ジムロート転位 (共役 1,3-双極子開環体経由) Dimroth Rearrangement via A Conjugated 1,3-Dipole

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ジムロート転位 (共役 1,3-双極子開環体経由) Dimroth Rearrangement via A Conjugated 1,3-Dipole

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1,2,3-トリアゾールやチアジアゾールは、共役 1,3-双極子を与える開環-閉環の平衡反応を通じて異性化しうる。

基本文献

Review

L’abbé, G. Bull. Soc. Chim. Belg. 1990, 99, 281–290. DOI: 10.1002/bscb.19900990410
El Ashry, E. S. H.; El Kilany, Y.; Rashed, N.; Assafir, H. Advances in Heterocyclic Chemistry 1999, 75, 79–165. DOI: 10.1016/S0065-2725(08)60984-8

Dimroth 転位の概要と分類

ヘテロ環化合物中の環内のヘテロ原子とその環に結合したヘテロ原子の位置が入れ替わる異性化反応を総じて Dimroth 転位と呼ぶ。Dimroth 転位は、反応基質、反応形式および反応機構の観点から、次の図のようにいくつかのタイプに分類することができる^[1,2](こちらの記事も参照: Dimroth 転位 (ANRORC 型)。

Dimroth 転位の分類と概要. 切断される結合と再結合の位置に着目せよ. なお, わかりやすさを重視して, 多重結合やプロトンの位置は厳密には示されていない.

本記事では、共役 1,3-双極子開環体を経由するタイプの Dimroth 転位について述べる。

反応機構

要点を手短にまとめると、「押し出して開いて回って閉じる」である。具体的には (1) イミン様窒素の孤立電子対の押し出しによる開環、(2) 単結合周りの自由回転、そして (3) 閉環の 3 つの段階からなる。なお Type I-b では、単結合周りの自由回転がなくても異性化できる。

上の反応機構において、π 電子系に共役する孤立電子対は黒、それに直交する sp² 平面上の孤立電子対はピンク色で示してある。また、薄ピンク色の巻矢印は sp² 平面上の電子の動きを示す (この色分けの意図は次の段落を参照)。なお Type I-c の反応機構については、Type II-a と同様に記述できるため省略した。

開環や閉環の際には、π 共役系に直交する孤立電子対が反応に関与する。閉環の際の分子軌道の様子の模式図を以下に示す^[3]。開環体である共役 1,3-双極子の各原子は、sp² 平面を形成している。このとき 1,3-双極子の 1 つの π 結合とイミン窒素の孤立電子対はその sp² 平面上に存在すると考えられる。したがって、その π* 軌道に孤立電子対が流れ込むことで σ 結合が形成され、π 結合性軌道上の π 電子が窒素上に局在化するものと解釈できる。開環の場合は、N3 原子の sp² 軌道中の孤立電子対が、N1—N2 間の σ* 軌道に流れ込むことで σ 結合が切断されるものと考えられる。

基質

この反応はヘテロ原子を 3 つ以上含むアゾール類でよく見られる。その理由は、それらのアゾール類は共役ジアゾ化合物の閉環体であるとみなすことができ、その開環-閉環の平衡反応が存在しうるからである。その平衡は、通常は安定な芳香族構造を有する閉環体に片寄っている。しかし、電子求引基の存在は 1,3-双極子を安定化し、開環を促進する。例えば以下のアゾール類とジアゾ化合物において、X = S であればほとんど閉環体 1 として存在するのに対して、X = O に対応する閉環体 3 は知られておらず、ほとんどが開環体 3′ (α-ジアゾケトン )として存在する。S 原子と O 原子の中間の電気陰性度を持つ N 原子 (X = NR) の場合、通常閉環体 2 として存在するが、N 原子上の置換基 R が強い電子求引基である場合には開環が促進される。

これらの開環体において、反応に関与できる位置に置換基が存在すると、閉環の際に異なるアゾール類へ異性化できる。具体的には 5-アミノ-1,2,3-トリアゾールや縮環トリアゾールなどが Dimroth 転位を起こすことがよく知られている。

反応に影響する因子

多くの Dimroth 転位は可逆反応である。芳香族性や溶媒などが、その平衡位置を決定づける。

(1) 電子的効果

電子不足なアゾール類は開環が促進されるため、電子豊富なヘテロ環へ異性化しやすい。例えば次の 1,2,3-トリアゾロ[4,5-c]ピリジンチオンは、Dimroth 転位を受けてアミノ-1,2,3-チアジアゾロ[4,5,-b]ピリジンへ異性化する。これは、チオカルボニル基 (あるいはその互変異性体であるスルファニル基) よりも、アミノ基の方がピリジンへ電子を供与するためと考えられる。ただし、塩基を作用させると逆反応を受け、トリアゾール体を与える (その理由については、次の溶媒効果を参照せよ)。

(2) 溶媒効果

ピリジンのような塩基性溶媒は、より酸性度の高い異性体への Dimroth 転位を促進する。例えば、次の N-アリール–1,2,3-トリアゾールから NH-1,2,3-トリアゾールへの平衡はピリジン中において有利になる。これはアミノ基のプロトンよりもトリアゾールのプロトン方が酸性度が高いためである。

反応例

Dimroth 転位と Smiles 転位を組み合わせることで、2 当量の 5-ハロ-1,2,3-チアジアゾールとo-フェニレンジアミンの三成分縮合により四環式 1,3,6-チアジアゼピン 4 が単一工程で合成された^[4]。この合成には次の 6 つの反応が含まれる。すなわち、 (1) 5-ハロ-1,2,3-チアジアゾールへの S_NAr 、(2) チアジアゾールからトリアゾールへの Dimroth 転位 (3) チオール部位による 5-ハロ-1,2,3-チアジアゾールへの S_NAr、(4) Smiles 転位 (分子内 S_NAr), (5) チアジアゾールからトリアゾールへのDimroth 転位、(6) SH 基による S_NAr を用いた分子内環化である。

参考文献

本記事の反応例は, 特に文献を明記していない限りこのレビューに基づいている: El Ashry, E. S. H.; El Kilany, Y.; Rashed, N.; Assafir, H Advances in Heterocyclic Chemistry 1999, 75, 79–165. DOI: 10.1016/S0065-2725(08)60984-8
今回調査した文献中では、Type II を反応機構別に分類している文献は見当たらなかった. 本記事では解説する都合上, 反応機構にしたがって区別し, 勝手ながら Type II-a および Type II-b と命名した.
1,2,3-トリアゾールおよび 1,2,3-チアジアゾールの Dimroth 転位に関するレビュー: L’abbé, G. Bull. Soc. Chim. Belg. 1990, 99, 281–290. DOI: 10.1002/bscb.19900990410
Volkova, N. N.; Tarasov, E. V.; Meervelt, L. V.; Toppet, S.; Dehaen, W.; Bakulev, V. A. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1 2002, 1574–1580. DOI: 10.1039/b203072a