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化学者のつぶやき

同位体効果の解釈にはご注意を!

化学反応の機構解析に威力を発揮する一つが速度論的同位体効果(KIE)の測定。ざっくり述べると、「重い同位体を含む結合を切る化学反応は、軽い同位体の反応に比べて速度が遅くなる現象」です。

KIEを適切に測定すると、どの結合がどの段階で切れているかに加え、遷移状態・律速段階などに関わる貴重な情報が得られます。とりわけ近年の一大研究領域である触媒的C-H活性化反応では、変換標的が炭素-水素結合であること、重水素置換はKIEを大きな値として観測しやすいことから、機構解析のスタンダードとして使われるまでになっています[1]。

しかし、有機金属化学の大家・J.F.Hartwig教授はこの潮流をうけ、「実情はそれほど単純ではなく、KIEの解釈には気をつけなければならない」と警鐘する旨の論説を発表しています。すこし専門的ながら興味深い話ですので、かいつまんで紹介してみましょう。

On the Interpretation of Deuterium Kinetic Isotope Effects in CH Bond Functionalizations by Transition-Metal Complexes
Simmons, E. M.; Hartwig, J. F. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 3066. DOI: 10.1002/anie.201107334

※今回の記事では「KIE=一次の速度論的同位体効果」とします。

KIEだけで律速段階は分かるのか?

『KIEが観測されている=律速段階はC-H結合の切断である』と結論している間違いが非常に多い、と著者らはまず述べています。

C-H活性化の機構解析に汎用される実験法は、以下の3パターンに大別されます。

KIE_alert_2

反応式は論文から引用

このうちA型実験はそもそも精密測定が難しく手順も面倒で、厳密にやる人は多くありません。一方のB・C型実験は、実験誤差を少なく出来、特殊な実験手順を設定せずとも良いことが利点です。とにかく簡便に解析できるため非常に好まれる傾向にあり、B・C型データだけで結論を導いている論文も、実に多く見られます。

しかしながら、「KIEが観測される=C-H結合の切断が律速段階である」ことの論拠として妥当なのは、A型実験による結果だけです。ここは理解しておくべきでしょう。一見して同じことを調べている実験ですが、厳密に同じアウトプットを出していないのです。

 

反応によってKIE観測パターンが違ってくる?

実例を示すべく著者らは、以下の5ケースを取り上げ、エネルギー図付きでKIEの出方がまったく違うことを論じています。


さらに現実的なデータ解釈時には、触媒条件であればinduction periodの介在、触媒失活、定常状態近似から外れるなどで、反応速度が影響を受けやすいことにも留意する必要があります。見落としがちですが、B・C型実験をNMR解析する場合、重水素の分子間クロスオーバーが起きている可能性も考慮しておかねばなりません。他にもいろいろポイントが挙げられていますので、詳しくはエッセイをご覧ください。

 

解釈に注意を要する実例

こういった事情ゆえに、A~Cのうち特定のKIE測定を行うだけでは、結論が導けないケースが多々考えられます。相当する事例が文中でいくつか取り上げられています。

KIE_alert_4

反応式は論文から引用

たとえば上の事例[2]では(a)式でC型、(b)式でB型のKIE測定が行われており、それぞれ記載の値が得られています。

仮にC型実験しかやらなければ「C-H結合切断過程が律速である」とのミスジャッジを得がちなのですが、B型実験のKIE値を見ると単純に結論できないことが分かります。

事実この反応は、C-Cl結合への酸化的付加が律速段階(すなわち③のケース)に相当すると結論づけられています。

このような例からも、反応機構を厳密に議論したければA・B・C型実験を一通り実施することが必須と言えます。「簡単に終わって楽に済む実験で、拙速に結論を得ようとする姿勢は、どんなことでも要注意であるなぁ・・・」と考えさせられたりします。

反応開発に取り組む機会のある研究者の方々(特に専門分野的に少しズレてる方や、解析経験の少ない学生さん)は、是非一読されてはどうでしょうか。とっても有意義なエッセイだと思います。

 

関連文献

  1. (a) Gómez-Gallego, M.; Sierra, M. A. Chem. Rev. 2011, 111, 4857. DOI: 10.1021/cr100436k (b) Jones, W. D. Acc. Chem. Res. 2003, 36, 140. DOI: 10.1021/ar020148i
  2. Geary, L. M.; Hultin, P. G. Eur. J. Org. Chem. 2010, 5563. DOI: 10.1002/ejoc.201000787

関連書籍

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博士(薬学)。Chem-Station副代表。現在国立大学教員として勤務中。専門は有機合成化学、主に触媒開発研究。 関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。 素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

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