1960年代半ばまで、ある種の反応は「機構がわからない反応（no-mechanism reactions）」と呼ばれていました。求核剤も求電子剤もラジカルも見当たらないのに、ジエンとアルケンが一瞬で環を作る。加熱するだけで分子内の結合がきれいに組み替わる。極性機構・ラジカル機構という有機化学の二大原理だけでは説明がつかない、この第三の反応様式――それが周辺環状反応（pericyclic reaction）です。
R. B. WoodwardとRoald Hoffmannは、分子軌道の対称性さえ見れば、この「機構不明の反応」の立体化学が完全に予言できることを示しました。福井謙一はこれをHOMO（最高被占軌道）とLUMO（最低空軌道）という2つの軌道だけで議論できるよう単純化し、両者はノーベル化学賞を受賞しています（Woodwardは受賞前に逝去）。本章では、第14章で学んだ共役系の分子軌道論とDiels-Alder反応の知識を土台に、電子環状反応・環化付加反応・シグマトロピー転位という3つの周辺環状反応を統一的なルールで理解します。
30.1 共役π系の分子軌道
第14.1節で学んだように、共役ポリエン（conjugated polyene）は二重結合と単結合が交互に並ぶ構造を持ちます。分子軌道（MO）理論によれば、sp2混成炭素のp軌道が相互作用して一連のπ分子軌道を形成し、そのエネルギーは原子核間に存在する節（node）の数によって決まります。節の少ない分子軌道は孤立したp軌道よりエネルギーが低い結合性MO、節の多い分子軌道はエネルギーが高い反結合性MOです。
エチレンにはπ1（結合性・節0）とπ2*（反結合性・節1）の2つのπMOがあり、1,3-ブタジエンにはψ1−ψ4の4つのπMOがあります。同様に、1,3,5-ヘキサトリエンは3つの二重結合を持つため6つのπMO（ψ1−ψ6）を持ちます。基底状態では結合性軌道ψ1・ψ2・ψ3のみが電子で満たされています。紫外線を照射すると、最高エネルギーの被占軌道（ψ3）から最低エネルギーの空軌道（ψ4*）へ電子が1個励起され、励起状態ではψ3とψ4*がそれぞれ半分だけ電子で占められます。
反応物のMOの対称性と生成物のMOの対称性が一致（correlate）するとき、その反応は対称許容（symmetry-allowed）と呼ばれます。対称性が一致しない場合は対称禁止（symmetry-disallowed）であり、協奏的な経路では進行できません（非協奏的な高エネルギー経路をたどるか、まったく起こりません）。
30.2 電子環状反応
電子環状反応（electrocyclic reaction）は、共役した非環状ポリエンが環化する周辺環状反応です。1本のπ結合が切れ、他の結合が位置を変え、新しいσ結合が1本形成されて環状化合物が生じます。共役トリエンはシクロヘキサジエンへ、共役ジエンはシクロブテンへ変換されます。
共役トリエン ↔[Δ] シクロヘキサジエン （平衡は環状生成物側に有利） 共役ジエン ↔[Δ] シクロブテン （平衡はひずみの少ない開環体側に有利）
電子環状反応の最も注目すべき特徴は立体化学です。(2E,4Z,6E)-2,4,6-オクタトリエンを加熱するとcis-5,6-ジメチル-1,3-シクロヘキサジエンのみが生成し、(2E,4Z,6Z)-2,4,6-オクタトリエンを加熱するとtrans体のみが生成します。さらに驚くべきことに、同じ基質を光反応（紫外線照射）で環化させると、立体化学の結果が完全に逆転します。
熱電子環状反応の立体化学（conrotatory・disrotatory）
フロンティア軌道理論によれば、電子環状反応の立体化学はポリエンのHOMOの対称性によって決まります。HOMOの電子は最もエネルギーが高く、最も緩く保持されているため、反応中に最も動きやすい電子だからです。熱反応では基底状態の電子配置のHOMOを、光反応では励起状態の電子配置のHOMOを使います。
共役トリエンの基底状態HOMO（ψ3）は分子の同じ側に同符号のローブを持つため、disrotatory（逆回転）型の環化を予測します。これは2,4,6-オクタトリエンの熱環化で実際に観測される結果と完全に一致します。一方、共役ジエンの基底状態HOMO（ψ2）は反対側に同符号のローブを持つため、conrotatory（共回転）型の環化を予測します。ジエン↔シクロブテンの平衡は開環体側に偏るため、この反応は実際には逆方向（シクロブテン→ジエン）でのみ観測され、cis-3,4-ジメチルシクロブテンの熱開環はconrotatory経路で(2E,4Z)-2,4-ヘキサジエンを与えます。
| 電子対の数（二重結合の数） | 熱反応 | 光反応 |
|---|---|---|
| 偶数（ジエン系など） | conrotatory（共回転） | disrotatory（逆回転） |
| 奇数（トリエン系など） | disrotatory（逆回転） | conrotatory（共回転） |
光化学電子環状反応：HOMOの対称性が逆転する
紫外線照射はポリエンの1電子を基底状態HOMOから基底状態LUMOへ励起し、両軌道の対称性を変化させます。励起によってHOMOの対称性が変わるため、反応の立体化学的結果も変わります。(2E,4E)-2,4-ヘキサジエンは光反応ではdisrotatory経路（熱反応はconrotatory）で環化し、(2E,4Z,6E)-2,4,6-オクタトリエンは光反応ではconrotatory経路（熱反応はdisrotatory）で環化します。
30.3 環化付加反応：Diels-Alderと[2+2]
環化付加反応（cycloaddition reaction）は、2つの不飽和分子が付加して環状生成物を与える反応です。電子環状反応と同様、反応物の軌道対称性によって支配されます。
第14.4節で学んだDiels-Alder環化付加反応は、ジエン（4π電子）とジエノフィル（2π電子）の間で起こる周辺環状過程で、シクロヘキセン生成物を与えます。多くは室温かそれよりわずかに高い温度で容易に進行し、置換基に関して立体特異的です。一方、2つのアルケン間の[2+2]π電子環化付加は熱条件下では起こらず、光照射によってのみシクロブタン生成物を与えます。
フロンティア軌道理論によれば、環化付加反応は一方の反応物のHOMOと他方の反応物のLUMOの間に結合性相互作用が生じるときに起こります。直感的には、一方の反応物が電子を供与し、他方が受容するイメージです（どちらの分子のHOMO・LUMOを基準に選んでも対称性の結論は変わりません）。Diels-Alder反応では、ジエンのHOMOとアルケン（ジエノフィル）のLUMOの対称性が、末端ローブのsuprafacial結合を可能にするため、熱条件下で容易に進行します（第14.4節参照）。一方[2+2]環化付加では、一方のアルケンの基底状態HOMOと他方のアルケンのLUMOの対称性がantarafacial経路を要求し、立体的なひずみのため熱条件では協奏的に進行しません。紫外線照射によって一方のアルケンのHOMOが励起状態（ψ2*）に変わると、もう一方のLUMOとの間でsuprafacial経路が可能になり、光化学的[2+2]環化付加が進行します。
| 電子対の数（二重結合の数） | 熱反応 | 光反応 |
|---|---|---|
| 偶数（[2+2]など） | antarafacial（異面） | suprafacial（同一面） |
| 奇数（[4+2]＝Diels-Alderなど） | suprafacial（同一面） | antarafacial（異面） |
30.4 シグマトロピー転位
3番目の一般的な周辺環状反応であるシグマトロピー転位（sigmatropic rearrangement）は、σ結合した置換原子（または基）がπ電子系を横切ってある位置から別の位置へ移動する過程です。反応物中で1本のσ結合が切れ、結合が移動し、生成物中で新しいσ結合が形成されます。
シグマトロピー転位は[x,y]という表記で分類されます。この数字は、反応物中でσ結合によって連結された2つの基それぞれにおいて、移動が起こる位置番号を示します。
[1,5]シグマトロピー転位：1,3-ジエン上のH原子が、ペンタジエニル基の位置5へ移動 −H（σ結合のH側は常に位置1） → ペンタジエニル基の位置5へ移動 [3,3]シグマトロピー転位：アリル基とビニルエーテル基がそれぞれ位置3へ移動 アリルビニルエーテル →[Δ] γ,δ-不飽和カルボニル化合物（Claisen転位）
電子環状反応・環化付加反応と同様、シグマトロピー転位も軌道対称性に支配されます。立体化学の選択則は環化付加反応と完全に同じであり、suprafacial（同一面を横切る移動）とantarafacial（系の一方の面から他方の面へ移動）の2つの様式があります。
| 電子対の数 | 熱反応 | 光反応 |
|---|---|---|
| 偶数 | antarafacial（異面） | suprafacial（同一面） |
| 奇数 | suprafacial（同一面） | antarafacial（異面） |
[1,5]水素シフト
[1,5]シグマトロピー転位は3組の電子対（2本のπ結合＋1本のσ結合）が関与する奇数系であるため、選択則はsuprafacial（熱反応）を予測します。実際、π系の2つの二重結合を横切る水素原子のsuprafacial [1,5]シフトは最も一般的に観測されるシグマトロピー転位です。5-メチル-1,3-シクロペンタジエンは室温で速やかに1-メチル・2-メチル・5-メチル異性体の混合物へ転位し、5,5,5-トリジューテリオ-(3Z)-1,3-ペンタジエンを加熱すると重水素が位置1と5の間でスクランブルします。これらの熱[1,5]水素シフトに対して、熱[1,3]水素シフトは知られていません。[1,3]シフトが起こるとすればひずんだantarafacial経路をたどる必要があるためです。
Claisen転位とCope転位
最も有用な2つのシグマトロピー転位は、アリルアリールエーテル（またはアリルビニルエーテル）のClaisen転位と、1,5-ヘキサジエンから異性体の1,5-ジエンへのCope転位です。Diels-Alder反応とともに、これら2つの転位は有機合成において最も汎用性の高い周辺環状反応であり、数千の例が知られています。いずれも[3,3]シグマトロピー転位（3組の電子対が関与する奇数系）であり、熱条件下でsuprafacial経路をたどる6員環状の遷移状態を経て一段階で進行します。
Cope転位の応用として、二重結合の隣に−OH基を持つ1,5-ジエンを強塩基（水素化カリウムKHなど）と反応させてオキシアニオンに変換し、続いてCope転位を起こさせ、最後に水で処理してエノールをアルデヒドへタウトメリ化するオキシ-Cope転位（Oxy-Cope rearrangement）は、通常のCope転位よりもはるかに広い適用範囲を持つ重要な合成手法です。
30.5 周辺環状反応のルールのまとめ
3種類の周辺環状反応（電子環状反応・環化付加反応・シグマトロピー転位）の選択則をすべて並べると、1つの記憶法に蒸留できます。
| 電子状態 | 電子対の数 | 立体化学 |
|---|---|---|
| 基底状態（熱反応） | 偶数 | Antara−con（antarafacial／conrotatory） |
| 基底状態（熱反応） | 奇数 | Supra−dis（suprafacial／disrotatory） |
| 励起状態（光反応） | 偶数 | Supra−dis（suprafacial／disrotatory） |
| 励起状態（光反応） | 奇数 | Antara−con（antarafacial／conrotatory） |
Chemistry Matters：ビタミンD――「サンシャインビタミン」の周辺環状反応
ビタミンDは1918年に発見された、コレカルシフェロール（ビタミンD3）とエルゴカルシフェロール（ビタミンD2）という2つの関連化合物の総称です。いずれもステロイド由来で、五員環に結合する炭化水素側鎖の構造のみが異なります。コレカルシフェロールは主に乳製品・魚類由来、エルゴカルシフェロールは一部の植物由来です。
体内でのビタミンDの役割は、腸管でのカルシウム吸収を促進することにより骨の石灰化を制御することです。ビタミンDが十分にあるとき摂取カルシウムの約30%が吸収されますが、ビタミンDが欠乏すると吸収率は約10%まで低下し、小児ではくる病、成人では骨粗しょう症の原因となります。
食品中にはビタミンD2・D3そのものは存在せず、前駆体である7-デヒドロコレステロールとエルゴステロールが含まれています。日光を浴びると、皮膚の表皮層でこれらの前駆体が活性型ビタミンへ変換されます。これが「サンシャインビタミン」という別名の由来です。
まとめ：第30章 周辺環状反応
本章のまとめ：マクマリー有機化学を通じて
第30章は、第14章の共役系・分子軌道論と第30章の周辺環状反応を結びつけ、極性機構・ラジカル機構と並ぶ「第三の反応機構」を体系化しました。求核剤・求電子剤という枠組みでは説明できない反応も、軌道の対称性という1つの物理的な原理で統一的に予測できる――これは有機化学が単なる反応の暗記ではなく、量子力学に基づく論理的な学問であることを最もよく示す章です。第29章の生体代謝（見慣れた反応機構の組み合わせ）と対をなす形で、第30章は「機構不明」とされた反応すら厳密な規則に従うことを示しています。