Pyrazolone N,N-Dioxide類の構造と反応

Cyclopentadienone 類の３，４−位を窒素原子に置換したdiazapentadienoneはdieneとしてazepineなどと反応し付加体を与える．Pyrazolone N,N-Dioxide類の反応性についてはほとんど研究されておらず，その構造もいくつか提案されており，確固とした証明はない．そこで，単結晶Ｘ線構造解析に挑戦し，3,5-dimethyl体でようやく成功した．解析結果をFig. 1 に示す．

Fig. ? の括弧内に示す構造ではなく，N,N-Dioxide構造であることがわかった．N-N結合の異常な伸長 (1.659 Å) が認められた．

本化合物は分子軌道計算泣かせである．おそらくＸ線解析がうまくいかないため，分子軌道計算を試みた研究者も居たと思われる．実際に分子軌道計算を行うと何が真実か分からないといっても過言ではない．Ｘ線解析前後に計算した結果をTable ?に示す．非経験的分子軌道法の6-31G(d)においても1.52Å程度である．これに対し，密度汎関数法では1.8-1.73Åを予測する．Ｘ線解析値に近いのはB3PW91/6-31G(2d)である．

異常伸長に関しては，酸素原子の立体反発などが考えられるが，FMO論の分子分割法による三体相互作用や環式共役理論から「芳香族性」によるものと判断した．その根拠としては類似化合物のＸ線解析構造や環式共役のない環状化合物の結合距離等との比較から判断した．

我々の見解を支持するＸ線データが報告されている．この場合，分子分割法の４体相互作用による環状共役理論で説明できる．結果的には，exocyclicな２個のN=Cは位相が合わない．

次図の化合物はまだ単離されていないが，芳香族性があることが期待できる．DFT計算もそれを支持し，結合伸長は認められない．

Fig. ?は無置換体のFMOを示す．環化反応に関与する軌道はHOMO, NLUMOであることがわかる．LUMOは異常に長いN-Nσ結合に局在化しており，この軌道の役割も無視できない．

結晶充填構造から本基質の反応性を示唆する重要な情報を読みとることができる．N,N-Dioxideはhead-to-tailで整列し，donor-acceptor相互作用が示唆される．

Fig. ?に示すように，カルボニルと隣接分子のN-Nは非常に接近しており，強い分子間相互作用が示唆され，AM1計算でも再現できた．

Pyrazolone N,N-dioxideがdieneとして反応するか，それとも1,3-dipoleとして反応するか興味のあることである．Epoxynaphtha樝eneとの反応ではendo体が得られた．もしDA反応した後転位するとしたらexo付加体が得られるはずであるので，直接1,3-dipole反応が進行したことになる．本反応は，電荷移動錯体経由で進行する．

この考えをもとにカルボニルやエーテル原子をもったdipolarophileの反応挙動を解析するとendo/exo選択性の説明が可能である．

3,5-diphenyl pyrazolone-1,2-dioxideとの反応においては，上記の相互作用のないオレフィンの場合，exo付加体が生成する．

ヘテロケージ（カゴ型）化合物の生成

連続1.3-双極性付加反応によるヘテロカゴ型化合物の合成に成功した．X線解析の結果，Nsp3–Nsp3 結合は 1.617(4) Åと伸長していた．密度汎関数法によるin silico 反応解析を行い，実験結果を再現した．また，論文の図が，J. Phys. Org. Chem. の表紙を飾った．

Thermal reaction of electron deficient 4-oxo-4H-pyrazole 1,2-dioxide with cycloheptatriene: the first examples of the formation of an endo-[4p+6p]-cycloadduct and an intramolecular 1,3-dipolar reaction leading to a heterocage 

The reaction of 3,5-bis(methoxycarbonyl)-4-oxo-4H-pyrazole 1,2-dioxide (1a) with 1,3,5-cycloheptatriene (2b) gave a mixture of the novel endo-[4 + 6]-cycloadduct (4ab), anti-exo-[4 + 2]-cycloadduct (5ab), and the heterocage (6ab) derived from the intramolecular 1,3-dipolar cycloaddition reaction of the syn-endo-[4+2]-cycloadduct. Analogous endo-[4+6] selectivity in 1,3-dipolar cycloadditions has not been reported previously. The X-ray analysis indicates that 6ab has a very long Nsp3–Nsp3 bond distance of 1.617(4) Å. The cycloaddition behaviour is discussed on the basis of transition-state struc- tures optimized at the B3LYP/6-31G(d) level of theory, from which predictions of the peri-, regio-, and stereoselectivities agreed well with the experimental results. 

Cycloaddition Reactions of 4-Oxo-4H-Pyrazole-1,2-Dioxides with Epoxynaphthalene. X-Ray Analysis of the Cycloadduct and Some Comments on Cycloaddition Behavior

K. Harano, Y. Yoshitake, M. Eto and T. Hisano,  (1992 ･ Heterocycles ･ 34(9) ･ (1707-1710))

Cycloaddition Behavior of 3,4-Diazacyclopentadienone Dioxides toward Bicyclic[2.2.1]heptadiene Derivatives. X-Ray Analysis of the Cycloadduct and Reaction Pathway, 

M. Eto, K. Harano, Y. Yoshitake and T. Hisano, J. Heterocyclic. Chem., 30, 1557(1993). 

Cycloaddition Behavior of Pyrazol-4-one N,N-dioxides toward unsaturated compounds. Stereochemical and Mechanistic Aspect, 

M. Eto, Y. Yoshitake, K. Harano and T. Hisano, J. Chem. Soc. Perkin Trans 2, 1994, 1337-1345．

      ACKNOWLEDGEMENT Miss S. Nakamura

 1,3-Dipolar Cycloaddition Behavior of Pyrazolone N,N-Dioxides toward Epoxynaphthalene. Effective Secondary N---O Interaction between Addends（N2）

Y. Yoshitake, M. Eto and K. Harano,   Heterocycles, 1997, 45, 1873-1878.

      謝辞    坂田さゆり

Enhanced Endo Selectivity in 1,3-Dipolar Cycloaddition of Pyrazolone N,N Dioxides with Dipolarophiles having Ether and Carbonyl Groups. Role of the Remarkably Long N-N bond

Y. Yoshitake, M. Eto and K. Harano, Tetrahedron Lett., 1998, 39, 2761-2764. 

参考論文 本論文に対するコメント（結合伸長）

A PMO Model of Pyrazolone N,N-Dioxides and N204 and a Rationalisation of their Remarkably Long N-N Bonds

Christopher A. Ramsden, Tetrahedron Lett., 39 (1998) 5839-5840

Department of Chemistry, Kcele University, Keele, Staffordshire ST5 5BG, UK

Crystallographic and Molecular Orbital Studies of Pyrazolone N,N-Dioxides. The Exceptionally Elongated N-N Bond

Y. Yoshitake, M. Eto and K. Harano , Chem. Pharm. Bull.,, 1999, 47(5), 601-606.

FORMATION PATHWAY OF NOVEL CYCLOADDUCT OBTAINED BY REACTION OF 3,5-DISUBSTITUTED 4-OXO-4H-PYRAZOLE 1,2- DIOXIDE WITH DIMETHYL ACETYLENEDICARBOXYLATE 

Yasuyuki Yoshitake, Koki Yamaguchi, and Kazunobu Harano*,  HETEROCYCLES, Vol. 78, No. 11, 2009 

Thermal Reaction of Electron Deficient 4-Oxo-4H-pyrazole 1,2-Dioxide with Cycloheptatriene: The First Examples of the Formation of an Endo-[4π+6π]-cycloadduct and an Intramolecular 1,3-Dipolar Reaction Leading to a Heterocage 

Koki Yamaguchi, Masashi Eto*, Yasuyuki Yoshitake, Kazunobu Harano,   J. Phys. Org. Chem. 2013, 26, 64-69.

      Acknowledgements    Ms. N. Shimada, Mr. D. Hisamatsu, Ms. K. Ohno and Ms. M. Akatsuka (student of Faculty of Pharmaceutical Sciences, Sojo University) 

ROLE OF CH/O AND CH/p INTERACTIONS IN STRUCTURAL STABILITY. EFFECT ON ENDO SELECTIVITY IN 1,3-DIPOLAR REACTION OF ELECTRON-DEFICIENT 4-OXO-4H-PYRAZOLE 1,2-DIOXIDES WITH N-SUBSTITUTED MALEIMIDES 

Koki Yamaguchi, Kazunobu Harano, Masashi Eto*,   Heterocycles 2013, 87(2) , 319-328. 

      ACKNOWLEDGEMENTS    Ms. R. Haraguchi and Mr. K. Egami

本研究に携わった方々

中村聡子，坂田さゆり,  上拾石 文，山口幸輝，滝本景子，大谷 美紀

嶋田 望，久松大祐，大野久美子，赤塚 恵，原口怜美，尾坂風美，津下遥香，江上和哉，生嶋将人