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化学者のつぶやき

可視光によるC–Sクロスカップリング

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可視光により促進されるアリールチオールとアリールハライドのC–S結合形成クロスカップリングが開発された。穏和な反応条件で官能基許容性が高く、様々な基質に適用可能である。

芳香族チオエーテル骨格形成反応

芳香族チオエーテル骨格は医薬品や有機材料まで幅広く応用例があり、有用な構造体である。そのため、低環境負荷で原子効率に優れる効率的なC–S結合形成法の開発は、合成化学から物質科学まで広い分野へと多大なるインパクトを与える。

これまでC–S結合形成には主に遷移金属触媒によるチオールとハロゲン化アリールとのクロスカップリングが用いられてきた(図1A)。しかし、空気に脆弱な配位子の使用や、強塩基および高温を必要とすることが多く(1)、より穏和なC–Sカップリングの開発が望まれる。

近年、穏和な反応条件下でのC–Sクロスカップリングを実現する手法として可視光レドックス触媒を用いた反応が注目されている。これまでにRuやIr錯体などの可視光レドックス触媒を用いたC–S結合形成反応(図1A)(2)が開発されているが、反応系のスケールアップやレアメタルの使用に難点がある。またUVを用いたC–S結合形成反応(図1B)(3)も報告されているが、高エネルギーなUVの使用はしばしば副反応を誘起してしまう。

今回、コロラド州立大学のMiyake助教授らは、塩基存在下で可視光により進行するチオールとハロゲン化アリールのC–Sカップリング反応を見出したので紹介する(図1C)。遷移金属触媒及び可視光レドックス触媒なしに室温で反応が進行するのは特筆すべき点である。

図1. アリールハライドとチオール間のC–Sクロスカップリング

 

Visible-Light-Promoted C–S Cross-Coupling via Intermolecular Charge Transfer

Liu, B.; Lim. C.-H.; Miyake, G. M. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13616.

DOI: 10.1021/jacs.7b07390

論文著者の紹介

研究者:Garret M. Miyake

研究者の経歴:
B.S., Pacific University
2006-2011 Ph.D., Colorado State University (Prof.  Eugene Y.-X. Chen)
2011-2014 Posdoc., California Institute of Technology (Prof.  Robert H. Grubbs)
2014-2017 Assistant Prof., University of Colorado Boulder
2017- Assistant Prof., Colorado State University

研究内容 : 高分子化学、光化学、材料化学

論文の概要

今回の成果はMiyake助教授らが注力している有機可視光レドックス触媒を用いる反応の研究において、アリールチオールとアリールハライドとのC–S結合形成反応の開発中に偶然発見されたものである。

本反応はDMSO溶媒中、アリールハライド1とアリールチオール2に対しCs2CO3を1.5当量加え、可視光を照射することでチオエーテル3が得られる(図2A)。

本反応は広範な基質一般性をもち、電子供与基、電子求引基あるいは立体障害が大きい置換基をもつ2に対しても適用できる。官能基許容性は高く、2にヒドロキシ基、アミンやヘテロ芳香環をもつ場合でも反応が進行する。実際に、高反応性官能基をもつ医薬品の誘導化へと応用展開がなされている。

さらに、これまで可視光レドックス触媒によるC–Sクロスカップリングではあまり適用されていなかった塩化アリールも反応する。

紫外可視吸収スペクトル分析とDFT計算を用いた反応機構解析により、本反応は電子不足性アリールハライド1aとチオラートアニオン2aからなるEDA[Electron Donor–Acceptor]錯体の形成を経て進行することが示唆された(図2B)。すなわち、1) 2aが塩基により脱プロトン化されることで1aとEDA錯体を形成、2) チオラートからアリールハライドへの可視光吸収による分子間電荷移動、3) ハロゲンイオン、チイルラジカル及びアリールラジカルの生成、4) チイルラジカルとアリールラジカルのラジカルカップリングによる目的物の生成、という機構で進行する。

図2. 基質適用範囲(A)と推定反応機構(B)

 

以上のように、今回の論文では可視光を用いた穏和な条件下でのC–Sカップリング反応が達成された。汎用性が高い本反応は、今後チオエーテル骨格形成において大きな威力を発揮するであろう。

参考文献

  1. Kosugi, M.; Shimizu, T.; Migita, T. Lett. 1978, 13. DOI: 10.1246/cl.1978.13
  2. (a) Oderinde, M. S.; Frenette, M.; Robbins, D. W.; Aquila, B.; Johannes, J. W. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1760. DOI: 10.1021/jacs.5b11244 (b) Wang, X.; Cuny, G. D.; Noël, T. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 7860. DOI: 10.1002/anie.201303483
  3. (a) Bunnett, J. F.; Creary, X. Org. Chem. 1974, 39, 3173. DOI: 10.1021/jo00935a037 (b) Uyeda, C.; Tan, Y.; Fu, G. C.; Peters, J. C. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9548. DOI: 10.1021/ja404050f

山口 研究室

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