[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. TLC分析がもっと楽に、正確に! ~TLC分析がアナログからデジ…
  2. 生理活性物質? 生物活性物質?
  3. 【8月開催】マイクロ波化学のQ&A付きセミナー
  4. シャープな蛍光色変化を示すメカノフォアの開発
  5. 重水は甘い!?
  6. フッ素が実現する高効率なレアメタルフリー水電解酸素生成触媒
  7. 2007年ノーベル化学賞『固体表面上の化学反応の研究』
  8. スローン賞って知っていますか?

注目情報

ピックアップ記事

  1. 日本化学会第86春季年会(2006)
  2. Excelでできる材料開発のためのデータ解析[超入門]-統計の基礎や機械学習との違いを解説-
  3. 第67回「1分子レベルの酵素活性を網羅的に解析し,疾患と関わる異常を見つける」小松徹 准教授
  4. ヒストン脱アセチル化酵素8(HDAC8)選択的阻害剤
  5. 強酸を用いた従来法を塗り替える!アルケンのヒドロアルコキシ化反応の開発
  6. 有機溶媒吸収し数百倍に 新素材のゲル、九大が開発
  7. Lithium Compounds in Organic Synthesis: From Fundamentals to Applications
  8. ハッピー・ハロウィーン・リアクション
  9. 「人工タンパク質ケージを操る」スイス連邦工科大学チューリヒ校・Hilvert研より
  10. がん細胞をマルチカラーに光らせる

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

アンモニウム構造によりラジカル種の発生位置を完全に制御!

第710回のスポットライトリサーチは、関西学院大学理工学研究科 村上研究室の榊原 陽太(さかきばら …

化学つれづれ草【ある研究者の回想】

概要物理化学者で量子機能材料を専門とする著者によるエッセイ集.化学者としての研究,教育,人生…

第60回有機反応若手の会

開催概要有機反応若手の会は、有機化学分野で研究を行う全国の大学院生を中心とした若手研究者が集い、…

ノーベル賞受賞者と語り合う5日間!「第18回HOPEミーティング」参加者募集!

申し込みはこちら概要主催:独立行政法人 日本学術振興会(JSPS)開催地:神奈川…

光触媒による高効率なCO2還元の実現―まさかの光を弱く当てることが重要だった―

第709回のスポットライトリサーチは、東京科学大学 理学院(前田研究室)博士後期課程2年の仲田竜一 …

「π-πスタッキング」という言葉が生む誤解【芳香環の相互作用を見直す: 前編】

芳香環が平行に並んで近接しているとき、その構造を「π–π スタッキング」と表されることがよくあります…

一重項酸素によるC(sp2)−P結合切断を用いた長波長光によるリン化合物のアンケージング

第 708 回のスポットライトリサーチは、同志社女子大学 薬学部 医療薬学科 5…

マテリアルズ・インフォマティクスにおける画像解析の活用ガイド

開催概要材料開発において、電子顕微鏡やX線トモグラフィーを用いて材料の微細構造を観察するために画…

世界初のPROTAC医薬、ついに承認 ―「タンパク質を阻害する」から「分解する」時代へ

2026年5月、創薬化学の歴史に残る大きな出来事が起きました。米国 FDA は、…

有機蛍光とは異なる新しい有機りん光の分子設計指針の発見

第707回のスポットライトリサーチは、電気通信大学 情報理工学研究科(牧昌次郎研究室)の林希久也 助…

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