[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

クロロラジカルHAT協働型C-Hクロスカップリングの開発

[スポンサーリンク]

2016年、プリンストン大学・Abigail G. Doyleらは、可視光レドックス触媒とニッケル触媒を併用することで、系中生成したクロロラジカルを水素移動触媒(HAT)として用いるC(sp3)-Hクロスカップリング反応を達成した。

“Direct C(sp3)−H Cross Coupling Enabled by Catalytic Generation of Chlorine Radicals”

Shields, B. J.; Doyle, A. G.* J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 12719-12722. DOI: 10.1021/jacs.6b08397 (アイキャッチ画像は冒頭論文より引用)

問題設定と解決した点

 クロロラジカルは不活性なアルカンのC(sp3)-H結合を活性化できるが、一般的には塩素ガスやNCSなどの高活性試薬から発生させる。このような条件はは共触媒の失活やアルキルラジカルのクロロ化など、望ましくない反応につながる可能性がある。ゆえに精密有機合成に用いるには、温和な条件下、安定な前駆体からクロロラジカルを生じさせることが望まれる。

 その一方で、高原子価遷移金属ハライド、特にNi(Ⅲ)トリクロリド錯体[1]から、光照射下にクロロラジカルが放出されることが知られていた。

 Doyleらはこの塩化ニッケル錯体の光照射によるクロロラジカル生成、引き続くC-H引き抜き過程を通じてアルキルラジカルを系中生成させ、C(sp3)-Hクロスカップリングへと用いることを達成した。

技術や手法のキモ

想定触媒サイクル(冒頭論文より引用)

上図のような触媒サイクルを想定し、反応を開発した。

まず、Ni(0)にAr-Cl結合が酸化的付加しNi(Ⅱ)錯体を生じる()。ここで、光励起されたIr(Ⅲ)(E1/2 =1.21 V vs SCE in MeCN)()がNi(Ⅱ)錯体(Ep = 0.85 V vs SCE in THF)を酸化し、Ni(Ⅲ)錯体が生じる()。このNi(Ⅲ)錯体から光照射下でクロロラジカルが放出され()、HATとして働き(BDE:H-Clは102 kcal/mol、THFは92 kcal/mol)、エーテルの酸素のα水素を引き抜いてアルキルラジカルを生じ、Ni(Ⅱ)錯体がトラップすることによってが生じる。そして、還元的脱離によってクロスカップリング体が生じるとともにNi(Ⅰ)(Ep = -1.17 V vs SCE in THF)()が生じるが、これはIr(Ⅱ)(E1/2 = -1.37 V vs SCE in MeCN)()によって還元され、Ir(Ⅲ)()とNi(0)が再生することで触媒サイクルが完結する。

主張の有効性検証

①反応条件の最適化

検討の詳細はほとんど言及されていないため不明であるが、Ni(cod)2 (10 mol%)、dtbbpy (15 mol%)、Ir[dF(CF3)-ppy]2(dtbbpy)PF6 (2 mol%)、K3PO4 (2 eq)、blue LEDを用いることで反応を達成した。

②基質一般性について

 Ar側は電子不足でも電子豊富でもヘテロ芳香環でもよく、ニトリルやケトン、アルデヒド、アミド、アルケンは許容される。一方、エーテル側は環状でも鎖状でもよく、第2級C-H結合だけでなく、よりBDEの大きな第1級C-H結合までも切断されうる。また、エーテルの代わりにトルエンのベンジル位や不活性なシクロヘキサンのC-H結合もクロスカップリングに用いることができた。

 エーテル基質は原則として溶媒量必要だが、ベンゼンを溶媒として用いるとクロロラジカルが安定化されるためか、10当量のTHFでもクロスカップリング体が71%得られる。

③反応機構に関する示唆

上述の触媒サイクルは、主には下記実験データから支持される。

  • 青色光、光触媒、ニッケル源のいずれかが欠けると反応は進行しない。また、可視光レドックス触媒としてIrの代わりに酸化ポテンシャルの小さなRu(bpy)3Cl2(E1/2 = 0.77 V vs SCE)を用いた場合も、反応は進行しない(おそらく酸化力不足のため)。
  • Ar-Clの代わりにAr-Iを用いると反応はほとんど進行しない(5%)。しかしながら、Ar-Iを基質として用いた時に、Bu4NClを1当量添加するとクロスカップリング収率が向上する(51%)。
  • 反応機構のに相当すると考えられるNi(Ⅲ)錯体からの等量反応を行った。Ni(Ⅱ)錯体出発(1電子酸化剤無し)、もしくは光照射だけではクロスカップリング体は得られず、Ni(Ⅲ)生成と光照射の両者がそろってはじめてクロスカップリング体が得られた。

議論すべき点

  • 1, 2-ジメトキシエタンをエーテルとして用いた反応では第2級C-H結合が切断されたものだけでなく、第1級C-H結合が切断されて生じたクロスカップリング体も生じており、選択性はほとんど見られなかった(その比は1.35:1)。クロロラジカルは精密合成用HATとしては少し強すぎるのかもしれない。
  • 遊離ラジカル同士がカップリングしているわけではなく、HATによって生じたアルキルラジカルがNiにトラップされて還元的脱離で進む機構。Niの配位子をdtbbpyの代わりにキラル配位子にすれば、原理的には不斉反応が達成できるはず。ただNi(Ⅲ)-Clの光応答性機能が失われないチョイスが求められるため、創造的な探索が求められるかもしれない。
  • 今回の例では第2級C-H結合ばかり切っていたが、炭素ラジカルがより安定な第3級C-H結合を切ることができれば、4置換炭素が構築できるかも知れない。ただ、Niでのトラップや、還元的脱離過程が難しいのかも。

次に読むべき論文は?

  • キラルな配位子を用いたクロスカップリング反応に関する論文
  • ニッケルを用いたC(sp3)-C結合形成に関するレビュー[3]

参考文献

  1. Hwang, S. J.; Powers, D. C.; Maher, A. G.; Anderson, B. L.;  Hadt, R. G.; Zheng, S.-L.; Chen, Y.-S.; Nocera, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 6472. DOI: 10.1021/jacs.5b03192
  2. Tsou, T. T.; Kochi, J. K. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 6319. DOI: 10.1021/ja00515a028
  3. Tasker, S. Z.; Standley, E.; Jamison, T. F. A. Nature 2014, 509, 299. doi:10.1038/nature13274
Avatar photo

cosine

投稿者の記事一覧

博士(薬学)。Chem-Station副代表。国立大学教員→国研研究員にクラスチェンジ。専門は有機合成化学、触媒化学、医薬化学、ペプチド/タンパク質化学。
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。

関連記事

  1. 微少試料(1 mg)に含まれる極微量レベル(1 アトグラム)の放…
  2. 多種多様な酸化リン脂質を網羅的に捉える解析・可視化技術を開発
  3. 高選択的な不斉触媒系を機械学習と「投票」で予測する
  4. 結晶学分野に女性研究者が多いのは何故か?
  5. Dead Endを回避せよ!「全合成・極限からの一手」⑥
  6. キラルLewis酸触媒による“3員環経由4員環”合成
  7. トシルヒドラゾンとボロン酸の還元的カップリング反応とその応用展開…
  8. 分子振動と協奏する超高速励起子分裂現象の解明

注目情報

ピックアップ記事

  1. パラジウム錯体の酸化還元反応を利用した分子モーター
  2. 第8回慶應有機化学若手シンポジウム
  3. 第61回―「デンドリマーの化学」Donald Tomalia教授
  4. 有機合成化学協会誌2017年11月号:オープンアクセス・英文号!
  5. ヘリウム Helium -空気より軽い! 超伝導磁石の冷却材
  6. 融合する知とともに化学の視野を広げよう!「リンダウ・ノーベル賞受賞者会議」参加者募集中!
  7. 反応経路自動探索が見いだした新規3成分複素環構築法
  8. アズワンが第一回ケムステVプレミアレクチャーに協賛しました
  9. 【超難問】幻のインドールアルカロイドの全合成【パズル】
  10. ロイ・ペリアナ Roy A. Periana

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2017年8月
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
28293031  

注目情報

最新記事

有馬温泉で鉄イオン水溶液について学んできた【化学者が行く温泉巡りの旅】

有馬温泉の金泉は、塩化物濃度と鉄濃度が日本の温泉の中で最も高い温泉で、黄褐色を呈する温泉です。この記…

HPLCをPATツールに変換!オンラインHPLCシステム:DirectInject-LC

これまでの自動サンプリング技術多くの製薬・化学メーカーはその生産性向上のため、有…

MEDCHEM NEWS 34-4 号「新しいモダリティとして注目を浴びる分解創薬」

日本薬学会 医薬化学部会の部会誌 MEDCHEM NEWS より、新たにオープン…

圧力に依存して還元反応が進行!~シクロファン構造を活用した新機能~

第686回のスポットライトリサーチは、北海道大学大学院理学研究院化学部門 有機化学第一研究室(鈴木孝…

第58回Vシンポ「天然物フィロソフィ2」を開催します!

第58回ケムステVシンポジウムの開催告知をさせて頂きます!今回のVシンポは、コロナ蔓延の年202…

第76回「目指すは生涯現役!ロマンを追い求めて」櫛田 創 助教

第76回目の研究者インタビューは、第56回ケムステVシンポ「デバイスとともに進化する未来の化学」の講…

第75回「デジタル技術は化学研究を革新できるのか?」熊田佳菜子 主任研究員

第75回目の研究者インタビューは、第56回ケムステVシンポ「デバイスとともに進化する未来の化学」の講…

第74回「理想的な医薬品原薬の製造法を目指して」細谷 昌弘 サブグループ長

第74回目の研究者インタビューは、第56回ケムステVシンポ「デバイスとともに進化する未来の化学」の講…

第57回ケムステVシンポ「祝ノーベル化学賞!金属有機構造体–MOF」を開催します!

第57回ケムステVシンポは、北川 進 先生らの2025年ノーベル化学賞受賞を記念して…

櫛田 創 Soh Kushida

櫛田 創(くしだそう)は日本の化学者である。筑波大学 数理物質系 物質工学域・助教。専門は物理化学、…

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