んでおり、

その負電荷がヒドロキシ基から見て o 位と p 位にも分布している

ということです。

ところで、非共有電子対(あるいは非結合電子対ともいう)という言葉を文字どおり読めば、”分子内の共有結合に関与していない電子” です。したがってその非共有電子対は、”これから新しい結合を作る” ことに適しており、o 位と p 位は反応性が高いことが読み取れます。(フロンティア軌道論の言葉を借りれば、酸素の非結合電子対が π 共役によって非結合性の HOMOの形成に関与しているということです。その非結合性軌道は、共鳴構造式が表すようにベンゼン環の o,p 位に軌道係数を有しています。)

反応機構 -共鳴構造を意識して書く-

それでは、上で説明したことを踏まえて、フェノールの臭素化の反応機構を次のように書いてみます。

%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-13-23-49-25

1つの段階あたりに多くの巻矢印を書いていますが、理由なく矢印を並べているわけではありません。各段階の電子の流れを追ってみましょう。

第一段階で、酸素上から出発した電子が、ベンゼン環上の  p 位の炭素から流れ出て、臭素に攻撃します。ここでは p 位で反応させていますが、o 位で反応するようにも書けます。(しかしm 位で反応するようには書けません。)

続いて第二段階で、プロトンを放出して電子を酸素上に戻すことにより、置換反応が完結します。

が、さらに反応は繰り返されます。なぜなら共鳴構造式が示してくれたように酸素の非共有電子対はヒドロキシ基の o 位と p 位に流れ込んでいるために、o 位と p 位はどちらも高い反応性を有するからです。したがって、置換反応はそれらの位置において容易に進行します。もしフェノールの臭素化を一度で止めたいなら、低温下でフェノールに対して臭素を少しずつ、正確に 1 等量加える必要があります。

ローンペアを押し流す

今回の反応の鍵段階は、この場面です。

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この図は、

酸素がローンペアをベンゼン環に押して、p 位で流れ出る

と読みます。多くの矢印が書かれていますが、ベンゼン環は、電子の流れを伝える媒体になっているだけです。反応の起点(電子の流れの始点)はあくまでも酸素の非共有電子対です。このように反応機構を書くと、電子がベンゼン環の外へ向かうには、必然的に o 位か p 位の炭素を通り抜けなければなりません。このことから配向性を説明できます。さらにフェノールの反応を担うのが安定なベンゼン環由来の π 電子ではないことが示されているので、ベンゼンと比べて反応性高いことも説明できています。他にもアニリンのように、ローンペアを有する原子がベンゼン環に直接結合している場合には、この方針に従って反応機構を書くことができます。

芳香族求電子置換反応を俯瞰する

比較のために前回の鍵段階も並べて書いてみましょう。

%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-13-23-49-37

一見すると、同じ形式の反応ですが、ベンゼン環から臭素へ向かう矢印の意味合いは違っています。

ベンゼンの求電子置換反応の場合、臭素へ向かう π 電子は、ベンゼン環の芳香族安定性を直接担う電子なので、強力な求電子剤による引き出しが反応の起点になります。一方、フェノールの求電子置換反応の場合、酸素がローンペアをベンゼン環上へ押し流して、反応に関与します。このような酸素原子からの押し出しがあるので、フェノールは比較的弱い求電子剤とも反応します(例えば臭素分子のような)。

別の視点からの説明

ここから先は蛇足の話を 2 点。まずフェノールの配向性に関して、次のような説明も可能です。

%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-13-23-50-05

通常のベンゼンと同じようにベンゼン環上の π 電子が求電子剤と反応するが、o,p- 位で反応した場合には、中間体のカルボカチオンは酸素のローンペアが共鳴構造に関与する。その共鳴構造は、分子中の全ての原子がオクテットを満たしており、通常のカルボカチオンよりも安定である。したがって、o,p- 攻撃は活性化エネルギーが低く、有利である。

こちらの説明も説得力がある事実ですが、この説明では酸素の非共有電子対の役割が「中間体の正電荷を埋め合わせること」という印象を受けます。(私が初めてこの説明を聞いたときは、そう思いました。)一方、今回紹介したように最初から酸素の非共有電子対から電子の流れを出発させると、酸素がフェノールの反応性を通常のベンゼンよりも劇的に高めていること(活性化していること)を明記できます。なので個人的には、”ローンペアを押し流す” 書き方の方が好きです。

m 配向の説明

また、配向性の話を完結させるために m 配向性についても付け加えておきます。(今回の鍵段階である ” ローンペアを押し流す” こととは正反対ですが。)

m 配向性を示すベンゼン誘導体の代表例は、ニトロベンゼンです。ニトロベンゼンのニトロ基のような非常に強い電子求引基は、以下のような共鳴構造式が書けます。

%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-13-23-50-25

上の式は、ニトロ基がベンゼン環上の π 電子を引き込んで、ベンゼン環上のo 位と p 位の電子密度を低下させている様子を表しています。したがって、求電子剤は、残った m 位に仕方なく攻撃することになります。したがってこちらの m 配向性の芳香族求電子置換反応は、強力な求電子剤で π 電子を無理やり “引き出す” 機構に分類できます。

%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-13-23-50-38

 

以上、前回と今回の記事で芳香族求置換反応を見てきました。前回は、活性化されていない芳香族化合物における求電子置換反応をピックアップしたので、今回は、活性化された芳香族化合物が出発物質となる人名反応を中心的に取り上げておきます。

反応名 鍵段階 備考
Kolbé–Schmitt 反応 %e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-26-22-46-39 オルト置換体の生成が有利である。このことはナトリウムのキレート効果に由来すると考えられている。
 %e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-26-21-54-11
Fries 転位 %e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-26-22-46-47  分子内での Fridel-Crafts アシル化とみなすことができる。
%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-26-21-54-31
ジアゾカップリング %e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-27-22-48-17
   %e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-26-21-54-56
Reimer–Tiemann 反応 %e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-26-22-47-27 クロロホルムに強塩基を作用させることで発生するジクロロカルベンが求電子剤として作用する。
%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-19-22-36-11
ピリジン N-オキシドへの求電子置換反応 %e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-26-22-47-36 ピリジンは通常、芳香族求電子置換反応に対して反応性が低いが、ピリジン N-オキシドでは酸素原子の非共有電子対が芳香環に流れ込むことで反応性が高められている。
%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-19-22-36-32
Vilsmeier–Haack 反応 %e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-26-22-47-46 DMF とオキシ三塩化リンとの反応により生じる Vlismeier 反応剤が求電子剤として作用する。 求電子置換反応に続いてアミドが加水分解されることで、ホルミル基が導入される。
   %e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-23-22-08-58
Bischler–Napieralski  イソキノリン合成 %e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-26-22-47-59 芳香族化合物の分子内に Vilsmeier 反応剤を発生させ、分子内芳香族求電子置換反応を起こす反応。
%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-26-23-15-14
von Pechmann 反応 %e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-26-22-48-20  求電子置換反応に続いて、脱水とラクトン化が起こりクマリン誘導体が得られる。
%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88-2016-11-26-22-01-53

関連動画

フェノール誘導体 (4-ヒドロキシ安息香酸メチル)の臭素化。臭素を加えると、直ちに反応して白色沈殿が生じる。ベンゼンの臭素化 (前回も参照)と違って、触媒の必要はなく室温でも反応が進行していることに注目。ベンゼンとは明らかに反応性が異なることがわかります。

本連載の過去記事はこちら

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