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化学者のつぶやき

近傍PCET戦略でアルコキシラジカルを生成する

2016年、プリンストン大学・Robert Knowlesらは、 可視光レドックス触媒を用いることでアルコールから直接的にアルコキシラジカルを発生させることに成功した。また続くC-C結合開裂により、環状3級アルコールからの鎖状ケトン合成を達成した。本反応のキモは分子内プロトン共役型電子移動(PCET)によるアルコールからのアルコキシラジカル生成である。

“Catalytic Ring-Opening of Cyclic Alcohols Enabled by PCET Activation of Strong O–H Bonds”

Yayla, H. G.; Wang, H.; Tarantino, K. T.; Orbe, H. S.; Knowles, R. R.* J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10794–10797. DOI: 10.1021/jacs.6b06517

問題設定と解決した点

 アルコキシラジカルは生成後、水素原子移動(HAT)かβ-開裂のどちらかの反応を起こすことが知られている。有用な合成中間体である一方、ヒドロキシ基O-H結合のBDEの高さ(105 kcal/mol)ゆえ、アルコールからアルコキシラジカルを直接的に発生させる方法はこれまで知られていなかった。

 Knowlesらは培ってきた光触媒によるPCET活性化法を応用することで、この問題への解決を試みた。

 

技術と手法の肝

 本反応の鍵は近傍電子移動を活用したPCET過程にある。

 PCET過程によると、一電子酸化剤とブレンステッド塩基が協奏的に働くことによって、基質からプロトンと電子が同時に奪われ、酸化的にO-H結合の開裂が起きる過程が速度論的に有利となる。

 一方で、近傍にアリールラジカルカチオンを据えておくと、近接したアルコールからアルコキシラジカルが生じる事実が知られている[1]。Knowlesらはこれに着目して検討を行った。

 

主張の有効性検証

①反応条件の最適化

 冒頭図のようなPMP置換シクロヘキサノールを用いて条件検討を行っている。広く用いられているIr(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)(PF6)(1.22V vs SCE)では基質の酸化を行えず、より酸化力の強いIr-dCF3錯体 (1.30V vs SCE、冒頭図)を用いている。

 光・光触媒・ブレンステッド塩基いずれが欠けても反応は進行しない。

 チオフェノールなしでも50%収率で反応は進行することから、おそらくコリジンのベンジル位C-HでHATを起こす経路が競合していると考えられる。

②基質一般性の検討

 非対称化合物を基質とする場合、安定なラジカルを生成する方向で反応は進行する(ヘテロ原子隣接位など)。PMP に近いアルコールと遠いアルコールで、選択的な反応が可能(ステロイドの例)。鎖状アルコールでも同様のβ-開裂を起こしてケトンを与える。ラジカル捕捉剤をチオフェノールから変更することで、各種ハロゲン化も可能。PMP置換位置はアルコールα位でなくてもよく、γ位程度までは許容される。

③反応機構に関する示唆

 Stern-Volmer実験により、励起状態にあるIr(III)触媒と基質間との電子のやり取りは、PMPの1電子酸化のみであることを示している。

 続くO-H結合の開裂は、PT/ETでなく、PCETで進行していると考察されている。アルコールプロトンををコリジンで引き抜く過程が不利である(ΔGo = +34 kcal/mol)こと、Ir(II)とアリールラジカルカチオンの逆反応が有利である(ΔGo = -53 kcal/mol)ことを理由として挙げている。

 PCETの過程はエネルギー的に有利であり(ΔGo = -1 kcal/mol)、δ位より遠隔にPMPが存在すると反応が進行しづらく成るという実験結果ともおおむね一致する。

 また、アリール基をPMPから他の電子豊富なものに変え、塩基との組み合わせも様々に変えてBDFEごとに反応進行を調査している。その結果、102 kcal/mol近くかそれを超える組み合わせでは反応は進行することがわかった。PCET が起こるか否かを予測するのに有用な情報といえる。

冒頭論文より引用

議論すべき点

  • この概念をHAT触媒に応用することを考えた場合、光触媒とPMP基の間で電子移動起こるかどうかをまず調べるのが効率的。Mechanism-Based Screening はこの目的にかなり使い勝手の良い考え方となる。
  • アルコキシラジカルからC-C 開裂とHAT が起こる速度もいろいろと調べられている。

参考文献

  1. Baciocchi, E.; Bietti,M.; Lanzalunga, O. Acc. Chem. Res. 2000, 33, 243. DOI: 10.1021/ar980014y
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cosine

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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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