ハロゲン化シクロヘキサンのE2脱離 総合問題 104回薬剤師国家試験問101

第104回薬剤師国家試験 問101
以下に示すE2反応に関する記述の正誤を判定してみよう。

 

ハロゲン化シクロヘキサンのE2脱離 総合問題 104回問101

 

1 化合物Aの最も安定な立体配座はUである。

 

2 脱離反応はTの立体配座のときに進行する。

 

3 主生成物はBである。

 

4 この反応はカルボカチオン中間体を経由する。

 

5 この反応の速度は、化合物A及びNaOC2H5 のいずれの濃度にも比例する。

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第104回薬剤師国家試験 問101 解答解説

 

◆ 1について
1 〇 化合物Aの最も安定な立体配座はUである。

 

シクロヘキサン誘導体では、環炭素に結合した水素原子および置換基のアキシアル位にあるもの同士による立体ひずみが生じる。これを1,3−ジアキシアル相互作用という。立体的なサイズが大きい置換基ほどアキシアル位をとった時の1,3−ジアキシアル相互作用は大きい。本問では、1,3−ジアキシアル相互作用の合計が小さい配座が相対的に安定な立体配座と考えられる。

 

ハロゲン化シクロヘキサンのE2脱離 総合問題 104回問101

 

Tの立体配座では、イソプロピル基とメチル基がアキシアル位をとるので、これらの置換基の1,3−ジアキシアル相互作用の立体ひずみが生じる。
Uの立体配座では、塩素原子がアキシアル位をとるので、塩素原子の1,3−ジアキシアル相互作用の立体ひずみが生じる。

 

イソプロピル基は比較的立体的なサイズが大きい置換基なので、その1,3−ジアキシアル相互作用は相対的に大きいと考えられる。

 

よって、Uの1,3−ジアキシアル相互作用はTよりも小さいと考えられ、Uが化合物Aの最も安定な立体配座であると考えられる。

 

TとUは互いに環反転したもの同士だが、平衡は安定なUに偏る。

 

ハロゲン化シクロヘキサンのE2脱離 総合問題 104回問101

 

 

◆ 2について
2 × 脱離反応はTの立体配座のときに進行する。
→ 〇 脱離反応はUの立体配座のときに進行する。

 

★ ハロゲン−sp3炭素を有するハロゲン化合物は求核置換反応または脱離反応の基質となる。
ハロゲン(X)や酸素といった電気陰性度の大きい原子が結合したsp3炭素(X−sp3炭素,O−sp3炭素)では、ハロゲン(X)や酸素がsp3炭素との共有電子を強く引っ張るため、X−sp3炭素、O−sp3炭素の結合は大きく分極して切れやすくなっている。
このことから、ハロゲン−sp3炭素を有する有機ハロゲン化合物は求核置換反応(SN1,SN2)や脱離反応(E1,E2)の基質となる。

 

ハロゲン化シクロヘキサンのE2脱離 総合問題 104回問101

 

本問の反応は、ハロゲン−sp3炭素の構造を有するハロゲン化合物を基質とした二分子脱離反応(E2反応)という脱離反応である。
ハロゲン−sp3炭素の構造を有するハロゲン化合物に強塩基を反応させると、ハロゲン−sp3炭素に隣接する炭素に結合するHが塩基によって引き抜かれると同時にハロゲンが脱離し、C=Cのアルケンが生成する。この脱離反応をE2反応という。

 

ハロゲン化シクロヘキサンのE2脱離 総合問題 104回問101

 

 

★ E2反応は、脱離候補のHとXがアンチペリプラナー形の立体配座で進行する。その立体がアルケンに保持されるので、特定の立体のアルケンが生成することになる。

 

 アンチペリプラナー形とは、隣接する2つの炭素(C−C)に結合する2つの原子の立体配座について、同一平面にあって、かつ、ねじれ形をとることを指す。
ハロゲン化合物のE2反応は、脱離するHとハロゲン(X)がアンチペリプラナー形の立体配座で進行する。

 

ハロゲン化シクロヘキサンのE2脱離 総合問題 104回問101

 

E2はアンチペリプラナー形の立体配座で進行し、その立体がアルケンになるまで保持されるので、特定の立体のアルケンが生成することになる。

 

 

★ シクロヘキサン誘導体でのE2は脱離するHとXがトランスジアキシアル位の時に進行する。
シクロヘキサン誘導体におけるHとXのアンチペリプラナー形とは、HとXがトランスジアキシアル位にある立体配座を指す。よって、シクロヘキサン誘導体のハロゲン化物のE2は、脱離候補のHとXがトランスジアキシアル位にある立体配座で進行する。

 

Uの立体配座は、脱離候補のHとClがトランスジアキシアル位にあるため、E2反応はUの立体配座で進行する。

 

ハロゲン化シクロヘキサンのE2脱離 総合問題 104回問101

 

 

◆ 3について
3 × 主生成物はBである。
→ 〇 主生成物はCである。

 

ハロゲン化シクロヘキサンのE2脱離 総合問題 104回問101

 

脱離反応(E1,E2反応)では、通常、生成するアルケンについてC=Cの置換基の数が多いものが主生成物となる。これをセイチェフ則またはザイチェフ則と呼ぶ。
詳細は下記のリンク先を参照
脱離反応のザイチェフ則(セイチェフ則) 89回問9bd

 

本問の基質AでE2反応が進む場合、塩基によって引き抜かれるHの候補として、下記の図のHbとHcが挙げられる。

 

ハロゲン化シクロヘキサンのE2脱離 総合問題 104回問101

 

Hbが塩基に引き抜かれてE2反応が進行した場合、下記のBのアルケンが生成するが、C=Cのアルキル置換基の数は合計で2つである。

 

ハロゲン化シクロヘキサンのE2脱離 総合問題 104回問101

 

Hcが塩基に引き抜かれてE2反応が進行した場合、下記のCのアルケンが生成するが、C=Cのアルキル置換基の数は合計で3つである。

 

ハロゲン化シクロヘキサンのE2脱離 総合問題 104回問101

 

したがって、本問のE2反応では、C=Cのアルキル置換基の数の合計が多いCのアルケンが主生成物となる。Cはセイチェフ則,ザイチェフ則に従った生成物であるといえる。

 

なお、E2反応の進行について、出発物がアンチペリプラナー形を取ることは、生成物がセイチェフ則(ザイチェフ則)に従うことよりも優先される。よって、E2反応では、出発物のアンチペリプラナー形優先により、セイチェフ則に従わず、C=Cのアルキル置換基の数の合計が少ないアルケンが主生成物となることもある。

 

 

◆ 4および5について
4 × この反応はカルボカチオン中間体を経由する。
→ 〇 E2反応は一段階で済む反応であり、カルボカチオン中間体を経由しない。

 

なお、E1反応では基質から脱離基が外れてカルボカチオンを生成する段階を経る。
詳細は後で示すリンク先を参照

 

 

5 〇 この反応の速度は、化合物A(基質)及びNaOC2H5 (塩基)のいずれの濃度にも比例する。

 

E2は一段階で済む反応なので、その反応速度は下記の二次反応速度式で記述され、
基質と塩基のいずれの濃度にも比例する。
E2の反応速度=k×[基質]×[塩基]

 

★ E2反応は一段階の反応である。そのため、E2反応の速度は基質の濃度と塩基の濃度の両者に比例する二次反応速度式で記述される。

 

E2反応では、ハロゲン−sp3炭素に隣接する炭素に結合するHが塩基によって引き抜かれると同時にハロゲンが脱離し、C=Cのアルケンが生成するという一段階の反応である。この反応が2分子脱離反応(E2反応)と呼ばれる理由は、律速段階で基質と塩基の2分子が関わるからである。よって、E2反応の反応速度は基質の濃度と塩基の濃度の両方に比例し、下記の二次反応速度式で記述される。
E2の反応速度=k×[基質]×[塩基]

 

なお、E1反応については下記のリンク先を参照
E1反応について

 

 

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