A060 — Favorskii 転位

この反応の出発物質であるα-クロロケトン、具体的には2-クロロシクロヘキサノンには、カルボニル基と、その隣接するα位に塩素原子および酸性の水素原子が存在します。また、試薬であるナトリウムメトキシド（NaOMe）は、メトキシドイオン（MeO⁻）として強塩基と求核剤の二つの役割を果たすことができます。

ケトンのα位の水素は、隣接するカルボニル基の共鳴効果によって高い酸性度（pKa 約20）を持ちます。これは、プロトンが脱離して生じるエノラートアニオンが、負電荷を炭素と酸素の2つの原子上に非局在化させることで安定化されるためです。メトキシドイオン（MeO⁻）は、その共役酸であるメタノール（MeOH）のpKaが約15.5であるため、α位のプロトンを引き抜くのに十分な強塩基性を持っています。また、塩素原子は電気陰性度が高く、脱離した際に安定な塩化物イオン（Cl⁻）となるため、良い脱離基として機能します。カルボニル炭素は電気陰性度の高い酸素によって電子が引きつけられ、δ+（正に帯電）の性質を持ち、求核攻撃を受けやすいです。 [出典: 3章 p5, 21章 p4]

この反応の律速段階は、高歪みのシクロプロパノン中間体への求核攻撃と、それに続くシクロプロパン環の開裂です。この開裂は、蓄積された環の歪みエネルギーの解放と、より安定なカルボン酸誘導体様の結合が形成されることによって強く駆動されます。鍵となる結合は、シクロプロパノン環のC-C結合であり、これが開裂することで、元の環状ケトンよりも炭素数が一つ少ない環状のカルボン酸誘導体へと変換されます。この過程全体が、環縮小という特徴的な変化をもたらします。

まず、メトキシドイオンの酸素の孤立電子対が、α-クロロケトンのカルボニル基の反対側のα炭素のC-Hプロトンを引き抜きます。同時にC-H結合の電子対は、カルボニル基のπ系へと流れ込み、エノラートアニオンが生成します。次に、このエノラートのα炭素が持つ電子対が、分子内で塩素原子が付いた炭素を背面から攻撃し、新しいC-C結合が形成されます。この時、C-Cl結合の電子対が塩素原子へと移動し、塩化物イオンとして脱離します。これにより、高歪みのシクロプロパノン中間体が生成します。続いて、新たに加わったメトキシドイオンの酸素の孤立電子対が、シクロプロパノンのカルボニル炭素を求核攻撃します。同時にC=Oのπ電子対は酸素原子上へと移動し、四面体中間体が形成されます。最後に、この四面体中間体の酸素原子上の負電荷がカルボニルを再形成するために流れ込み、同時にシクロプロパン環のC-C結合の電子対が一方の炭素へと移動して開裂し、カルバニオンが生成します。この生成したカルバニオンが溶媒のメタノールからプロトンを引き抜き、最終的な生成物が完成します。

最終的に、シクロペンタンカルボン酸メチル（またはシクロペンタンカルボン酸メチルエステル）が生成します。これは、元の6員環ケトンから炭素が一つ少ない5員環に環縮小したエステルです。