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Barton-McCombie脱酸素化は炭素ラジカルを利用した還元反応

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基本的な官能基のひとつであるアルコールは、極性官能基として非常に重要であり、多くの有機反応や分子認識の足掛かりとなります。

しかしながらワガママな化学者は、時々このアルコールを無くしてしまいたい衝動にかられます。

アルコールをヨウ素などへ変換した後にヒドリド還元することも可能ですが、今回はラジカル機構で還元反応をおこなえるBarton-McCombie反応について考えていきます。

 

チオカルボニル化合物とスズラジカルの親和性を利用したBarton-McCombie反応

Barton-McCombie反応はBartonーMcCombie脱酸素化とも呼ばれ、酸素原子を対象化合物から取り除く反応になります。

水素化される場合が多いので、ラジカル還元のひとつとも言えますね。

 

多くのアルコール誘導体からBarton-McCombie反応を行うことができますが、代表的なものにXanthate(ザンテート、キサンテートもしくはキサントゲン酸エステル)を経由するものがあります。

 

Barton-McCombie-fig1

 

原料である無保護のアルコールに対して、NaHやKHなどの塩基を作用させることにより、アルコキシドをフラスコ内で発生後、二硫化炭素(CS2)を作用させます。

すると、アルコキシドがCS2の炭素原子に対して付加反応を起こし、硫黄のアニオンであるチオレートを生じます。

そこにヨードメタンなどのアルキル化剤を加えると、S-アルキル化が進行し、ザンテートを与えるわけです。

 

Barton-McCombie-fig2

 

ようやくここからがBarton-McCombie反応になるわけですが、単離したXanthateを水素化トリブチルスズとAIBN(azobisisobutyronitrile)とともに不活性ガス雰囲気下で加熱処理を行うと、系内で生じたスズラジカルが硫黄原子と反応し、結果的に原料のアルコールが置換していた根元の炭素上に、炭素ラジカルを発生させることができます。

その後、系内に存在する水素化トリブチルスズによって、この炭素ラジカルが水素化されることにより、もともとは炭素-酸素結合だったところが炭素-水素結合に置き換わり、還元されたことになります。

 

親和性の絶妙なバランスで進行するBarton-McCombie脱酸素化

Barton-McCombie反応は、興味深い多くの素反応から構成されています。

 

Barton-McCombie-fig3

 

まず、ラジカル開始剤からスズラジカルの発生です。

特によく用いられるAIBNの場合、加熱されることによって2分子の炭素ラジカルと非常に良い脱離基である窒素を与えます。生じる炭素ラジカルは、相対的に安定な3級ラジカルであることに加えて電子吸引基ニトリルによる安定化も加わり、十分な寿命を持つラジカルです。

この炭素ラジカルが、水素化トリブチルスズから水素原子を奪うことによって、スズラジカルへとつながっていくわけですが、半減期のあるAIBNを適切な温度で分解することで少しずつ炭素ラジカルが生成される点、出てきた炭素ラジカルが水素原子と親和性が高い(C-H結合が強い)点、およびスズ−水素結合が比較的弱い結合でありホモリティックに開裂(均一結合開裂)しやすい点がうまく作用し、程よい濃度のスズラジカルをフラスコ内に出します。

 

Barton-McCombie-fig4

 

続いて、スズラジカルが原料であるXanthateの硫黄原子に作用し、チオカルボニル基から3級炭素ラジカルの発生、それに続く炭素−酸素結合の開裂によって、原料からアルコールが除去された炭素ラジカルを与えます。

ここでも注目すべき点として、スズラジカルと硫黄原子の親和性が高く、C=S二重結合よりもCーSーSnの単結合になる方がエネルギー的に安定な点、生じた3級ラジカルからC=O二重結合の形成を伴う原料由来炭素ラジカルの発生が他のプロセスよりも有利な点が相まって進行します。

 

最後に脱酸素化された原料炭素ラジカルも水素との親和性が高く(C-H結合がSn-H結合より強い)、スズラジカルを副生しながら生成物である水素化体(還元体)を与えます。

 

それぞれのラジカルの濃度と各元素との親和性の高さ(結合の強さ、弱さ)がバランスよく、それぞれの仕事を行うことでうまく行く反応になります。

 

まぁ実際は、全部混ぜて脱気して加熱するだけの反応なんですけどね。

 

まとめ

 

ラジカル反応の中でも、最も有名でよく使われるBarton-McCombie反応は、中性条件で進行する脱酸素化反応です。

本反応で発生させられる原料由来の炭素ラジカルは水素化(還元)以外にも、多くの分子変換に利用することができます。

その辺りの話はまたの機会に。

 

 

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