[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

フェノールのC–O結合をぶった切る

[スポンサーリンク]

 

化石燃料の枯渇が問題視される昨今、環境調和や再生可能エネルギーの観点からバイオマス燃料に注目が集まっています。しかしながら、バイオマス燃料の原料であるセルロースやリグニン(図1)は高度に酸化された物質群であるためにエネルギー変換効率が低いという問題があります。そこでより優れたバイオマス原料を利用するために、植物由来バイオマス原料の脱酸素型還元反応の開発が求められています。特に還元剤として水素分子を用いる手法(水素化分解)の開発はアトムエコノミーの観点からも特に重要視されています。

図1 リグニンの構造の一部

図1 リグニンの構造の一部

 

先日東京大学の野崎らによって、フェノール類などのアレノール(Ar–OH)およびアリールメチルエーテル(Ar–OMe)の触媒的水素化分解反応がNature Communicationに報告されていましたので、少し紹介したいと思います。

 

“Direct and selective hydrogenolysis of arenols and aryl methyl ethers”

Kusumoto, S.; Nozaki, S. Nature Commun. 2015, 6, 6296. DOI: 10.1038/ncomms7296

 

作業仮説をたてる

これまでにも遷移金属触媒によるアリールエーテルのC(sp2)–O結合開裂を伴う還元反応は数例報告されているものの、フェノールの脱OH型還元反応は報告例がありませんでした。

野崎らはシクロペンタジエノン-ルテニウム錯体(Shvo触媒[1])が、水素分子のヘテロリック開裂を促進することに着目し、図2に示す触媒サイクルで反応が進行すればフェノールの脱OH型還元反応が実現可能だという作業仮説を立てました。つまり、金属上のヒドリドと配位子上のプロトンが協奏的にフェノールと反応することで、フェノールのC(sp2)–OH結合開裂を伴う還元反応が進行しベンゼンと水が生成するという機構です。

また同様に、アリールエーテルもC(sp3)–OAr結合の開裂を伴うアレノール誘導体生成反応も進行すると考えました。

 

図2. Shvo触媒(左)と本反応の触媒サイクル設計 (右)

図2. Shvo触媒(左)と本反応の触媒サイクル設計 (右)

 

イリジウム錯体を用いたアレノール類の水素化分解

まず筆者らは基質にアレノール誘導体、還元剤として水素分子を用い、200 °C、20時間の反応条件で、5種類の触媒の反応性を調査しました。その結果、触媒A、Cを用いた際、アレノール誘導体の脱OH型還元反応が進行し、効率良くベンゼン誘導体に変換されることがわかりました。なお触媒Bを用いた場合、目的の生成物がほとんど得られなかったことから、本反応においてシクロペンタジエニル配位子のOH基が重要な役割を果たしていることが示唆されています(図3)。

図3. アレノール誘導体の水素化分解反応

図3. アレノール誘導体の水素化分解反応

 

本反応におけるアレノール誘導体の反応性は置換基の位置に大きく依存します。錯体C存在下、p-フェニルフェノールを反応に用いるとほぼ定量的にビフェニルが得られるのに対し、m-フェニルフェノールでは収率50%、o-フェニルフェノールでは収率14%に留まる。また、錯体Aと錯体Cを比較すると錯体Cの方が触媒活性は高く、ジヒドロキシナフタレンを反応に用いた場合(論文:Table 1, Entries 10-13)、錯体A存在下ではナフトールを主生成物として与える一方で、錯体C存在下ではナフタレンが主生成物で得られます。

 

イリジウム錯体を用いたアリールメチルエーテルの水素化分解

本触媒はC(sp2)–OH結合だけでなく、アリールメチルエーテルのC(sp3)–O結合開裂を促進し、アレノール誘導体を与えることがわかりました(図4)。また過反応が進行すると対応するベンゼン誘導体が生成します。例えばp-フェニルアニソールを用いた場合、対応するフェノール体が収率57%、フェニル体が収率20%で生成します。また芳香環上にメトキシ基、ヒドロキシ基、アルキル鎖上にカルボニル部位を有するバニリルアセトンを本反応に適用すると、環還元反応が進行してブチルシクロヘキサンが副生成物として生成するものの、目的の還元体(ブチルベンゼン、メチルインダン)が収率良く得られます。

 

図4. アリールメチルエーテル誘導体の水素化分解反応

図4. アリールメチルエーテル誘導体の水素化分解反応

推定反応機構

筆者らが想定している反応機構を以下に示します(図5)。イリジウム3価錯体1上のヒドロキシシクロペンタジエニルのOH部位とイリジウム上のヒドリドが、フェノールのOH基とそれぞれ相互作用し、中間体2、3を与えます。その後、イリジウム上のヒドリドがフェノールの OH基のイプソ位と相互作用した遷移状態4を経ます。続いて、形式的な還元的脱離によって、水とベンゼンが生成するともに、イリジウム1価が生成します。このイリジウム1価錯体が水素分子とフェノールのOH基を利用した形式的な酸化的付加することにより、イリジウム3価錯体(中間体2)を与えます。

 

図5. イリジウム触媒を用いたアレノール誘導体の水素化分解反応の推定反応機構

図5. イリジウム触媒を用いたアレノール誘導体の水素化分解反応の推定反応機構

 

最後に

今回野崎らは、独自に開発したイリジウム触媒を用いてアレノール誘導体のフリーのC(sp2)–OH結合切断を伴う水素還元反応を世界で初めて報告しました。冒頭に記載した、バイオマス原料を直接水素化分解する条件には程遠いかもしれません。また、未だ反応温度や時間など改善の余地は残るものの、「フェノールからベンゼンへの直接変換が実現した」というインパクトは大きく、学術的価値は高いと思います。実験的には、通常、”No reaction”で終わらせてしまいそうな反応を「水素下、溶媒無しで200度まで熱する」までの条件で反応させたことに脱帽です。ぜひ見習いたいところです。

今後、温和な条件で反応が進行するような新たな高活性触媒の登場など、実用面における更なる発展に期待したいと思います。

 

関連論文

 

外部リンク

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. 「アニオン–π触媒の開発」–ジュネーブ大学・Matile研より
  2. 信頼度の高い合成反応を学ぶ:Science of Synthes…
  3. アルケンのE/Zをわける
  4. 触媒と光で脳内のアミロイドβを酸素化
  5. 化学構造式描画のスタンダードを学ぼう!【応用編】
  6. ケミストリ・ソングス【Part1】
  7. (+)-sieboldineの全合成
  8. “見た目はそっくり、中身は違う”C-グリコシド型擬糖鎖/複合糖質…

注目情報

ピックアップ記事

  1. 電子実験ノートSignals Notebookを紹介します③
  2. ケムステイブニングミキサー2018ー報告
  3. ヴィドマン・ストーマー シンノリン合成 Widman-Stoermer Cinnoline Synthesis
  4. ブラン環化 Blanc Cyclization
  5. 研究室でDIY!ELSD検出器を複数のLCシステムで使えるようにした話
  6. ライオン、フッ素の虫歯予防効果を高める新成分を発見
  7. メーヤワイン試薬 Meerwein Reagent
  8. 超難溶性ポリマーを水溶化するナノカプセル
  9. フルオロホルムを用いた安価なトリフルオロメチル化反応の開発
  10. 超高性能プラスチック、微生物で原料を生産

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2015年4月
月 火 水 木 金 土 日
 12345
6789101112
13141516171819
20212223242526
27282930  

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