第14・15章スライド資料

化学Ⅱ
第14章
カルボニル化合物と求核付加反応
1．求核付加反応のメカニズム
1.1. カルボニル化合物の性質
1.2. 水和物、アセタール形成反応
1.3. 有機金属反応剤－炭素-炭素結合形成反応
1.4. グリニヤル反応（Grignard reaction）
2．エノラートイオンとアルドール縮合
2.1. ケト-エノール互変異性
2.2. エノラートイオン
2.3. アルドール反応
2.4. 交差アルドール反応
2.5. 分子内アルドール反応
カルボニル基と生体内反応
脂肪酸の生合成
カルボニル基は炭素-炭素結合を形成するために重要な官能基
1.1. カルボニル化合物の性質
カルボニル基の特徴１
カルボニル炭素は
求核攻撃を受ける
（炭素の残りの結合は省略してある）
共鳴効果により、炭素は正電
荷に偏っている。
+
酸性条件では酸素原子の非共有電子対がH+を捉える
ため、さらに炭素は正電荷に偏る
2.1. ケト-エノール互変異性 2.2. エノラートイオン
カルボニル基の特徴２
ケト-エノール互変異性
ケト型
エノール型
カルボニル基の隣の炭素（α位）に水素がある場合、エノール型
と呼ばれる異性体との平衡が存在する（ケト型のほうが安定）
エノラートイオン
エノラートイオン
ケト-エノール後変異性のため、カルボニル基のα位の水素は塩基
によって引き抜かれ、求核性を持つカルボアニオンが生成する
1.2. 水和物、アセタール形成反応
カルボニル基へのアルコールの求核付加反応
+
ヘミアセタール
+
2
アセタール
カルボニル基を過剰のアルコールと酸性条件にすると、求核付加反
応が進行する。二分子のアルコールが付加した構造はアセタールと
呼ばれる。
1.2. 水和物、アセタール形成反応
環状アセタール形成反応と糖の鎖状/環状構造
• 糖は分子内に、カルボニル基（アルデヒド基）と水酸基を持つ。
• 糖は環状のヘミアセタール構造と鎖状構造の平衡状態にある。
一級アミンのカルボニル基への求核攻撃（イミンの生成）
イミン
• 窒素の官能基であるアミンでもカルボニル基への求核攻撃は進
行する。
• 一級アミンは二個の水素を有しているため、水酸基やチオール
基二個分の働きをしてイミンが生成する。
1.3. 有機金属反応剤－炭素-炭素結合形成反応
カルボニル基の共鳴効果を利用した
炭素-炭素結合形成反応
炭素-炭素結合の形成には、炭素原子を求核剤として働かせる
必要がある。
ところが、炭素は
１）非共有電子対がない（＝結合をつくるための余った電子対が
ない）
２）電気陰性度が小さくアニオン（カルボアニオン）になりにくい。
そのため、工夫が必要となる
求核剤として働く有機金属反応剤
電気陰性度 C: 2.55 Li: 0.98 Mg: 1.31 Zn: 1.65
1.3. 有機金属反応剤－炭素-炭素結合形成反応
グリニヤル（Grignard）反応
カルボニル基（アルデヒド基）とGrignard試薬を反応させることで
求核付加反応が進行して炭素-炭素結合を形成する
Grignard試薬の調製
Grignard試薬
ハロゲン化アルキルとマグネシウムを反応させることで調製される
1.4. グリニヤル反応（Grignard reaction）
Grignard反応
反応機構
• 反応は無水条件で行われる。水はGrignard試薬と反応してしまう。
• Grignard試薬の炭素がカルボニル基に求核攻撃する。
• 炭素-炭素結合が新たにできて、代わりに炭素-酸素間のπ結合が
切断される
• 酸素原子はアニオンとなるので残ったMgBrとの塩が生成する。
• 水を加えると、生成物であるアルコールが得られる。
問1
次の反応の四角に生成物を記載しなさい
2.3. アルドール反応
エノラートイオンとカルボニル基の反応による
炭素-炭素結合の形成（アルドール縮合）
Base（塩基）としてはNaH, NaOH, NaOMeなどがある。
① アルデヒドやケトンに強塩基を加えるとエノラートイオンとの平衡が
発生する。
② 平衡なので、アルデヒドやケトンとエノラートイオンが共存している
ことになる。
③ エノラートイオンは求核剤、元のアルデヒドやケトンは求電子剤とし
ての性質を有している。
④ エノラートイオンがカルボニル基に求核攻撃する。
2.3. アルドール反応
アルドール縮合
① エノラートイオンとカルボニル化合物の反応
② 生成物にはカルボニル基があるため、再度塩基と反応する
③ 二回目は脱離基となるヒドロキシ基があるためエノラートから脱
離反応が進行する
2.4. 交差アルドール反応
交差アルドール反応
と
の間でアルドール反応を行うとどうなるか?
2.4. 交差アルドール反応
交差アルドール反応の制御
アルデヒドとケトンの求核
攻撃への反応性
>
>
≫
≫
エノラートイオンの生成しやすさと反応性
• アルデヒドの方がケトンよりも求核攻撃を受けやすい
• α位（カルボニル基の隣の炭素）に水素の存在しないアルデヒ
ドもしくはケトンはエノラートイオンにはならない
2.4. 交差アルドール反応
交差アルドール反応の制御１
α水素を持っていない化合物を利用して、反応の方法を工夫す
ることで生成物を制御できる
大量
常に少量
2.4. 交差アルドール反応
交差アルドール反応の制御２
ケトンとアルデヒドの反応性の違いを利用
2.5. 分子内アルドール反応
分子内にアルデヒドやケトンが二つあると、分子内での反応も進行する
問2
次の反応の反応機構（電子の動きも含む）を記載しなさい
化学Ⅱ
第15章
カルボン酸と誘導体
1．カルボン酸誘導体の性質と相互変換
1.1. カルボン酸と酸性度
1.2. カルボン酸誘導体
1.3. エステルの合成と加水分解
1.4. アミド
1.5. 酸ハロゲン化物によるエステル及びアミドの合成
2．エステルエノラートイオンの反応
2.1. クライゼン縮合反応
2.2. β-ケトエステルのアルキル化と脱炭酸
2.3. アセト酢酸エステル合成とマロン酸エステル合成
1.2. カルボン酸誘導体
色々なカルボン酸誘導体
安定な誘導体
活性化された
誘導体
• カルボニル炭素の隣にそれぞれ異なる置換基が結合している
が、加水分解すればどの化合物もカルボン酸に変換される
• カルボン酸誘導体ではカルボニル基部分の求核攻撃に対す
る反応性が異なる
1．カルボン酸誘導体の性質と相互変換
カルボン酸と誘導体の性質
１．H+を放出する酸である
２．ヒドロキシ基部分（通常は O－の形）は求核性を有する
３．求核攻撃を受ける（カルボニル基）
カルボン酸はヒドロキシ基（アルコール）とカルボニル基（ケトン、ア
ルデヒド）両方の性質を有している
1.1. カルボン酸と酸性度
カルボン酸の構造と酸の強さ
酸の強さ＝H+の放出量
H+の放出量は、アニオン（R-COO－）の安定性できまる
1. 置換基が電子を引き付ける力が強いほど電荷が分子全体に分
散してアニオンは安定化するので、強い酸になる
2. 置換基が電子供与性だとアニオンが不安定化して弱い酸になる。
1.3. エステルの合成と加水分解
カルボン酸への求核攻撃：
酸性条件下でのエステル合成と加水分解反応
（Fischerエステル合成反応）
エステル
＝アルコールと縮合したカルボン酸
• 酸性条件下（H2SO4, HCl等）でカルボン酸とアルコールを混
ぜるとエステルが生成し、エステルと水を混ぜると加水分解
が起こる。
1.3. エステルの合成と加水分解
カルボン酸の求核性：塩基性条件下でのエステル合成
カルボン酸とアルコールの
反応は塩基性条件では進
行しない
塩基性条件ではカルボン酸がアニオンになる
⇒求核攻撃に対する反応性が低下
求核攻撃してくるアルコールもアニオン
⇒静電的反発
•
反応しない
置換反応を利用すると塩基性条件でエステルを合成できる
O
H3C
O
H
K2CO3
H3C
O
O
Me
I
H3C
O
O
Me
1.3. エステルの合成と加水分解
塩基性条件下でのエステル加水分解
C
O
R
H2O, HO-
O
O
H3C
O
CH3
O
H
O
OH
OH
C
H3C
H3C
O
O
CH3
OH
O
H3C
O
O
塩基性条件下でのエステル加水分解反応では
• HO-が求核剤として作用する
• 中間体からアルコール部分が脱離することでカルボン酸
が生成する
ここまでは平衡反応だが
• 生成したカルボン酸は塩基性条件下でアニオンになる
⇒再度アルコールの攻撃を受けないので実質不可逆反応
問1
次の反応の反応機構（電子の動きも含む）を記載しなさい
1.4. アミド
カルボン酸誘導体：アミドの性質
O
C
H
RNH2
O
H2O
H
N
C
O
R
アミド
＝アミンと縮合したカルボン酸
アミドとエステルの違い
電気陰性度酸素：3.44
窒素：3.04
• 同じ共鳴構造式は書けても、窒素原子の方が電子を与えや
すいので、カルボニル炭素が求核攻撃を受けにくい。
• アミド構造はエステルに比べて安定で反応性が低い
• 水が多量に存在する生体内でタンパク質が安定に存在でき
る理由
1.5. 酸ハロゲン化物によるエステル及びアミドの合成
O
C
C
RNH2
H
H
N
O
R
O
H2O
アミドの合成：アミンとカルボン酸からはつくりにくい
中性条件
酸性条件
C
O
塩基性条件
O
H
H
+
-
N
H
R
OH
C
H
O
N
+
O
R
H
中性では塩、酸性ではアミンの求核性低下、塩基性ではカルボン
酸の反応性が低下
1.5. 酸ハロゲン化物によるエステル及びアミドの合成
活性化されたカルボン酸誘導体
X
H3C
O
H3C
Cl
O
H3C
O
O
CH3
O
活性化された
カルボン酸誘導体
Cl
O
CH3
O
安定なアニオンが遊離
活性化されたカルボン酸誘導体
1. 電子吸引性の構造＝カルボニル基の活性化
2. 求核攻撃により遊離するアニオンが安定な構造
⇒ 求核攻撃による反応を起こしやすい誘導体
1.5. 酸ハロゲン化物によるエステル及びアミドの合成
活性化されたカルボン酸誘導体によるアミドの合成
置換反応により簡単にアミドが合成できる
H3C
Cl
O
H2N
R
H2N
H3C
R
H2
N
H3C
Cl
O
R
Cl
O
• 反応は、中性から塩基性条件で進行する。
• 生成物として酸が発生するため、反応を完全に進行させる
ためには塩基を加えて中和する必要がある
• 同じ反応はアルコールでも進行する（エステルの合成）
問2
次の反応の反応機構（電子の動きも含む）を記載しなさい
3
2
2
3
4
3
3

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