有機ホウ素化合物は、ホウ素置換部位を様々な官能基へと変換できるため、有機合成において中間体として利用できる重要な化合物群です。そこで、容易に有機ホウ素化合物を合成する手段として、C-H結合の活性化およびそれを利用した脱水素的炭素-ホウ素カップリング反応に関する研究は、近年ますます注目を集めている熱い分野です 。^[1]

触媒

本反応は、基本的には熱力学的に好ましい反応（例えば、ベンゼンとホウ素化合物間での脱水素的カップリング反応では、ΔG°₍₂₉₈₎ = −3.7 kcal·mol⁻¹)ですが、活性化障壁が大きいため(Δ^⧧G°₍₂₉₈₎ = 31.3 kcal·mol⁻¹）に、触媒を必要とします。そこで、本反応を促進する触媒としていくつかの遷移金属錯体がこれまでに報告されており、これらは主にIrやRhと言った比較的高価な金属を含んでいます。 では、金属を用いないでC-H結合を活性化し、さらにホウ素化を行うことは可能なのでしょうか？

典型元素触媒

ごく最近、Laval大学（カナダ）のFontaineらのグループによって、典型元素化合物を触媒とする脱水素的炭素-ホウ素カップリング反応が報告されたので、紹介したいと思います。

Marc-André Légaré, Marc-André Courtemanche, Étienne Rochette, Frédéric-Georges Fontaine, Science 2015, 349, 513-516, DOI:10.1126/science.aab3591

著者らは、ベンゼン環のオルト位にテトラメチルピペリジニル基とホウ素（BH₂）部位を導入したフラストレイテッドルイスペア（FLP）1を合成しています。^[2] 1は三中心ニ電子結合を含むジボラン構造をしていますが、溶液中、加熱条件下では、単量体として機能します。

 

 

まず、1（0.5当量）とN-メチルピロールとの反応から、ピロール内の窒素に隣接する炭素（２位）とホウ素が脱水素的に結合を形成することを確認しました。次に、生成した化合物 2とピナコールボラン（H-Bpin）の反応を検討し、その結果、Bpin基が置換したピロール3aを得ています。この時、1が再生していることが確認できたことから、1を触媒として利用できると考えたんですね。

 

 

 

ここで通常なら、いろんな官能基を持つピロールやら他のヘテロ環化合物をさっさと試すところでしょうけど、著者らは、様々な官能基を持つ化合物を添加した反応を検証しています。この手法は、2013年にGloriusらがNature Chemistryに報告した、新しい「化学反応の汎用性検証法」に沿ったアプローチですね。^[3] 試した化合物とその結果は以下の通り（原著SIより引用）。

 

 

得られた結果をもとに、実際にいくつかピロール、チオフェン、フランのホウ素化を検討しています（下図、原著論文より）。反応の選択性は、脱離する水素の酸性度ではなく、基質内の電子密度分布や炭素の求核性に依存するようです。

 

 

また、理論計算を基に、著者らは以下の反応機構を提案しています。
(1) FLPによるTS1を経たC-H結合の切断
(2) 分子内イオン対状態（Int）から、水素の脱離による2の生成
(3) 2とH-Bpin間のσ結合メタセシス（TS2）を経て、1′および化合物3の生成。
さらに、重水素ラベル実験によって、ステップ１及びステップ２どちらも反応速度に影響を与えていることを確認しています。

 

 

ステップ３の遷移状態（TS2）は、ボリル置換イリジウム触媒によるC-H結合活性化機構とよく類似しています（下図：A）。^[4] また、B-H、B-C結合とH-H及びH-Si結合間のメタセシスは既に報告（提案）されており（下図：B、C）^[5]、今後、この機構を基軸とした金属を用いない触媒反応がさらに開発されることでしょう。

 

 

著者らは最後に、FLPを用いたC-H結合活性化は、ホウ素化以外の触媒的カップリング反応にも適応できるだろうと示唆しています。sp²炭素－水素以外の結合の活性化から官能基化まで行える新しいメタルフリー触媒反応も、近い将来どんどん出てきそうですね。

 

参考文献

1. I. A. Mkhalid, J. H. Barnard, T. B. Marder, J. M. Murphy, J. F. Hartwig, Chem. Rev. 2010, 110, 890–931. DOI: 10.1021/cr900206p
2. D. W. Stephan, G. Erker, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 46–76. DOI: 10.1002/anie.200903708
3. Karl D. Collins, Frank Glorius, Nat. Chem. 2013, 5, 597-601. DOI: 10.1038/NCHEM.1669
4. M. A. Larsen, J. F. Hartwig, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4287–4299. DOI: 10.1021/ja412563e
5. (a) Y. Wang, W. Chen, Z. Lu, Z.-H. Li, H. Wang, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 7496 – 7499. DOI: 10.1002/anie.201303500 (b) G. I. Nikonov, S. F. Vyboishchikov, O. G. Shirobokov, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5488 – 5491. DOI: 10.1021/ja300365s

 

外部リンク

• Fontaine group

 

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