求核付加反応

求核付加反応とは

有機化学において、求核付加反応とは、π結合を持つ化合物に求核剤が付加し、その結果としてπ結合が解裂し、新たに二つの共有結合が生成する反応です。この反応は、有機合成において非常に重要な役割を果たしており、多様な化合物の合成に利用されています。

反応が起こる化合物

求核付加反応は、主に以下のような多重結合を持つ化合物で起こります。

炭素-ヘテロ原子多重結合: カルボニル基（C=O）、イミン（C=N）、ニトリル（C≡N）など
炭素-炭素多重結合: アルケン（C=C）、アルキン（C≡C）など

炭素-ヘテロ原子多重結合への付加

カルボニル基やニトリルなどの炭素-ヘテロ原子多重結合への求核剤の付加は、その反応の多様性において特筆されます。これらの結合では、電気陰性度の差により炭素原子が部分的に正電荷を帯びており、求核剤はこの炭素原子を攻撃します。

一般的に、この反応は以下のように表されます。


YH + R1R2C=O → YR1R2C-O- + H+ → YR1R2C-OH


このタイプの反応は 1,2-求核付加 と呼ばれ、求核剤の攻撃によってラセミ体の生成物を与えることが多いです。また、この付加反応に続いて脱離反応が起こる場合もあり、求核アシル置換反応や付加脱離反応はその例です。

カルボニル基への求核付加反応

カルボニル基（C=O）への求核付加反応は、様々な反応が存在します。

水和反応: 水を付加させるとジェミナルジオールが生成。
アセタール化: アルコールを付加させるとアセタールが生成。
還元: ヒドリドを付加させるとアルコールが生成。
マンニッヒ反応: アミンとホルムアルデヒドとカルボニル化合物を反応させるとβ-アミノカルボニル化合物が生成。
アルドール反応・森田・ベイリス・ヒルマン反応: エノラートイオンを付加。
グリニャール反応・バービアー反応・レフォルマトスキー反応: 有機金属求核剤を付加。
ウィッティヒ反応・コーリー・チャイコフスキー反応・ピーターソン反応: イリドを付加。
ホーナー・ワズワース・エモンズ反応: ホスホン酸カルバニオンを付加。
ハミック反応: ピリジン誘導体から発生させた双性イオンを付加。
ファヴォルスキー反応: アセチリドを付加。

ニトリルへの求核付加反応

ニトリル（C≡N）への求核付加反応には、以下のようなものがあります。

加水分解: アミンまたはカルボン酸への加水分解。
ブレーズ反応: 有機亜鉛求核剤を付加。
ピナー反応: アルコールを付加。
ソープ反応: ニトリル同士を縮合。

イミン、その他

イミン（C=N）への求核付加反応としては、以下のようなものが知られています。

エシュバイラー・クラーク反応: ヒドリドを付加させてアミンを生成。
ネフ反応: 水を付加してカルボニル化合物を生成。

その他、イソシアネートにアルコールを付加させてウレタンを形成する反応などがあります。

また、求核剤がカルボニル中心に攻撃する際の特定の角度は、Bürgi-Dunitz angle と呼ばれています。

炭素-炭素二重結合への付加

炭素-炭素二重結合（C=C）への求核付加反応は、以下のように表されます。


Y-Z + C=C → Y-C-C-Z


この反応の駆動力は、電子不足な不飽和系（-C=C-）と求核剤（Y-）との共有結合の形成です。Y-上の陰電荷は、炭素-炭素結合に移動します。

反応のステップ

1. 求核剤（Y-）が炭素-炭素二重結合を攻撃し、陰電荷を持つカルバニオンが生成します。


Y- + -C=C(X)- → Y-C-C(X)-


2. 生成したカルバニオンが、正電荷を持つZ+と結合し、二つ目の共有結合を形成します。


Y-C-C(X)- + Z+ → Y-C-C(X)-Z


一般的に、アルケンは求核攻撃を受けにくいですが、特定の条件下では反応が進行します。例えば、スチレンはナトリウムと反応してカルバニオン中間体を経由し、1,3-ジフェニルプロパンを生成します。また、フラーレンのように反応性の高い不飽和二重結合を持つ化合物も、求核付加反応を起こしやすいです。

共役付加反応とマイケル付加

Xがカルボニル基やカルボキシル基、シアノ基である場合、その反応は共役付加反応と呼ばれます。このとき、置換基Xは誘起効果によって、炭素原子上の陰電荷を安定化させます。Y-Zが活性水素化合物である場合、この反応はマイケル付加として知られています。

ペルフルオロアルケンは求核付加反応を起こしやすく、フッ化物イオンが付加してペルフルオロアルキルアニオンを与える例が知られています。

まとめ

求核付加反応は、有機化学において非常に重要な反応であり、多様な官能基を持つ化合物の合成に不可欠です。この反応を理解することは、有機化学を学ぶ上で非常に重要です。また、求核付加反応を応用した多くの反応が、医薬品や機能性材料の開発に役立っています。

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