[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

炭素をBNに置き換えると…

[スポンサーリンク]

有機化学の主役元素といえば、炭素であることに異論を唱える人はいないでしょう。アルカンやベンゼンをはじめ、有機化合物の主骨格は炭素であり「炭素を中心として考える」のが有機化学の基本です。しかし一方で、有機化学には炭素以外の元素がなくてはならないことも言をもたない事実です。現代の有機化学ではあらゆる元素を駆使して多種多様な研究が展開されています。

たとえば「化合物中の炭素原子を他の元素に置き換える」という研究もその1つです。

ご存知のように6つの炭素骨格からなるベンゼンの炭素原子1つを窒素に”置き換えた”ピリジンはベンゼンとは全く異なった性質を示します(図1)。

 

図1

図1 ベンゼンとピリジン

 

炭素だけの5員環であるシクロペンタジエンは脱プロトン化し、アニオンとなると6π電子をもつため芳香族性を示します。一方で、シクロペンタジエンの炭素を1つ窒素、酸素、硫黄に”置き換えた”、ピロールやフラン、チオフェンといったヘテロ芳香環はヘテロ原子の非共有電子対がπ共役系に参加することで電子的に中性な状態で芳香族性をもちます。

上記に述べたものは、置き換えなくとも既に存在していた化合物ですが、化学合成の力で置き換え、未知の化合物をつくる研究が昔より行われています。例えば、ボロールやシロール、ホスホールなど、ホウ素、ケイ素、リンに元素に置き換えた5員環も合成されています。また、ゲルマニウム、スズ、最近では鉛といった炭素と同じ14族の原子を一つ含む芳香環が合成されたことが話題になりました(図2)[1]。

 

図2. 様々なヘテロ芳香環

図2. 様々なヘテロ芳香環

 

炭素をホウ素と窒素で置き換えた化合物

さて、そんな「元素置き換え研究」の中の1つとして、炭素原子をホウ素と窒素で置き換えた化合物も古くから注目されています。例えば、ベンゼンの炭素をすべて窒素とホウ素に置き換えた、ボラジン(borazine)が最も有名で、1926年と100年近く前に合成されています。ボラジンはベンゼンと同じ電子構造をもつにも関わらず、電子不足なホウ素と電子豊富な窒素に由来する電荷の偏りがあり水やアルコールに対し高い反応性を示すことが知られています(図3左)。

では、ベンゼンと同じ六員環の飽和炭化水素であるシクロヘキサンを窒素とホウ素で置き換えた化合物をご存知でしょうか?この化合物はシクロトリボラザン(cycloborazane)といいます。1960年にG. H. DahlとR. Schaeffによって合成されました[2]。この化合物もシクロヘキサンに比べ反応性が高い(当たり前かもしれませんが)ということ以外には詳細な研究例はありません(図3右)。

 

図3

図3. CをBNにすべて置き換える

 

シクロヘキサンの炭素原子を2つだけ置き換える:1,2-BNシクロヘキサン

ではシクロヘキサンの2つの炭素原子だけを一組のBNに置き換えた化合物1,2-BNシクロヘキサン(1,2-BN cyclohexane)はどうでしょうか?実は、2011年になってはじめて合成が達成されたのです[3]。こんな単純な化合物がごく最近まで合成されていなかったなんて少し驚きますね。方法は以下に図のみ示します(図4. 詳細は論文にて)。

 

図4

図4. 1,2-BNシクロヘキサンの合成と構造

 

この1,2-BNシクロヘキサンはシクロヘキサンと同様にイス型のコンホメーションをとりますが、ボラジンやシクロボラザンのように炭素原子と置き換えられたBNによってシクロヘキサンにはない反応性を示します。塩酸と容易に反応したり、加熱することによって3量化してBNからなる6員環を形成したりします(図5)。このように炭素原子を主骨格とする元の化合物と同じ構造をとる一方で、全く異なった反応性を示す分子が創成できるのがこの研究の醍醐味の一つではないでしょうか。

 

図6

図5. 1,2-BNシクロヘキサンの反応

 

シクロヘキサンの炭素原子を4つ置き換える: ビスBNシクロヘキサン

今年(2015年)に入って、シクロトリボラザンと1,2-BNシクロヘキサンの中間の化合物であるビスBNシクロヘキサンの合成が報告されました(図6)[4]。この合成によってシクロヘキサンのBNシリーズが全て合成されたことになります。この化合物はC, B, Nを2つずつ含む対称な分子であり、他の化合物同様にイス型のコンホメーションをとる極めてシンプルな化合物です。

 

図5

図6. ビスBNシクロヘキサンの合成と構造

 

この化合物はただ構造が面白いだけではありません。150 °Cという高温に晒されても分解などを起こさない一方で、パラジウムやルテニウム触媒を作用させることにより速やかに2量化して2当量の水素ガスを放出します(図7)。同じBNシクロヘキサンシリーズであるシクロトリボラザンや1,2-BNシクロヘキサンは150 °Cで分解してしまうのに対し、このビスBNシクロヘキサンは熱安定性が高く、燃料電池自動車などに搭載する水素貯蔵剤として有用な材料となり得ると著者らは述べています。また、2量化の形式がパラジウム触媒を用いた場合とルテニウム触媒を用いた場合で異なるという奇妙な挙動を示します。

 

図6

図 7. ビスBNシクロヘキサンの2量化と水素の放出

 

以上今回は、環状の炭素化合物を窒素とホウ素に置き換えた化合物について紹介しましたが、BNに限らず炭素以外の元素は山ほどあります。

化合物の炭素原子を他の原子に置き換えるという研究は、前人未到化合物への挑戦だけでなく未知の機能を有している可能性があるため面白いです。何より、合成や物性、機能を求めるのは難しいこともあるかもしれませんが、非常にわかりやすい!役に立つ立たないという議論は最近よく聞かれますが(もちろん役に立ったほうがよりよいですが)こういった化学者の興味で動ける基礎研究がなくならないでほしいと切に思います。

次は何が出てくるのか、わくわくします。

 

参考文献

  1. Saito, M. et al. Science 2010, 328, 339. DOI: 10.1126/science.1183648
  2. Dahl, G. H. et al. J. Am. Chem. Soc. 1961, 83, 3032. DOI: 10.1021/ja01475a014
  3. Liu, S.-Y. et al. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 13006. DOI: 10.1021/ja206497x
  4. Liu, S.-Y. et al. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 134. DOI: 10.1021/ja511766p

 

関連書籍

[amazonjs asin=”0470450339″ locale=”JP” title=”Organo Main Group Chemistry”]
Avatar photo

bona

投稿者の記事一覧

愛知で化学を教えています。よろしくお願いします。

関連記事

  1. 有機合成化学協会誌2019年5月号:特集号 ラジカル種の利用最前…
  2. ケムステタイムトラベル2010 ~今こそ昔の記事を見てみよう~
  3. 触媒的不斉交差ピナコールカップリングの開発
  4. ニッケル-可視光レドックス協働触媒系によるC(sp3)-Hチオカ…
  5. 【CAS プレジデント登壇】CAS SciFinder フォーラ…
  6. AI分子生成の導入と基本手法の紹介
  7. ケムステV年末ライブ2023開催報告! 〜今年の分子 and 人…
  8. 第22回ケムステVシンポ「次世代DDSナノキャリア」を開催します…

注目情報

ピックアップ記事

  1. ポンコツ博士の海外奮闘録② 〜博士,鉄パイプを切断す〜
  2. アメリカで Ph.D. を取る –結果発表ーッの巻–
  3. 嘉部 量太 Ryota Kabe
  4. 英語で授業/発表するときのいろは【アメリカで Ph.D. をとる: TA 奮闘記 その 1】
  5. 自動車用燃料、「脱石油」競う 商社、天然ガス・バイオマス活用
  6. 本多 健一 Kenichi Honda
  7. 脂肪燃やすアミノ酸に効果 「カルニチン」にお墨付き
  8. 西川俊夫 Toshio NISHIKAWA
  9. 第135回―「量子電気力学から光と分子の相互作用を理解する」David Andrews教授
  10. 有機合成化学協会誌2025年2月号:C–H結合変換反応・脱炭酸・ベンゾジアゼピン系医薬品・ベンザイン・超分子ポリマー

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2015年3月
月 火 水 木 金 土 日
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031  

注目情報

最新記事

光前駆体法の活用によって、ヘプタセンで初の一重項分裂を観測!

第725回のスポットライトリサーチは、京都大学大学院 理学研究科化学専攻 有機元素化学研究室(山田研…

【スタッフ・寄稿募集】Chem-Stationで、化学を「伝える側」になりませんか?

Chem-Station(ケムステ)は2000年に開設された国内最大の化学ポータルサイトです。大学・…

第17回大津会議―とある参加者の記録―

2026年9月28日~29日に開催された第17回大津会議についての、とある参加者の記録です。この記事…

第17回大津会議 -Otsu Conference- 2026 開催報告 ~新体制で紡ぐ「有機合成の夢」~

第17回大津会議が2026年9月28日(月)〜9月29日(火)びわ湖大津プリンスホテルにて開催されま…

有機合成化学協会誌2026年10月号:医薬品プロセス開発・σ芳香族性・含窒素複素環・メロテルペノイド二量体・高歪み化合物

有機合成化学協会が発行する「有機合成化学協会誌」2026年10月号がオンラインで公開されています。…

時代は水だ! セメントのように水と混ぜるだけで成形・硬化できる「水硬性」高分子

第724回のスポットライトリサーチは、東京科学大学物質理工学院(大塚研究室)博士前期課程2年の徳満玲…

複雑さを設計して、結晶の動きをプログラムする

第723回のスポットライトリサーチは、高知工科大学大学院工学研究科(林研究室) 博士後期課程3年の樋…

ハロゲンの力で強力な結合を切断!天然物クマリンから医薬品・機能性材料原料のクマラノン類へ

第 722 回のスポットライトリサーチは、立命館大学大学院薬学研究科薬学専攻 精密合…

観察を写真で残す!カメラ内蔵リアクタ EasyMax 102i を使ってみた

反応の温度も、攪拌(かくはん)も、滴下も、サンプリングもいまや自動で記録される時代になりました。とこ…

ケムステ人気新着記事 トップ 5【2026年9月版】

2026年9月にケムステでは21本の新しい記事を公開しました。この記事では、その新着記事の中から、ペ…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP