SN2反応の立体反転(ワルデン反転)とSN1反応のラセミ化 85回薬剤師国家試験問11a

第85回薬剤師国家試験 問11a
化学反応に関する次の記述の正誤を判定してみよう。

 

a ハロゲン化アルキルに対するSN2反応は一般に、第二級の方が第三級より起こりやすく、生成物の立体配置は保持される。

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第85回薬剤師国家試験 問11a 解答解説

 

a × ハロゲン化アルキルに対するSN2反応は一般に、第二級の方が第三級より起こりやすく、生成物の立体配置は保持される。

 

→ 〇 ハロゲン化アルキルに対するSN2反応は一般に、第二級の方が第三級より起こりやすく、生成物の立体配置は反応中心炭素について出発物から反転することが多い(ワルデン反転)。

 

ハロゲン化アルキルの求核置換反応と生成物の立体について、反応中心炭素が不斉中心だった場合、SN2反応では立体が反転し(ワルデン反転)、SN1反応ではラセミ体となる(ラセミ化)。
以下ではその理由を反応機構を踏まえて述べる。

 

★ SN2反応の進行と基質の構造の関係:
SN2反応の進行と基質の構造について、ハロゲン−sp3炭素のCδ+のアルキル置換基の数が少ないほどSN2反応は進行しやすい。

 

SN2反応では、基質のCδ+に対して求核試薬がハロゲン(脱離基)の無い方向から背面攻撃を行い、三方両錘型の遷移状態を経て、ハロゲン(脱離基)が陰イオンとなって脱離する。結果、ハロゲン(脱離基)と求核試薬が置き換わったものが生成する。

 

SN2の立体反転(ワルデン反転)とSN1のラセミ化の機構 85回問11a

 

ハロゲン−sp3炭素のCδ+において、基質の反応中心炭素のアルキル置換基の数が多いほど、Cδ+周りが物理的に混雑して求核剤がアクセスしにくくなり、さらに、アルキル置換基の電子供与性電子効果でCδ+の正電荷が弱まることで求核剤の負電荷との引き合いが弱くなり、結果、SN2が起こりにくくなる。また、基質の反応中心炭素がアルキル置換基で混みあうと、三方両錘型の遷移状態のエネルギーが構造的混みあいによって高くなり、活性化エネルギーが高くなることでSN2反応が起こりにくくなる。
よって、X−sp3炭素のCδ+のアルキル置換基の数が少ない、または、置換基が立体的に小さい基質ほどSN2反応は進行しやすい。
第3級ハロゲン化アルキルでは、SN2反応はほとんど起こらない。

 

SN2の立体反転(ワルデン反転)とSN1のラセミ化の機構 85回問11a

 

★ SN2の生成物の立体におけるワルデン反転
SN2反応の生成物の立体について、反応の中心地となるsp3炭素が不斉炭素であった場合、その不斉炭素の絶対配置(RおよびS)が反応前後で逆になったものが主生成物となる。これをワルデン反転という。SN2でワルデン反転が起こる理由として次のことが考えられる。求核剤がCδ+にアクセスする経路について、ハロゲンや酸素などの脱離基がある側からのアクセスは、物理的に脱離基が邪魔であることに加え、脱離基の負電荷と求核剤の負電荷が反発しあうことからCδ+に接近しづらい。そのため、脱離基のない側から求核剤がCδ+に接近して付加することが多くなり、このことから、ハロゲンなどの脱離基が結合していた側と逆側に求核剤が付加して置換した生成物が多くなる。以上のことから、SN2反応では反応の中心地となるsp3炭素の絶対配置が反応前後で逆となった生成物が多くなる。

 

SN2の立体反転(ワルデン反転)とSN1のラセミ化の機構 85回問11a

 

 

★ SN1反応の生成物の立体について、反応中心炭素が不斉炭素であった場合、その立体化学が互いに逆のエナンチオマーの等量混合物であるラセミ体となる。
SN1反応では、基質から脱離基が外れて生成したカルボカチオン中間体のC+に対して求核剤がアクセスするが、この際、C+のsp2平面に対して求核剤はどちらの側からアクセスしてもアクセスのしやすさは変わらないため、両側から等しくアクセスする。このことから、SN1反応では、反応中心炭素が不斉炭素であった場合、その立体化学が互いに逆の立体異性体(エナンチオマー)が等量ずつ生成すると考えられる。

 

SN2の立体反転(ワルデン反転)とSN1のラセミ化の機構 85回問11a

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