[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

ベンゼンの直接アルキル化

[スポンサーリンク]

ベンゼンにアルキル基を導入したいとき、皆さんはどのような手法を用いますか?

ベンゼンの置換反応

1877年の報告以来、140年もの間利用されてきている代表的な方法として、Friedel-Craft(FC)反応がある。[1] FC反応においてベンゼンは求核剤として働き、ルイス酸によって活性化されたハロゲン化アルキルによる求電子置換反応が進行する。


FC反応の欠点として、
(1)置換されたアルキルベンゼンがベンゼンよりも求核性が高いため、多置換体を与え得ること
(2)活性化されたアルキル基はより安定なカルボカチオンへと転移する傾向があり、直鎖型アルカンの導入が容易でないこと
が挙げられる。

FC反応とは逆のアプローチ法として、芳香族求核置換反応(SNAr)がある。 この反応の場合、まず求核剤が芳香環に付加し、σ錯体と呼ばれる中間体が生成し、次にsp3炭素上から脱離基が解離することで置換ベンゼンが生成する。

ちなみに、求核試薬が酸素もしくは窒素求核剤の場合をMeisenheimerもしくはJackson-Meisenheimer、炭素求核剤の場合をJanovsky錯体と呼ぶ。[2]
6π系で電子が豊富かつ芳香族性を持つベンゼン環に対して求核剤を付加させるためには、事前にNO2基などの電子求引基 (EWG)を置換させておく必要がある。さらに、σ錯体中のsp3炭素上に適切な脱離基がなく、例えば、水素がついている場合には、適切な酸化剤の添加を要する場合もある。[3]

では、炭素6つ水素6つのみから成る純粋なベンゼン(C6H6)をアルキル置換することは不可能なのだろうか?

カルシウムグリニヤール

Bath大学のHillとToulouse大学のMaronらは、カルシウムのアルキルグリニヤール試薬等価体を単離し、求電子剤として用いることでベンゼン(C6H6)の直接置換反応を達成した。

Andrew S. S. Wilson, Michael S. Hill, Mary F. Mahon, Chiara Dinoi, Laurent Maron
Science 2017, 358, 1168-1171. doi:10.1126/science.aao5923

カルシウムヒドリド二量体は、単量体のカルシムアミドとフェニルシラン(PhSiH3)との反応から容易に合成でき、70%以上の収率で単離することができる。重ベンゼン中、室温下で化合物を様々な末端アルケン(エチレン、ブテン、ヘキセン)と反応させたところ、Ca-HがC=C部位に付加して生成した直鎖状のアルキルカルシウム種 2-4が得られた。X線構造解析の結果、生成物 234は二量体を形成していることがわかった。

(図は原著論文より引用)

実は、10年前の2007年、化合物のCa上にTHFが付加した錯体がHarderらによって既に報告されていて、スチレンとの反応からアルキルカルシウム誘導体が生成することがわかっていた。[4] 針状の濃赤色結晶まで得ていたものの、残念なことに、当時、その分子構造決定には至らなかった。また、100年以上も前から、グリニヤール試薬カルシウムバージョンの合成は検討されてきており、[5] これまでに、アリール、ベンジル、トリメチルシリルメチル置換カルシウム誘導体の構造が報告されているが、直鎖型のアルキル置換カルシウム化合物の分子構造が明らかにされたのは、今回が初めてである。

ベンゼンの直接アルキル化

筆者らは、エチルカルシウム誘導体の生成条件を最適化していた際、溶媒をC6D6からd12-シクロヘキサンに変えると、生成物の安定性が向上することが確認できた。C6D6を用いた反応では、は生成した矢先にさらに別の化合物へと変化している様子が確認され、同時にd5-エチルベンゼンが生成していることが分かった。


NMR解析の結果、Ca-D二量体1(D)が生成していることから、はC6D6と直接的に置換反応していることがわかった。さらに、化合物を用いても同様の反応が進行し、それぞれd5-ブチルベンゼン、d5-ヘキシルベンゼンが得られた。

反応機構はSN2型

理論計算の結果、置換反応は、σ結合メタセシスではなく、SN2型で進行していることが分かった。

また、反応の律速はアルキルカルシウム二量体から単量体二つを発生させる段階であり、求核置換反応段階にはほとんどバリアーがないことはとても興味深い。(下図は原著論文より引用)

Hillは、エネルギーがとても小さな丘を見つけたのだ。
即ち、アルキルカルシウム単量体は、よほど活性なのであろう。この二量体→単量体の挙動が本反応達成の鍵である。ならば、カルシウムヒドリドからアルキル体を生成させた際、どうしてアルキルカルシウム単量体がさらに末端オレフィンとは付加反応しなかったのか気になるところである。村井君風に言うと、”付加は不可だが置換に果敢”ということか。また、Caがベンゼン上の水素の引き抜きに関与している計算結果から、HarderらのCa(tfh)化合物ようにTHFなどの配位性溶媒がCa上についていなかったことが、本反応の発見に繋がったと考えられる。 置換反応後には、もとのカルシウムヒドリドが再生することから、(アルケンへのヒドロアリル化による)触媒的なベンゼンの直接アルキル化も可能であろう、と著者らは最後に述べている。

参考文献

  1. C. Friedel, J.-M. Crafts, Compt. Rend. 1877, 84, 1392. (link)
  2. M. Makosza, Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 2855. doi: 10.1039/B822559C
  3. (a) I. S. Kovalev et al., Russ. Chem. Rev. 2015, 84, 1191. doi: org/10.1070/RCR4462 (b) O. N. Chupakhin, V. N. Charushin, Tetrahedron Lett. 2016, 57, 2665. doi: org/10.1016/j.tetlet.2016.04.084
  4. J. Spielmann, S. Harder, Chem. Eur. J. 2017, 13, 8928. doi:10.1002/chem.200701028
  5. (a) E. Beckmann, Chem. Ber. 1905, 38, 904. doi: 10.1002/cber.190503801160 (b) H. Gilman, F. Schulze, J. Am. Chem. Soc. 1926, 48, 2463. doi: 10.1021/ja01420a038

関連書籍

関連リンク

関連記事

  1. 未来切り拓くゼロ次元物質量子ドット
  2. 個性あるTOC その②
  3. YMC「水素吸蔵合金キャニスター」:水素を安全・効率的に所有!
  4. アルミに関する一騒動 ~約20年前の出来事~
  5. Nature Catalysis創刊!
  6. 含ケイ素四員環-その2-
  7. 有機合成化学協会誌2019年2月号:触媒的脱水素化・官能性第三級…
  8. “腕に覚えあり”の若手諸君、「大津会議」…

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 窒素固定をめぐって-2
  2. 神経細胞の伸長方向を光で操る
  3. 【追悼企画】カナダのライジングスター逝く
  4. 【読者特典】第92回日本化学会付設展示会を楽しもう!PartIII+薬学会も!
  5. シガトキシン /ciguatoxin
  6. 長谷川 美貴 Miki Hasegawa
  7. カルボン酸からハロゲン化合物を不斉合成する
  8. 第三回 ケムステVシンポ「若手化学者、海外経験を語る」を開催します!
  9. 第21回「有機化学で生命現象を理解し、生体反応を制御する」深瀬 浩一 教授
  10. カフェインの覚醒効果を分子レベルで立証

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

注目情報

注目情報

最新記事

第103回―「機能性分子をつくる有機金属合成化学」Nicholas Long教授

第103回の海外化学者インタビューは、ニック・ロング教授です。インペリアル・カレッジ・ロンドンの化学…

松原 亮介 Ryosuke Matsubara

松原亮介(まつばら りょうすけ MATSUBARA Ryosuke、1978-)は、日本の化学者であ…

CEMS Topical Meeting Online 超分子ポリマーの進化形

7月31日に理研CEMS主催で超分子ポリマーに関するオンライン講演会が行われるようです。奇しくも第7…

有機合成化学協会誌2020年7月号:APEX反応・テトラアザ[8]サーキュレン・8族金属錯体・フッ素化アミノ酸・フォトアフィニティーラベル

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2020年7月号がオンライン公開されました。コ…

第102回―「有機薄膜エレクトロニクスと太陽電池の研究」Lynn Loo教授

第102回の海外化学者インタビューは、Lynn Loo教授です。プリンストン大学 化学工学科に所属し…

化学系必見!お土産・グッズ・アイテム特集

bergです。今回は化学系や材料系の学生さんや研究者の方々がつい手に取りたくなりそうなグッズなどを筆…

危険物取扱者:記事まとめ

世の中には様々な化学系の資格があり、化学系企業で働いていると資格を取る必要に迫られる機会があります。…

化学者のためのエレクトロニクス入門③ ~半導体業界で活躍する化学メーカー編~

bergです。化学者のためのエレクトロニクス入門のシリーズも3回目を迎えました。前回は電子回路を大き…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP