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反応物から生成物まで：フリーラジカル環化プロセスの各ステップはどのようにして正確に制御されるのか？
有機化学において、フリーラジカル環化は、フリーラジカル中間体を経て環状生成物を生成する重要な変換プロセスです。このプロセスは、一般的に、選択的フリーラジカル生成、フリーラジカル環化、環化フリーラジカルの最終生成物への変換という 3 つの基本ステップに分けられます。これらの環化反応において、各ステップの速度と選択性をどのように制御するかは、依然として広く注目を集めている研究テーマです。
フリーラジカル環化反応の紹介
フリーラジカル環化反応では、通常、単環式または多環式の生成物が生成されます。これらは分子内の変化であるため、反応の速さと選択性は多くの場合非常に明白です。これらの反応の選択的なフリーラジカル生成は、さまざまな官能基が結合した炭素原子上で達成できます。多種多様な試薬が使用され、これらの反応は一般に官能基に対する許容度が高い穏やかな条件下で行われます。
フリーラジカル中間体は本質的に電荷を帯びていないため、これらの反応条件は穏やかになり、さまざまな溶媒を使用することができます。
フリーラジカル環化ステップでは、通常、複数の結合に対するフリーラジカルの攻撃が行われます。このステップが完了すると、生成された環化フリーラジカルは、スカベンジャーの作用、フラグメンテーションプロセス、または電子移動反応によって消費されます。 5 員環と 6 員環がこのタイプの反応の最も一般的な生成物ですが、小さな環や大きな環の形成は比較的まれです。効果的なフリーラジカル環化には、3つの条件を満たす必要があります。選択的にフリーラジカルを生成する方法があること、環化速度が最初に生成されたフリーラジカルの捕捉よりも速いこと、すべてのステップが望ましくない副反応よりも速いこと、などです。フリーラジカルとして溶媒と再結合または反応します。
メカニズムと立体化学
主流のメカニズム
フリーラジカルを生成および捕捉する物質が複数存在するため、単一の主要なメカニズムを特定することは現実的ではありません。しかし、フリーラジカルが生成されると、分子内で複数の結合と反応して、環化ラジカル中間体を形成する可能性があります。これらの反応は、「外側のループ」攻撃と「内側のループ」攻撃に分けられます。
エキソ環攻撃とは、反応後にフリーラジカルが環の外側にあることを意味し、エンド環攻撃とは、フリーラジカルが新しく形成された環の内側にあることを意味します。
多くの場合、環外環化は環内環化よりも優先されます。ラジカルの存在はこれらの遷移状態の安定性に影響を与える可能性があり、その結果、反応部位の選択性に大きな影響を与える可能性があります。 2位炭素基を例にとると、6-エンド環の閉環を促進することができるが、1,2、1,3、1,4位炭素基は5-エンド環の閉環を促進する。エキソリング。
立体選択性
フリーラジカル環化の立体選択性は非常に高いことが多く、主に反応中の遷移状態に依存します。反応の立体選択性を向上させるために、置換基を遷移状態の準平衡位置に配置し、シスまたはトランス生成物を得ることができます。立体中心を含む基質の場合、フリーラジカルと多重結合の間の立体選択性も非常に明白になります。
範囲と制限
フリーラジカル生成法
金属水素化物（スズ、シリコン、水銀の水素化物など）を使用してフリーラジカルを生成するのは一般的な方法ですが、この方法の主な制限は、最初に生成されたフリーラジカルが減少する可能性があることです。断片化アルゴリズムは、インターロッキング試薬を基質に組み込むことによってこの問題を回避します。一方、原子移動法は、三級出発物質から環状ラジカルに原子を移動するプロセスを利用する。これらの方法では通常、弱い試薬を少量使用するため、強力な還元剤の使用によって生じる問題を効果的に防ぐことができます。
リングのサイズ
一般的に言えば、フリーラジカル環化によって小さな環を生成することは容易ではありません。それにもかかわらず、環化したラジカルが再び開く前に捕捉されることができれば、小さな環の形成は可能である。さらに、フリーラジカル環化によって多環式環や大環式環も生成され、これらのプロセスにおける環の選択性や収率を制御することができます。
他の方法との比較
通常は熱力学的制御であるカチオン環化と比較します。フリーラジカル環化は通常、アニオン環化よりもはるかに速く、β脱離副反応を回避します。しかし、これらの方法と比較すると、フリーラジカル環化の主な制限は、潜在的な副反応にあります。
実験条件と手順
典型的な条件分子状酸素は三重項ラジカルであり、フリーラジカル中間体に干渉するため、フリーラジカル反応は不活性雰囲気下で実行する必要があります。複数のプロセスの相対速度が反応に大きな影響を与えるため、反応条件を最適化するには濃度を慎重に調整する必要があります。この反応は通常、ベンゼン、メタノール、三フッ化フェニルなどの結合解離エネルギーの高い溶媒中で行われます。水のO-H結合は強い結合解離エネルギーを持つため、水性条件下での反応でも許容されます。
サンプルプログラム
典型的な手順は、臭素化ギ酸、AIBN、トリオクチルスズ水素化物の混合物を乾燥ベンゼン中で 1 時間還流し、その後クロマトグラフィーによって目的の生成物を単離することです。この反応により、目的化合物を高収率で合成することができます。
フリーラジカル環化のプロセスは化学反応の絶妙な制御を示しており、微視的レベルでどのようにしてそのような高い選択性と効率を達成するのかを理解することは興味深いことです。
