アルケン 過酸 エポキシ化 加水分解でエポキシド開環 酸性と塩基性での違い 103回薬剤師国家試験問102

第103回薬剤師国家試験 問102

 

以下の反応で得られる化合物の酸素原子アに関する記述のうち、正しいのはどれか。1つ選びなさい。
アルケン 過酸 エポキシ化 加水分解でエポキシド開環 酸性・塩基性 103回問102

 

1 主に酸素原子a由来である。
2 主に酸素原子b由来である。
3 主に酸素原子c由来である。
4 主に酸素原子d由来である。
5 酸素原子a由来のものとd由来のものが約50%ずつ存在する。

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薬剤師国家試験過去問題集 化学 アルケン

 

第103回薬剤師国家試験 問102 解答
正解は3である。

 

アルケンとm-CPBA(メタクロロ過安息香酸)等の過酸(RCOOOH)が反応するとオキシラン(エポキシド)が生成する(エポキシ化)。
さらに、オキシラン(エポキシド)を酸触媒下で加水分解すると開環(開裂)し、2つのOHがアンチanti付加したアルコール(ジオール)が生成する。

 

アルケン 過酸 エポキシ化 加水分解でエポキシド開環 酸性・塩基性 103回問102

 

 

その反応機構の中でも、本問では次の@とAの2つのことが解答のポイントである。

 

@ アルケンに過酸が反応してオキシラン(エポキシド)が生成する反応において、過酸(RCOOOH)のどのO原子が付加するのか

 

A オキシランの加水分解における、酸性条件下と塩基性条件下の違い

 

 

@ アルケンに過酸が反応してオキシラン(エポキシド)が生成する反応において、過酸(RCOOOH)のどのO原子が付加するのか

 

アルケンに付加する過酸(R−C(=O)OOH))のO原子は、C(=O)から最も離れた↓のO原子である。
アルケン 過酸 エポキシ化 加水分解でエポキシド開環 酸性・塩基性 103回問102

 

A オキシランの開環反応における、酸性条件下と塩基性条件下の違い

 

★ オキシランの酸性条件下での開環反応では、より安定なCδ+を経る機構で進み、アルキル置換基の数が多い方の炭素が求核攻撃を受ける。

 

O原子のような電気陰性度の大きい原子と結合する炭素は正に分極してCδ+となっている。
オキシランではO原子が2つの炭素原子と結合している。酸触媒の働きでO原子がプロトン化されてO+となると、O+が共有電子対をより強く引き付けるようになり、O+に結合する炭素の正の分極度合い(δ+)がより一層強くなると考えられる。このことから、オキシランの酸性条件下での開環反応では、“より安定なCδ+を経る機構”で進むと考えられる。“より安定なCδ+経る機構”という呼称は、本ページのみで便宜的に用いるもので一般的な呼称ではない。
“より安定なCδ+を経る機構”とはどういうものか。
それは、カルボカチオンでアルキル置換基の数がより多い方の炭素がC+となる方がより安定であるのと同じ考え方で、炭素が正に分極することにおいても、アルキル置換基の数がより多い方の炭素がCδ+となる方がより安定であると考え、アルキル置換基の数がより多い方の炭素が求核攻撃を受けるというものである。
酸性条件下でのオキシランの開環は、アルキル置換基の数がより多い方の炭素が求核攻撃を受け、最終的に求核攻撃を受けた炭素と酸素の結合が切れ、攻撃を受けなかった炭素と酸素の結合は−OH基となる。

 

また、エポキシド(オキシラン)の開環反応の立体化学について、求核試薬(Nu)はO原子のいない側から炭素原子にアクセスするので、開環後の生成物はOHとNuがanti付加したものとなる。

 

アルケン 過酸 エポキシ化 加水分解でエポキシド開環 酸性・塩基性 103回問102

 

 

★ オキシランの塩基性条件下での開環反応では、SN2の機構で進み、アルキル置換基の数が少ない方の炭素が求核攻撃を受ける。

 

塩基性条件下でのオキシランの開環反応は、SN2反応の機構で進行する。
塩基性条件下ではオキシランの三員環を構成する2つの炭素のうち、置換基がより少なく立体障害が小さく求核剤がアクセスしやすい方の炭素が求核攻撃を受け、求核試薬が付加すると同時に求核攻撃を受けた炭素−酸素の結合が切れて開環する。求核攻撃を受けなかった炭素と酸素の結合は、生成物において−OH基となる。

 

また、エポキシド(オキシラン)の開環反応の立体化学について、求核試薬(Nu)はO原子のいない側から炭素原子にアクセスするので、開環後の生成物はOHとNuがanti付加したものとなる。

 

アルケン 過酸 エポキシ化 加水分解でエポキシド開環 酸性・塩基性 103回問102

 

以上の@とAのことを踏まえ、本問の反応がどのように進むか図示する。

 

下記は1つの立体異性体での反応である。

 

アルケン 過酸 エポキシ化 加水分解でエポキシド開環 酸性・塩基性 103回問102

 

以上のことから、設問のアのO原子はcが該当する。
アルケン 過酸 エポキシ化 加水分解でエポキシド開環 酸性・塩基性 103回問102

 

なお、立体異性体を考慮すると反応は下記のように図示される。

 

アルケン 過酸 エポキシ化 加水分解でエポキシド開環 酸性・塩基性 103回問102

 

上図より、本問の反応では、
Aのアルケンにm-クロロ過安息香酸(mPCBA)が反応してB1とB2のオキシラン(エポキシド)が生成する。B1とB2は互いにエナンチオマー(鏡像異性体)の関係にある。
さらに、オキシランのB1とB2が酸触媒下で加水分解を受ける。オキシランの酸性条件下での加水分解ではより安定なCδ+を経るので、本問の反応では第三級Cδ+であるC1およびC2を経て、最終的に2つのOHがanti付加したD1とD2が生成する。D1とD2は互いにエナンチオマー(鏡像異性体)の関係にある。
最終生成物のD1とD2も同じ確率で生成し得る。
したがって、本問の生成物は互いにエナンチオマーのD1とD2の等量混合物であるラセミ体となる。

 

★ アルケン+過酸でオキシラン、その後に酸触媒加水分解でOHがanti付加となる理由
アルケン+過酸でオキシラン(エポキシド)が生成する。次に、オキシランが酸触媒下で加水分解されるにあたり、オキシランの三員環を構成している正に分極した炭素(Cδ+)にH2Oが求核付加するが、H2OがCδ+にアクセスする経路としてOのいない側(Oがいる方とは逆側)の方がアクセスしやすい。Oが上側にいればH2Oは下側に付加し、Oが下側にいればH2Oは上側に付加する。このことから、2つのOHがanti付加することになる。

 

アルケン 過酸 エポキシ化 加水分解でエポキシド開環 酸性・塩基性 103回問102

 

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第103回問102(e-RECさん)

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