東大 工学系研究科 応用化学専攻 一般教育科目 化学 2023年度 院試 過去問 解答例・解説

構造を文章式で示すと次の通りである。 $$\begin{array}{ll} \text{(i)} & \ce{cyclo-C6H11-CH2Br}\quad \text{シクロヘキサン環にブロモメチル基が置換した構造} \\ \text{(ii)} & \text{フェノールの 2,6 位に tert-ブチル基，4 位にクミル基} \ \ce{-C(CH3)2Ph}\ \text{をもつ構造} \\ \text{(iii)} & \ce{BrC(F)=C(F)H}\quad \text{\(Z\) 体，すなわち高順位基 \(\ce{Br}\) と \(\ce{F}\) が同じ側} \end{array}$$

${}^1\mathrm{H}$ NMR の化学シフトは，芳香環プロトンが最も低磁場， 酸素に隣接するメチルプロトンがその次，単純アルカンのメチルプロトンが最も高磁場である。 したがって $$C>B>A.$$

より電子密度が高いのは $N^a$ である。 $N^a$ はピリジン型窒素であり，孤立電子対は芳香族 $6\pi$ 電子系に直接組み込まれていない。 一方，$N^b$ はピロール型窒素で，孤立電子対が芳香族性を成立させるために使われる。 そのため，塩基性・求核性として利用しやすい電子対は $N^a$ 側にある。

酸性度の高い順は $$H^c>H^d>H^a>H^b.$$ $H^c$ は 1,3-ジカルボニル化合物の中央メチン水素であり，脱プロトン化後のエノラートが 二つのカルボニル基に共鳴安定化されるため最も酸性が高い。 $H^d$ は酸塩化物の $\alpha$ 位水素で，強い電子求引性のアシル塩化物により安定化される。 $H^a$ はエステルの $\alpha$ 位水素であり，エノラート安定化は受けるが酸塩化物より弱い。 $H^b$ は単純アルカンの水素で，共役塩基がほとんど安定化されないため最も酸性が低い。

芳香族求電子置換反応に対する反応性の順序は次の通りである。 $$\begin{array}{ll} \text{(i)} & \text{ベンゼン}>\text{ブロモベンゼン}>o\text{-ジブロモベンゼン} \\ & ③>①>② \\ \text{(ii)}& \text{フェノール}>\text{ニトロベンゼン}>p\text{-クロロニトロベンゼン} \\ & ③>②>① \\ \text{(iii)}& o\text{-キシレン}>\text{ヨードベンゼン}>\text{ベンズアルデヒド} \\ & ③>①>② \end{array}$$

DMSO は極性非プロトン性溶媒であり，ギ酸イオンは求核剤として働く。 したがって $(R)$-2-ブロモブタンは主に $\mathrm{S_N2}$ 反応を受け， 背面攻撃により立体反転したギ酸エステルを与える。 $$\ce{(R)-CH3CH(Br)CH2CH3 + HCO2- -> (S)-CH3CH(OCHO)CH2CH3 + Br-}$$ 遷移状態では，反応中心炭素に対して $\ce{HCO2-}$ の酸素からの結合形成と $\ce{C-Br}$ 結合切断が同時に進み，求核剤と脱離基はほぼ一直線上で反対側に位置する。

化合物 $D$ は，シクロヘキセン骨格をもつメチルケトンを作り，そこへエチル基を Grignard 付加させれば得られる。 炭素数 4 以下の原料からの一例は次の経路である。 $$\ce{1,3-butadiene + CH2=CHCOCH3 ->[\Delta] cyclohexenyl-COCH3}$$ $$\ce{cyclohexenyl-COCH3 ->[EtMgBr][H3O+] D}$$ 第一段階は Diels--Alder 反応で，$\ce{CH2=CHCOCH3}$ はメチルビニルケトンである。 第二段階では，$\ce{CH3CH2Br}$ と Mg から調製した $\ce{EtMgBr}$ を用い， ケトンにエチル基を付加させた後，酸処理して第三級アルコールとする。

目的物 $E$ は $p$-メチルベンゾニトリルである。トルエンからの代表的経路は 芳香族ニトロ化，還元，ジアゾ化，Sandmeyer 型シアノ化である。 $$\ce{toluene ->[HNO3/H2SO4] p-nitrotoluene}$$ $$\ce{p-nitrotoluene ->[Sn/HCl][NaOH] p-toluidine}$$ $$\ce{p-toluidine ->[NaNO2/HCl,\ 0^{\circ}C] p-CH3C6H4N2+Cl-}$$ $$\ce{p-CH3C6H4N2+Cl- ->[CuCN] p-CH3C6H4CN}$$ ニトロ化では $o$ 体も生じるため，合成経路としては $p$ 体を分離して次段階へ進める。

1. 提案経路が不適切な理由は次の三点である。

   第一に，$\ce{1-chlorobutane/AlCl3}$ による Friedel--Crafts アルキル化では， 一次ブチルカチオン相当種が転位して sec-ブチル置換体を与えやすく，直鎖ブチル基を選択的に導入しにくい。

   第二に，クロロベンゼンはハロゲンの $-I$ 効果によりベンゼンより不活性であり， Friedel--Crafts アルキル化の収率・選択性が低くなりやすい。

   第三に，アルキル化後の塩素化では，既に導入されたアルキル基が強い オルト・パラ配向性の活性化基として働くため，目的の 4-ブチル-1,2-ジクロロベンゼンだけを選択的に与えず，位置異性体混合物になりやすい。 さらに Friedel--Crafts アルキル化は多置換も起こしやすい。

2. 適切な経路としては，先に隣接する二つの塩素を導入し，その後に Friedel--Crafts アシル化と還元で直鎖ブチル基を導入する。 $$\ce{chlorobenzene ->[Cl2/FeCl3] o-dichlorobenzene}$$ $$\ce{o-dichlorobenzene ->[CH3CH2CH2COCl/AlCl3] 4-butanoyl-1,2-dichlorobenzene}$$ $$\ce{4-butanoyl-1,2-dichlorobenzene ->[Zn(Hg),HCl] 4-butyl-1,2-dichlorobenzene}$$ 最後の還元は Clemmensen 還元であり，$\ce{COCH2CH2CH3}$ を $\ce{CH2CH2CH2CH3}$ に変換する。 最初の塩素化では $o$ 体と $p$ 体が生じるため，$o$-ジクロロベンゼンを分離して用いる。