有機合成にはさまざまな触媒反応が報告されています。ですが、触媒量の範囲は結構あいまいである気がします。当然、触媒量は少なくなるにこしたことはないんですが、いったいどこまで減らすことがでいるのでしょうか？今回は鈴木カップリング反応に関する論文を紹介します。

　1981年，鈴木，宮浦らはパラジウム触媒、塩基の存在下，フェニルボロン酸と臭化ア リールからビアリールが高収率で得られることを報告しました(Scheme 1)¹⁾ 。ビアリール系芳香族化合物は，生理活性物質，医薬品，液晶などの機能性材料および 超分子化合物などの炭素骨格を成す重要な化合物です。そのため鈴木カップリング反応はビアリール構築法として多方面で利用され，有機合成上重要な反応の一つです。実際、企業化されているPd触媒交差カップリングの半分以上を占めるという実績があります。

Scheme 1. Suzuki-Miyaura Coupling

　考えられているメカニズムをScheme 2. に示します。このように遷移金属触媒、特にPdの存在が不可欠であると考えられてきました。しかし…

 
　鈴木カップリング反応に必要不可欠であると考えられていたPd触媒ですが、2003年、遷移金属触媒の添加を必要としない鈴木カップリングタイプの反応が報告されました(Scheme 3)^{2), 3)}。

Scheme 3. Transition-Metal-free Suzuki-Type Coupling Reaction

 　
　反応条件は四級アンモニウム塩であるTBAB (tetrabutylammonium bromide)を添加剤に、溶媒は水、塩基には炭酸ナトリウム、マイクロウエーブ(μw)照射下といったところです。
  
　マイクロウエーブ照射下というのは聞きなれない方も多いと思います。一言で説明するならば電子レンジのよる加熱を行うと言ったら一番イメージしやすいでしょうか？
　マイクロ波を照射した状態で有機化学反応を行うと電磁波による分子レベルの昇温が早まり、外部加熱に比べて反応に要する時間が飛躍的に短縮します。また表面や界面での極性分子も迅速に集中加熱されるため、その場の化学反応は促進され、これまでの外部加熱による固体表面の触媒反応と類似したプロセスで反応が進行するとされています。
　このマイクロ波有機合成は、特にグリーンケミストリーの見地から注目され、1990年代後半から非常に活発に研究がなされています⁴⁾。
　機会があれば（しっかり勉強できれば）新たにトピックとして報告したいと思います。
 
　話は元に戻りまして、
　もちろん、遷移金属が含まれていないこと(混入していないこと）を示すために新しいガラス容器、器具、反応剤を使用したり・・・また、反応系内についてはICP-AESを用いた微量元素分析を行い、Pdは検出限界(0.1 ppm)以下であること、他の金属元素についても分析し特に鈴木カップリング反応の触媒活性を示すNi, Pt, Cu, Ruに関しても1 ppm以下であることを確かめています。

　しかし、今年（2005年）になってその修正版ともいえる論文を報告しました⁵⁾。
　オチを始めに言ってしまいますと塩基として用いていた炭酸ナトリウム(Na₂CO₃)に極微量のPdが含まれていたというのです。その量なんと20〜50 ppbレベル。

 
　これは筆者らが以前に微量元素分析として用いた分析機器より検出限界が数100〜数1000倍というICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, 誘導結合プラズマ質量分析法)を利用したことでわかりました。
 
　ppbとはあまり一般的ではありませんが環境汚染物質や残留農薬、食品添加物の量 を表すときによく使われる濃度や割合を示すれっきとした単位です。
　パーセント(%)という単位は、ppc、正確にはpart per cent のことで、100分の1を表します
　ppm、ppbも同じことで、それぞれ part per million、part per billion の略です。Million は100万を、billionは10億を意味しますから、ppmは100万分の1で0.0001％、ppbは10億分の1で0.0000001％となるわけです。
 
　では、どのようにして20〜50 ppbという極微量Pdが生成物の収率に影響しているという結論に至ったのでしょう？
 
　先ほどのPd触媒の添加を必要としない反応条件では塩基は炭酸ナトリウムを使っていました。炭酸ナトリウム以外の塩基(炭酸カリウム)を試してみたところ低収率でした。そこで用いた塩基を超純水に溶かし反応系内と同スケールに 調製後、Pd濃度を測定しました。結果、炭酸ナトリウム(Na₂CO₃)溶液ではPd濃度は20〜50 ppbであるのに対し、炭酸カリウム(K₂CO₃)ではPd濃度は0.09 ppb。

　
　筆者らは塩基に含まれる極微量のPdによって生まれるPd濃度の差 によって収率が変化しているのでは？と考え以下の実験を行いました(Scheme 4.)。

Scheme 4. 塩基とPd濃度による収率の変化

　4-bromoacetophenoneとphenyl bronicacidとのカップリング反応を以前と同様の条件下、塩基に炭酸カリウムを用いて反応を行いました。結果、非常に低収率(<5%)であったのですが、そこに酢酸Pdを100ppb(これはPd濃度50 ppbに相当します)加えると収率の大きな向上が見られました。
　
　こうして塩基として用いた炭酸ナトリウム中の50 ppbレベルのPd濃度が触媒として働き、生成物の収率に影響していることがわかったわけです。
　結局、遷移金属触媒の添加は必要ないものの、Pdが触媒として働いていたわけですが、Pd触媒 0.0000008 mol%, TON = 1250000という驚くべき極微量触媒量だといえると思います。
　

　さて、今までは無機試薬（炭酸ナトリウム）の中に含まれている遷移金属が触媒となって働くケースでしたが、金属試薬中に含まれる微量成分が触媒or負触媒になる例を紹介したいと思います。 　
　
　1978年、高井、内本らはカルボニル化合物のメチレン化反応を報告しました(Scheme 5.)。
　

Scheme 5. カルボニル化合物のメチレン化反応

　
　しかし、後になって収率に関し再現が取れないとの指摘を受けます。
　調査の結果、用いた亜鉛粉末に相違がありました。高井らのグループではWako社(Japan)の亜鉛を、そして再現が取れなかった方はAldrich社(U.S.)のものを使用していました。
　国が違えば金属亜鉛の精製法も異なる手法であるわけでして、金属亜鉛の精製過程で残存する微量の鉛および鉛塩がこの反応を加速することを突き止めています。
　と、同時にSimmons-Smith反応(Scheme 6)、アルキル亜鉛試薬の 調製においてはこの触媒量の鉛は変換速度を低減させ負触媒として働くと報告しています^{6), 7)}。

Scheme 6. Simmons-Smith反応

　（2005.5.30. ホットケーキ）

1) N. Miyaura, T. Yanagi, A. Suzuki, Synth. Commun.,1981 11, 513.
2) Leadbeater, N.E.; Marco, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2003, 42, 1407
3) Leadbeater, N.E.; Marco, M. J. Org. Chem. 2003, 68, 5660
4) 柳田　祥三, 松村　竹子 化学を変えるマイクロ波熱触媒　化学同人　(2004)
5) Riina K. Arvela, Nicholas E. Leadbeater, Michael S Sangi, Victoria A. Williams, Patricia Granados, and Robert D. Singer. J. Org. Chem. 2005, 70, 161-168
6) 有機合成化学協会誌　第56巻第8号　(1998) p632
7) Kazuhiko Takai, Tadahiro Kakiuchi, Yasutaka Kataoka, Kiitiro Utimoto. J. Org. Chem. 1994, 59, 2668-2670
  

・Boronic Acids

・Palladium Reagents and Catalysts

パラジウム化合物を用いる有機合成反応をこの分野で非常に著名な辻二郎先生が書いた本。
過去35年のorganopalladium化学の研究、反応メカニズムに従ったすべての反応の合理的な分類、パラジウム触媒反応のリミテーションなど盛りだくさんです。

・Transition Metal Reagents and Catalysts

・鈴木ビニルカップリング反応(Suzuki Coupling)

関連するパラジウムを用いたカップリング反応

・根岸カップリング

・薗頭−萩原アセチレンカップリング反応(Sonogashira Coupling)

・カルボニル化によるカルボン酸誘導体合成

・Stilleアセチレンカップリング反応

・Stilleクロスカップリング(Stille Cross Coupling)

・パラジウムと有機合成

ここ２、３年の中で特にパラジウム金属錯体を使った有機合成は大きな進展をみせている。よって今回は遷移金属の中でもパラジウムを使った有機合成についてまとめ、説明してみよう。

・ひらめききらめく:/1 「創」のとき、夢の鼓動 /北海道 （ケムステニュース より）

海外で注目、有機合成化学−−北大名誉教授・鈴木章氏

・パラジウム - Wikipedia

・Boronic acid compounds for suzuki coupling reaction (PDF file)

 和光純薬のホウ素化合物一覧。

・炭素をつなぐ最良の方法・鈴木カップリング （有機化学美術館 より）

■鈴木ビニルカップリング反応

パラジウム触媒を用い、ビニルホウ素化合物と有機ハロゲン化合物をクロスカップリングさせて、置換オレフィンを合成する反応。

■遷移金属

周期表の３Ａ〜７Ａ、８および１Ｂに属する元素 。

　
有機金属化学事典―遷移金属

■Pd（Wikipedia）

パラジウム(Palladium)。原子番号 46 の元素。白金族元素の一つ。貴金属にも分類される。

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■マイクロ波を用いた有機合成

従来法に比べマイクロ波反応では反応速度が劇的に増加する場合がある。

　
化学を変えるマイクロ波熱触媒

電子レンジのマイクロ波が化学の世界を革新する! 電子レンジから生まれたスピーディーでクリーンな驚異の化学合成法とは。「マイクロ波式有機反応実験装置」を用いた実験結果も盛り込む。

■ICP-AES

誘導結合プラズマ発光分光分析：Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy

物質中の成分をプラズマ発光させ、分光することによって含まれる元素を分析する。

　
ICP発光分析の基礎と応用

測定の際の注意、分析上の問題点等を詳述。
地球化学・環境・生体試料や工業分析に広く用いられるICP発光分析法を詳述。装置、測定法、前処理、定性・定量分析、分析上の問題点を解説、各種応用例を示す。

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■負触媒

反応速度を減少させる働きをする触媒 。

■Simmons-Smith反応

CH₂I₂-Znを用いるオレフィンのシクロプロパン化反応。 通常、亜鉛を銅塩または銀塩で活性化して用いる。