ヒドリド還元

ヒドリド還元

ヒドリド還元（hydride reduction）とは、求核剤として働く水素供与体、すなわちヒドリド（H⁻）を用いて有機化合物を還元する化学反応の概念です。この用語が指す反応の範囲は比較的広く、用いる文脈や研究者によって含まれる反応の種類が異なる場合があります。例えば、アルミニウムの水素化物を用いる還元反応でも、水素化アルミニウムリチウムと水素化ジイソブチルアルミニウムのように、その反応機構が異なることから区別されることもあります。

一方で、形式的にヒドリドが関与するように見える反応であれば、たとえ実際の機構がラジカル的である場合（例：スズヒドリドによるハロゲン化物の還元）であっても、広義のヒドリド還元として扱われることがあります。このように、ヒドリド還元という概念には多岐にわたる反応が含まれています。

ヒドリドとは

通常、水素原子がイオン化する際は、プロトン（H⁺）として振る舞うことが多いですが、アルミニウムやホウ素のように水素原子よりも電気陰性度の小さな原子と結合した水素は、電子をより多く引きつけてマイナスの電荷を帯びた水素イオン、すなわちヒドリドとして作用する能力を持ちます。

金属塩などの無機化合物に対して、金属水素化物は優れた還元剤となります。しかし、ヒドリドイオン自体の求核性は常に高いわけではなく、酸性の高い化合物に対してはプロトンとの反応が優先的に起こります。このため、水素化ナトリウムのように電気陰性度の差が小さい金属と結合した水素化物は、むしろ塩基として有機合成に利用されることが一般的です。

有機化学におけるヒドリド還元では、化合物中の求電子的な中心（例えばカルボニル炭素）に対して、金属に結合した水素（ヒドリド）が求核攻撃することが基本的な反応様式となります。例えば、水素化アルミニウムリチウム（LAH）によるアルデヒドやケトンの還元では、アルデヒドのカルボニル炭素にヒドリドが攻撃し、同時にカルボニル酸素がアルミニウムと結合を形成します。生成したアルコキシアルミニウム錯体を加水分解することでアルコールが得られ、全体としてカルボニル化合物が還元されます。

アート型ヒドリド錯体を用いる還元

金属水素化物とルイス酸から生成するアート錯体（例：[BH₄]⁻, [AlH₄]⁻）は、典型的な求核性の還元剤として広く用いられます。これらの還元剤は、分極した不飽和結合の求電子的な原子に付加したり、良い脱離基を持つsp³炭素に対してSN2機構で求核置換反応を起こしたりします。

代表的なアート型ヒドリド錯体を用いた還元剤とその特徴を以下に示します。

水素化ホウ素ナトリウム (NaBH₄): アルコールやアルカリ性の水溶液を溶媒として使用できる穏やかな還元剤です。アルデヒド、ケトン、酸クロリドを容易にアルコールへ還元します。エステルは高温や特定の溶媒条件下で還元されます。α,β-不飽和カルボニル化合物は通常、1,4-還元後にカルボニル基も還元されて飽和アルコールになりますが、セリウム塩を共存させると1,2-還元が優先しアリルアルコールが得られます。
シアノ水素化ホウ素ナトリウム (NaBH₃CN): NaBH₄よりも還元力が低いですが、酸性水溶液中で安定です。イミンをアミンに還元する還元的アミノ化に特に有用です。
水素化トリエチルホウ素リチウム (LiBH(C₂H₅)₃, SuperHydride): 市販されているヒドリド還元剤の中でも特に強力な還元力を持つ試薬の一つです。立体的に込み入ったハロゲン化アルキルの還元などに用いられます。
水素化トリ(sec-ブチル)ホウ素リチウム (L-Selectride), 水素化トリ(sec-ブチル)ホウ素カリウム (K-Selectride): 立体的に嵩高い構造を持つため、水素化ホウ素ナトリウムなどとは異なる立体選択性を示すことがあります。特定のケトンの立体選択的還元などに利用されます。
水素化ホウ素リチウム (LiBH₄), 水素化ホウ素亜鉛 (Zn(BH₄)₂), アセトキシ水素化ホウ素ナトリウム (NaBH(OAc)₃): これらも用途に応じて使い分けられるアート型ヒドリド還元剤です。
水素化アルミニウムリチウム (LiAlH₄, LAH): 極めて強力な還元剤です。アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステルをアルコールへ、ニトリルやアミドをアミンへ還元します。また、ハロゲン原子を水素に置換したり、エポキシドを開環させてアルコールとしたりします。α,β-不飽和カルボニル化合物に対しては1,2-還元が優先し、アリルアルコールを生成します。水と激しく反応し、熱により発火する危険性があるため、乾燥した溶媒（ジエチルエーテルやテトラヒドロフラン）中で慎重に取り扱う必要があります。
水素化ビス(2-メトキシエトキシ)アルミニウムナトリウム (NaAlH₂(OC₂H₄OCH₃)₂, Red-Al): LAHと同程度の還元力を持ちますが、比較的熱に対して安定で、LAHよりも取り扱いが容易な利点があります。

第13族元素水素化物を用いる還元（アート錯体以外）

第13族元素（ホウ素、アルミニウム）の一部の水素化物は、アート錯体を形成しない単独の形態や誘導体でも還元剤として機能します。これらはルイス酸としての性質も持ち合わせている点が特徴です。

これらの還元剤は、ルイス塩基性を持つ基質に配位することで、自身のヒドリド供与能力を高めるという形式で反応が進行します。この機構のため、アート錯体型還元剤とは異なる化学選択性や立体選択性を示すことがあります。例えば、ボラン類はアート錯体では反応しにくい孤立オレフィンに対してヒドロホウ素化を起こしたり、ケトンよりもカルボン酸（ヒドロキシ基がルイス塩基として働く）との反応が優先したりします。また、アラン類によるエポキシドの開環還元では、ルイス酸としてエポキシド酸素に配位することで、通常のSN2的な開環とは異なり、より置換基の多い側にヒドリドが付加した生成物が得られます。

代表的な還元剤とその特徴を以下に示します。

ジボラン (B₂H₆): アルデヒドやケトンをアルコールに還元するほか、カルボン酸もアルコールまで還元することができます。
* 水素化ジイソブチルアルミニウム (DIBAL-H): ルイス酸性の還元剤で、アルデヒド、ケトン、エステルをアルコールに還元します。アセタールを分解してエーテルにしたり、エポキシドを級数の多い側で開環させたりもします。ニトリルは一旦イミンに還元され、加水分解によりアルデヒドが得られます。低温で反応させることで、エステルをアルデヒドで停止させる部分還元も可能です。

ボランやアラン以外の水素化物、例えばヒドロシランやヒドロスズなども、別途ルイス酸を共存させて基質を活性化することによりヒドリド供与による還元反応を引き起こすことがあります。なお、これらの試薬は、共存する添加剤によってはラジカル機構や遷移金属触媒を用いた機構で反応し、ヒドリド供与とは異なるタイプの還元（例：ラジカル的なハロゲン化アルキル還元、遷移金属触媒によるヒドロシリル化）を起こす場合もあります。

金属を含まないヒドリド供与体を用いる還元

金属原子を含まない分子自身がヒドリド供与体として機能する還元反応も存在します。その代表例がメールワイン・ポンドルフ・バーレー（Meerwein-Ponndorf-Verley, MPV）還元です。この反応では、アルミニウムアルコキシドなどのルイス酸の存在下、イソプロピルアルコールのような第二級アルコールからカルボニル化合物へ、6員環遷移状態を経てヒドリドが転移し、カルボニル化合物がアルコールに還元されます。同様の機構は、LDA（リチウムジイソプロピルアミド）のイソプロピル基からのヒドリド転位や、グリニャール試薬による嵩高いケトンの還元、カニッツァロ反応などでも考えられています。

ジルコニウム錯体やルテニウム錯体を用いた触媒的な水素転移反応も、形式的にはMPV還元と類似した反応ですが、機構的にはアルコールからの脱水素による遷移金属ヒドリド錯体の生成と、そのヒドリド錯体によるカルボニル化合物の水素化という二段階で進行すると考えられており、後述の接触水素化に近い側面もあります。

接触水素化（遷移金属触媒）

アルミニウムやホウ素といった第13族元素以外にも、ロジウムやルテニウムなどの遷移金属のヒドリド錯体が還元剤として機能する場合があります。代表的なものに、ウィルキンソン触媒（ロジウム錯体）によるアルケンの接触水素化反応があります。

この反応は、アルケンが触媒の金属-水素結合に挿入し、生じたアルキル配位子がヒドリド配位子と還元的脱離することで生成物であるアルカンが生成し、同時に触媒が再生されるサイクルで進行します。ルテニウム錯体を用いたケトンの水素化反応など、特定の遷移金属触媒反応の一部も、ヒドリドが関与する観点からヒドリド還元に関連付けて議論されることがあります。

このように、ヒドリド還元は、求核性水素供与体という観点から様々な反応を包括する広い概念であり、有機合成化学において多様な官能基を選択的に還元するために不可欠な手法群となっています。

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