配座 A が
予想 主生成物はどれか
問い 1安定な生成物が最も多くできるとは限らないのはなぜか
今日の数値は、説明のために選んだ値(研究の実例を除く)
出発物が一つで、生成物 P(
速度定数は、出発する状態と遷移状態の
アイリングの式
同じ出発物から P・Q へ。アイリングの式を二つ書いて割る
ここからは出発する状態が配座 A・B の二つ。問い 1 の分子の例
α-アミノケトン CH₃–CH(NMe₂)–C(=O)–CH₃ の還元で、ジアステレオマー P・Q ができる。配座 A が
(a) 90:10 (b) 50:50 (c) 8:92 (d) 1:99
解き方B は A の 1/9 でも、速度定数は 100 倍
① 求めるもの生成の速さの比
② 式と前提
配座変換が速い → 90:10 が保たれる
③ 代入
(c) 8:92(Q/P = 11)
④ 意味P が 1 個できるあいだに Q が 11 個
例題を
例題の前提「配座変換は十分速い」を外す。同じ分子 100 個で見る
配座変換は単結合の回転。
アイリングの式の逆数、298 K
配座 C が
298 K で
配座 C が
問 1 D の
① 求めるもの
② 式と前提
書き直すと
③ 代入
2.7 kJ/mol
④ 意味3 倍多い C のほうが、
配座 C が
D は C の 1/3 でも、速度定数は 20 倍 → Y のほうが多い
問 2 配座変換が反応より十分速いとき、X:Y はいくつですか
① 求めるもの生成の速さの比
② 式と前提
配座変換が速い → 75:25 が保たれる
③ 代入
X の割合
13:87
④ 意味配座の割合 75:25 をそのまま生成物比にすると誤る
配座 C が
問 3 配座変換の速度定数が C → D で
① 求めるものX:Y が近づく値
② 図を読む
C から補われる前に、D が反応し終わる
初めの配座比 75:25 に近づく
要点:生成物比は、配座変換が反応より速ければ遷移状態の
例題と同じ形の、実際の反応
J. Halpern, Science 1982, 217, 401(DOI: 10.1126/science.217.4558.401);C. R. Landis, J. Halpern, JACS 1987, 109, 1746(DOI: 10.1021/ja00240a025);T. Imamoto, IntechOpen 2012(DOI: 10.5772/48584)
比は遷移状態の
例題のモデルで、Q を増やす二つの案を比べる
案 1:配座 B の
案 2:TSB の
例題:配座 A が
例題のモデルで、Q を増やす二つの案を比べる。案 1:配座 B の
存在比
問 1 案 1 で、配座 B の割合は何 % になりますか
① 求めるもの案 1 のあとの
② 式と前提
B の
③ 代入
25 %(10 % から増える)
例題のモデルで、Q を増やす二つの案を比べる。案 1:配座 B の
問 2 案 1 で、Q/P は変わりますか
① 求めるもの案 1 のあとの Q/P
② 式と前提Q/P = 存在比
③ 代入存在比
B からの障壁が 2.7 kJ/mol 上がる →
Q/P は
変わらない(Q/P = 11 のまま)
④ 意味TSB の
例題のモデルで、Q を増やす二つの案を比べる。案 1:配座 B の
Q/P が 3 倍 → P は例題の 8 % の約 1/3
問 3 案 2 で、Q の割合は何 % になりますか
① 求めるもの案 2 のあとの Q/P と Q の割合
② 式と前提Q/P =
TSB だけ −2.7 kJ/mol →
③ 代入
Q の割合
約 97 %
要点:生成物比を変えるのは、二つの遷移状態の
問い 1:安定な生成物が最も多くできるとは限らないのはなぜか
| 節 | 内容 |
|---|---|
| §4.1 | 平衡支配に切り替わる時間の見積もり(逆反応の速度定数と反応時間) |
| §4.2 の発展の箱 | 遷移状態理論の導き方、透過係数が 1 でない場合 |
| §4.3 | 温度と選択性( |
| §4.4 の発展の箱 | カーティン・ハメットの定義(IUPAC)と、名前の由来 |
| §4.5 の発展の箱 | 配座変換が遅いときの連立速度式の解き方 |
| §4.5 の小見出し | 配座変換の速さだけを変えたときの、生成物の割合の曲線 |
| §4.6 の小見出し | どこまでのずれを許すか(障壁と P の割合) |
この表の内容は読んでおくとよいが、小テストには出さない(小テストはスライドの本編から出す)
次回の問い
H を D に替えると
なぜ速度が変わるか
今日の復習 演習 A・B、小テスト第 4 回 次回の予習 教科書 §5.1〜5.2
| 前提 | 崩れると | 確かめる方法 |
|---|---|---|
| 配座変換が反応より速い | 初めの配座比に近づく (連立速度式を解く) |
配座変換の速さを測り (温度を変えた NMR など)、 反応の速さと比べる |
| 生成物は不可逆にでき、 行き来しない |
平衡支配に移り、 生成物の安定さで決まる |
時間を変えて生成物比を測る。 生成物を反応条件に戻す |
| 各配座から一つの生成物だけ (単純化したモデル) |
一つの配座から複数の経路があると、 その経路も足し合わせる |
経路ごとの遷移状態を比べる |
( |
冷やしても選択性が 上がるとは限らず、 逆転もある(発展 3 の例で 400 K) |
温度を変えて測り、 |
反応が終わったときの P・Q の割合:
学部のルール「低温ほど選択性が上がる」を、比
時間: 0.5 分 時間が足りなければ:省く順は ① 演習 A の問 1 ② 演習 B の問 1 ③ 安定な生成物と速くできる生成物のスライドを 2 分に ④ 研究の実例を 1 分に。
時間: 2.5 分 問いかけ:ノートを見ずに、と言ってから 1.5 分考えさせ、答えを口頭で言う。 言うこと:1 は、平衡は比べる両側の G の差で決まる。同じだけ下がれば比は同じ。生成物側が多く下がれば、生成物が増える。 言うこと:2 は、ボルンの式は比誘電率と半径だけで決まり、比誘電率が 20 を超えるとほぼ一定。違いは隣の溶媒との水素結合で、プロトン性溶媒は小さな陰イオンに強く効く。 言うこと:今日も「何と何を比べるか」を見る。比べる相手は、今日は遷移状態どうし。
時間: 3 分 見せ方:下の絵を指す。印 1 つが分子 1 個で、丸が A、四角が B。反応が終わったとき、P と Q は何個ずつになるか。 問いかけ:三択から予想を心の中で選ばせる(書かせない・集めない)。答え合わせは「問い 1 の答え」のスライドで、ここでは答えを言わない。 言うこと:選択肢の理由:1 は「安定で、多い配座 A から出る」、2 は「存在比と速さが打ち消す」、3 は「少ない B から速く出る」。 言うこと:有機化学では「最も安定な配座から反応する」「安定な生成物が主になる」と考えがち。今日は、生成物の量が何で決まるかを遷移状態の G で整理する。
時間: 0.5 分 見せ方:上の帯を指す。第 II 部(核と電子の移動から反応へ)の 1 回目。 言うこと:第 1 回の障壁(出発する状態から測る、5.7 kJ/mol で 10 倍)と、第 2 回の存在比(ボルツマン分布)を合わせて使う。
時間: 2.5 分 見せ方:二つの障壁は、どちらも出発物から測る。 言うこと:学部の復習なので短く。平衡支配は熱力学支配ともいう。 言うこと:速度支配では、生成物の比に生成物の G は入らない。以下、生成物ができたら戻らない場合を考える。 言うこと:平衡支配に切り替わる条件(逆反応の速さ、反応時間、温度)は教科書で読む。 言うこと:ハモンドの仮説を聞かれたら、似た反応の系列では、生成物が安定なほど遷移状態も下がることが多い、という経験則。それでも比を決めるのは遷移状態の G。 時間が足りなければ:2 分に(図の二つの障壁と、太字の語だけ)。
時間: 2.5 分 見せ方:左の図で、ΔG‡ が大きいほど遅いことを先に見せ、その傾向を式で書く、と言う。 言うこと:学部ではアレニウスの Eₐ で「障壁」を習うので、Eₐ・ΔH‡・ΔG‡ を同じものとして使いがち。Eₐ と ΔH‡ は RT(298 K で 2.48 kJ/mol)しか違わない(溶液中の一段階の反応で Eₐ = ΔH‡ + RT)。 言うこと:前因子 k_BT/h は反応によらず、298 K で 6.2×10¹² s⁻¹。透過係数は、遷移状態から生成物側へ進む割合。 言うこと:聞かれたら、アレニウスの A には exp(ΔS‡/R) が入る。二分子反応では ΔG‡ が標準濃度の取り方で変わる(教科書 §4.2)。
時間: 2 分 言うこと:学部の復習。割ると、前因子(二つの経路で同じ)が打ち消し合い、障壁の差だけが残る。 つまずき所:アレニウスの A が同じ、という意味ではない。ΔS‡ の差は ΔΔG‡ に入る。 見せ方:図は第 1 回の目盛り。11.4 で 100 倍、17.1 で 1000 倍。 言うこと:温度を下げれば選択性は必ず上がるとは限らない。例は発展で。
時間: 2.5 分 見せ方:左はニューマン投影。奥の炭素を回すと A と B が入れ替わる(単結合の回転)。A から P、B から Q という対応はモデルの仮定で、構造から導いたものではない。 見せ方:矢印の太さが生成の速さ。代入は例題でする。真ん中の青い矢印で、B が反応で減っても A から補われることを指す。 問いかけ:「少ない B から速く出る Q と、多い A から遅く出る P、比はいくつか」と聞いて例題へ。 言うこと:p は各配座の割合(第 2 回のボルツマン分布)。二つの割合の比 p_B/p_A を存在比と呼ぶ。 言うこと:この前提が崩れる場合は、あとで見る。
時間: 4.5 分 問いかけ:解き方を 1 段ずつ開く。開く前に「何と何を比べる?」「どの式?」と聞いてから開く。 言うこと:概算の箱:計算の前に、B は A の 1/9 でも速度定数が 100 倍なので、Q のほうが多そうだと見込む。 見せ方:右は問いの図(反応の後が ?)。答えの段で分子 100 個の絵に替わる。 言うこと:k_P = 1 とおいた相対値で比だけを使う。P 8.26 %、Q 91.74 %。G の図は次のスライドで見る。 つまずき所:(a) 90:10(配座の存在比をそのまま生成物比にする)(d) 1:99(速度定数の比 100 倍だけを見る)(b) 50:50(打ち消すと考える)。 言うこと:前提:出発物質は一方の絶対配置にそろい、反応中にラセミ化しない。A から P だけ、B から Q だけ(単純化したモデル)。生成物どうしは行き来しない。還元剤の濃度の効果は両経路で同じ(擬一次速度定数として比べる)。
時間: 4 分 見せ方:初めは例題の値(B 5.4、TS_B 67)。298 K、A を基準 0、TS_A は 73 で固定。高さは k_P = 1、k_Q = 100 s⁻¹ から、前の基礎の確認の式で出した値(k = 1 → 73.0、k = 100 → 61.6)。 見せ方:操作 1「B の G」を動かす:割合は変わるが、B からの障壁が同じだけ変わり、Q は 92 % のまま。操作 2「元に戻す」を押して「TS_B」を動かす:Q が変わる。 言うこと:p_B/p_A = e^(−5.4/RT) = 0.11、k_Q/k_P = e^(11.4/RT) = 100(障壁 73 と 61.6)、積は 11 で、e^(6.0/RT) と同じ。 つまずき所:共通の基準から測る遷移状態の高さと、各配座から測る障壁を取り違える。第 1 回の「障壁は出発する状態から測る」の続き。 見せ方:つまみを触ったあと → で進めるときは、図の外を一度クリックする。
時間: 4 分 見せ方:左は G の曲線(模式)の上の分子 100 個(青が配座 A・B、橙が生成物 P・Q)。右は反応していない配座の A:B、できた生成物の比 P:Q、1/a と 1/k の比べ。 見せ方:操作 1「配座変換が速いとき」が選ばれた状態で、A と B のあいだを点が絶えず跳び移ることを指す。操作 2「▶」(約 6 秒):B が Q になるたびに A から補われ、A:B は 90:10 のまま。P 8 %、Q 92 %。操作 3「配座変換が遅いとき」を押す。操作 4「▶」(約 8 秒):B の 10 個だけがすぐ Q になり、残った A がゆっくり P になる。P 90 %、Q 10 %。 言うこと:比べ方は一つ。数直線で、1/a の点が反応の 2 点(1/k_Q と 1/k_P)より左か右か。左なら遷移状態の G の差、右なら初めの配座比。あいだにあるときは連立速度式を解く(発展)。 言うこと:モデルは例題と同じ。k_P = 1、k_Q = 100 s⁻¹、B → A は 9a。1/a は速いほうで 0.1 ms、遅いほうで 1000 s ≈ 17 分。 言うこと:点の往復は見やすく遅くしてある。実際は 1 秒に 1 万回入れ替わる。曲線は模式で、時間は対数で進む。 見せ方:「時間」のつまみで t を手で動かせる。つまみにフォーカスがあると矢印キーはつまみを動かす。進めるときは図の外をクリックしてから。
時間: 2 分 見せ方:障壁のボタンを 15 → 60 → 80 → 100 と押す。回す間隔は見せるための値で、実際の時間の比ではない。 言うこと:15 で約 70 ps(第 1 回)、60 で 5 ms、80 で 17 s、100 kJ/mol で 15 時間(目安で、実在の分子の値ではない)。p.10 の障壁 73 と 61.6 は、同じ目盛りで 1 s と 10 ms に当たる。 言うこと:回転が妨げられる例:かさ高い置換基をもつ結合、部分的な二重結合性のある結合など。 言うこと:例題の還元なら、比べる相手は速いほうの 1/k_Q = 10 ms。障壁がおよそ 60 kJ/mol より低ければ、カーティン・ハメットの原理の値にほぼ一致する(障壁 55 で P 8.3 %、60 で 8.7 %、70 で 26 %)。
時間: 6 分 見せ方:個人で 6 分 → 答えのスライド。右の図は考えるための問いの図(上:生成の速さの棒と X・Y の割合、下:反応と配座変換の時間の数直線)。「上の棒の ? を埋める」「下の図で、橙(反応)と墨(配座変換)のどちらが先に終わるか」と言ってから解かせる。解いている間、講師は前で待ち、決めた時刻に全体へ一言かける(教室は回らない)。 見せ方:問 3 には選んで判定するボタンがある(投影の HTML でだけ出る)。解く時間が終わってから、手を挙げさせた答えを押して見せ、答えのスライドへ進む。 言うこと:1 は入り口(第 2 回の存在比の逆算)。2 は例題の数値替え。3 は配座変換が遅いとき。 時間が足りなければ:1 を削る。
時間: 1 分 見せ方:答えを 1 段ずつ開く(この問には図を置かない)。 言うこと:概算の箱:計算の前に、ln 3 は 1 より少し大きいので、答えは RT より少し大きいと見込む。
時間: 1.5 分 見せ方:右の列は動く式。答えで、図が棒 0.75 と 5 と X 13:Y 87 の入った完成版に替わる。少ない D からの棒のほうが長いことを指す。 言うこと:k_X = 1 とおいた相対値(k_Y は 20)。 つまずき所:75:25 と答える。例題の ③ に戻る。
時間: 2 分 見せ方:右の図は時間の数直線(対数)。反応 1/k は D 0.05 s・C 1 s(橙)、配座変換 1/a は C→D 100 s・D→C 33 s(墨)。② で「墨の点が橙より右 → 反応が先に終わる」と図の上で指す。答えのあと → で、X 74:Y 26 の入った図に替わる。「配座変換が遅いと、どうなるか」のスライドと同じ読み方。 つまずき所:「配座の割合は同じだから問 2 と同じ」と答える。前提は割合ではなく、反応のあいだに分布が保たれるかどうか、と言う。 言うこと:図の 74:26 は連立速度式の解(発展)。75:25 からのずれは、反応のあいだに少しだけ配座変換が起こる分。
時間: 1.5 分 言うこと:今日の例題(少ない配座から主生成物)と同じ構図の、有名な実例。 見せ方:左の基質 MAC と生成物の構造を指す(Rh–DIPAMP 触媒で 96 % ee、98:2)。付加体は、基質が C=C の表か裏を Rh に向けて配位した 2 つの錯体。二つは速く入れ替わるので、生成物の比は存在比でなく二つの遷移状態の G の差で決まる。 言うこと:H₂ の圧力を上げるか冷やすと、付加体の入れ替わりが反応に追いつかず、選択性が下がる。「配座変換が遅いとき」の例。 言うこと:聞かれたら、付加体の比を仮に 1:10 とすると、生成物比 98:2 = 49 倍なので、少ないほうの速度定数は 49 × 10 ≈ 490 倍。 言うこと:MAC はアセトアミド桂皮酸メチル(基質)、DIPAMP はキラルなリン配位子。この描像は配位子によっては当てはまらないので、この系に限ると言う。
時間: 2.5 分 見せ方:左:置換基などで配座 B の G だけを下げる(その相互作用は TS_B では失われる)。B の割合は増えるが、B からの障壁が同じだけ高くなり、Q は 92 % のまま。 見せ方:中:配座 B も TS_B も下げる(相互作用が遷移状態にも残る)。TS_B が下がるので Q が増える。 見せ方:右:TS_B だけを下げる(遷移状態だけで効く相互作用、触媒など)。Q が増える。 言うこと:Q の棒は、TS_B を 1.7 kJ/mol 下げたときの値(Q/P が 11 から 22、Q 96 %)。Q を増やすには TS_B を TS_A に対して下げる。 言うこと:配座変換が速いとき、配座 B の割合を増やすことそのものでは生成物比は変わらない。
時間: 7 分 見せ方:個人で 7 分 → 答えのスライド。右の図は考えるための問いの図(上:案 1、下:案 2。灰の破線が変える前)。「上の B の割合と Q/P、下の Q/P と Q の割合の ? を考える」と言ってから解かせる。 見せ方:問 2 には選んで判定するボタンがある(投影の HTML でだけ出る)。解く時間が終わってから押して見せる。 言うこと:1 は入り口。2 は今日の中心。3 は遷移状態を下げたときの計算。 時間が足りなければ:1 を削る。
時間: 1 分 見せ方:右の列は動く式。答えで、図が B 10 → 25 % の入った図に替わる(Q/P はまだ ?)。 言うこと:概算の箱:p_B/p_A が 3 倍でも、全体で割り直すので割合は 3 倍(30 %)より少し小さい。
時間: 1.5 分 見せ方:③ の 2 行目で「B から TS_B までの矢印が 2.7 長くなる」と図の上で指す。答えのあと → で、Q/P は 11 のままが入った図に替わる。高さは模式。 問いかけ:③ の 2 行目の前に「B は増えるが、B からの障壁はどうなる?」と聞く。 つまずき所:「B が増えたので Q も増える」と答える。
時間: 1.5 分 見せ方:右の列は動く式。答えで図が Q/P 11 → 33(Q 97 %)の入った完成版に替わる。前のスライドの図と並べて「動いたのは配座の G か遷移状態か」を指す。 言うこと:概算の箱:Q/P が 3 倍なら、P は例題の 8 % の約 1/3(3 % 前後)。 言うこと:案 1 と案 2 は、どちらも 2.7 kJ/mol 下げる改変だが、どこの G を下げるかで結果が違う。第 3 回の「どちらの側を下げるか」と同じ考え方。
時間: 2 分 言うこと:冒頭の予想の答え合わせ。1(P)を選んだ人が多ければ「配座の存在比をそのまま生成物比にした」と言う。 言うこと:答えの文:生成物の量は、生成物の安定さや配座の多さではなく、共通の基準から測った遷移状態の G の差で決まる(不可逆で、配座変換が反応より速いとき)。 言うこと:第 8 回(触媒)では、触媒が結合した状態の分布と、そこからの速さを同じように合わせる。
時間: 2 分 見せ方:左から順に話す。出発する状態が一つなら、比は二つの遷移状態の G の差。障壁は出発する状態から、遷移状態の高さは共通の基準から測る。配座が二つでも、配座変換が速ければ同じ。遅ければ初めの配座比に近づく。生成物比を変えるには遷移状態の G を変える。
時間: 1 分 言うこと:表の節と発展の箱は、自習で読む所。
時間: 1 分 言うこと:次回は、同位体で置き換えても電子状態(ポテンシャルエネルギー曲線の形)は変わらないこと、変わるのは核の質量と振動数・零点エネルギーであることを見る。
言うこと:表はまとめ直し。3 行目:実在の α-アミノケトンは、各配座から複数の攻撃経路をもちうる。
言うこと:A ⇌ B、A → P、B → Q の速度式 dA/dt = −(a + k_P)A + bB、dB/dt = aA − (b + k_Q)B を t = 0 から ∞ まで積分すると、上の 2 本の一次方程式になる。 言うこと:a ≫ k のとき I_B/I_A → a/b(平衡比)となり、P:Q = p_A k_P:p_B k_Q に戻る。a → 0 のとき x_P = p_A^0(初めの配座比)。 言うこと:例題のモデルで a = 10⁴ で P 8.26 %、10² で 9.0 %、10 で 15.1 %、1 で 47 %、10⁻¹ で 82.0 %、10⁻³ で 89.9 %。 見せ方:つまみ・ボタンを触ったあと → で進めるときは、図の外を一度クリックする。
言うこと:ΔΔG‡ = ΔΔH‡ − TΔΔS‡ は第 2 回の ΔG = ΔH − TΔS と同じ形。選択性は偏りの大きさ(Q/P が 1 から離れるほど高い)。「低温ほど選択性が上がる」は、ΔΔS‡ = 0 とみたときの学部のルール。 見せ方:左は ln(k_Q/k_P) を 1/T に対して描いた直線(傾き −ΔΔH‡/R、切片 ΔΔS‡/R)、薄い破線は ΔΔS‡ = 0 とみた線。右は ΔΔH‡(灰、−8.0 で一定)の端から −TΔΔS‡(緑、温度に比例)を積んだ棒と、和 ΔΔG‡(墨の枠)。 見せ方:298 K:−TΔΔS‡ は +6.0、ΔΔG‡ は −2.0 で、Q/P は 2.3(破線なら 25)。200 K:ΔΔG‡ −4.0 で 11。400 K:1:1。500 K:ΔΔG‡ +2.0 で 0.62(P が多い)。 見せ方:つまみを触ったあと → で進めるときは、図の外を一度クリックする。