とらおの有機化学

有機化学について考えるブログ

Jones酸化は酸化クロムを用いたオーソドックスな酸化法

近年では多くの化学者の努力により、多様な官能基変換を比較的簡単に達成できるようになってきました。

基礎的な化学反応のひとつであるアルコールの酸化は、アルデヒドやケトン、カルボン酸といったカルボニル化合物を得るために重要な反応です。

最近ではアルコールの酸化に酸素や空気を再酸化剤とする触媒的酸化反応の開発・応用が大きく発展していますが、それでも昔から使われ続けている酸化反応があるわけです。

Swern酸化やParikh-Doering酸化などのDMSO酸化、PCCやPDCを使ったクロム系酸化剤など、それぞれの要望、化合物の性質に合わせて選ぶことが肝要です。

 

今回は、酸化クロムを使った基本的な反応のひとつであるJones酸化(ジョーンズ酸化)について考えていきましょう。

 

酸性条件で酸化クロムのチカラを最大化

 

Jones(ジョーンズ)酸化は、アセトン溶媒中で酸化クロム(chromium trioxide: CrO3)の酸性水溶液を用いてアルコールをカルボニル化合物に変換する反応です。

それ以前にも同様の活性種を経由していると考えられる二クロム酸塩を用いた酸化剤は使われていましたが、再現性の良い酸化溶液の調整法としてJones試薬が残っている感じですかね。

 

1級アルコールからはアルデヒドを経由して、多くの場合カルボン酸まで二段階の酸化が進行します。

2級アルコールからはケトンが生成物として得られますね。

 

ジョーンズ酸化図1

 

Jones酸化では、反応中に様々な酸化度のクロムが存在しているようですが、基本的には酸性条件で活性化された酸化クロムに対してアルコールが付加し、クロム酸エステルが形成されるところから反応がスタートします。

酸化クロムによって活性化されたクロム酸エステルのアルコールの炭素原子から水素原子が、分子内の酸素原子もしくは水によって脱プロトン化され、クロム‐酸素結合の開裂とともに酸化反応が進行し、生成物であるアルデヒドもしくはケトンが得られます。

 

1級アルコールから得られるアルデヒドが酸性条件で水和されやすい場合、反応はアルデヒドでは止まらずに、水和体(geminal diol)がさらに酸化されたカルボン酸が最終生成物として得られてきます。

2級アルコールからの生成物であるケトンも過剰に存在する酸化クロムによってα位の酸化など過剰酸化を起こす可能性がありますが、溶媒として用いているアセトンによって大過剰量ケトンがダミー基質として過剰酸化をトラップしてくれます。

 

1級アルコールの酸化のなかでも、アリルアルコールやベンジルアルコールの酸化は特に早く、試薬の量をコントロールすることによって水和体の酸化を抑えやすく、アルデヒドとして単離することができるようですね。

 

反応は基本的に強酸性条件ですので、アセタールや弱いシリル基などの保護基は除去されてしまいます。

これを逆手にとって、アルコールの保護基がついたままJones酸化を行い、カルボニル化合物へ直接変換することも考えられますね。

 

重金属であるクロムの処理は適切に

 

反応操作はまず、酸化クロムの希硫酸水溶液であるJones試薬を調製します。

以下のOrganic Synthesisよれば、67 gの酸化クロムを蒸留水125 mLに溶解させて、0 °Cで濃硫酸58 mLを加え、最終的には225 mLほどになるように調整、とありますので約3 Mになる計算ですね。

 

The chromic acid oxidizing reagent is prepared by dissolving 67 g of chromium trioxide in 125 mL of distilled water.  To this solution is added 58 mL of concentrated sulfuric acid, and the salts which precipitate are dissolved by addition of a minimum quantity of distilled water; the total volume of th solution usually does not exceed 225 mL.

Org. Synth. 1965, 45, 28 より抜粋

http://orgsyn.org/demo.aspx?prep=cv5p0310

 

 

原料であるアルコールをアセトンに溶解させた反応混合物に対して、氷冷下で調製したJones試薬をゆっくりと滴下していきます。

Jones試薬自体は赤褐色をしていますが、反応の進行とともに六価のクロミウムが三価に変化し、緑色に変化します。

Jones試薬を入れすぎるのも過剰酸化の原因になりますので、可能ならば赤褐色がギリギリ残るぐらいの量を入れれるのが理想ですね。

 

反応の終了を確認後に水を加えてエーテルや石油エーテルで抽出操作を行います。溶媒のアセトンをある程度留去した方が抽出操作が楽になる場合もあるようです。

 

過剰のクロムが残っている場合(赤褐色)は、イソプロパノールを加えてアセトンに酸化させてクエンチするか、亜硫酸水素ナトリウム(NaHSO3)などで還元処理をして、クロムが三価の緑色になってから抽出操作を行いましょう。

 

まとめ

 

最近では環境負荷の観点から、重金属であるクロムを使った酸化反応は敬遠されがちですが、高収率でカルボニルを与えうる優れた反応です。

カルボン酸も1級アルコールから直接合成できちゃいますしね。

 

クロム廃液の処理を適切に行い、快適な酸化生活を送りましょう。

 

 

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