ロジウム二核錯体やヨウ化銅(I)を触媒に用いたビニル位炭素–水素結合への形式的分子内カルベン挿入を伴うインデン骨格の構築法が報告された。

カルベンのC–H結合挿入反応

遷移金属触媒を用いたC–H結合へのカルベン挿入反応は金属カルベン種の特徴的な変換法の1つであり、不活性なC–H結合を炭素官能基化できる有用な手法として知られている。

電子豊富なC–H結合に限るが、C(sp³)–H結合へのカルベン挿入は協奏的機構(図1A(a))であるのに対して、芳香族C(sp²)–H結合への挿入は求電子置換反応であり形式的な”カルベン挿入”といえる(図1A(b))。

アルケンのビニル位C(sp²)–H結合への挿入反応も、一般的には求電子置換反応型で進行するが、シクロプロパン化を併発する^[1]。そこで、シクロプロパン化が進行しづらい位置にオレフィンのある分子内反応にすることで、ビニル位C(sp²)–Hへのカルベン挿入を優先させることができる。

最近de Bruinらは 、コバルト触媒によるオルトビニルN-トシルヒドラゾン(R²: エステル基・フェニル基等)のビニル位C(sp²)–H結合への分子内カルベン挿入反応によりインデン類を合成した(図1B) ^[2]。この反応は求電子置換反応とは異なり、コバルトラジカル中間体を経て進行する。しかし、興味深いことにカルベン挿入反応でよく用いられるRh二核錯体や銅(I)触媒では進行しなかった。

今回北京大学のWang教授らは、このカルベン挿入反応を再調査し、Rh二核錯体やヨウ化銅(I)を触媒にもちいたインデン骨格の構築に成功した (図1C)。本反応は芳香族C(sp²)–H結合と同様に求電子置換反応型で進行する。

図1. (A) C(sp3)–H結合およびC(sp2)–H結合へのカルベン挿入反応の一般的な機構 (B)(C) 形式的な分子内カルベン挿入を経るインデン合成

“Rh(II)- or Cu(I)-Catalyzed Formal Intramolecular Carbene Insertion into Vinylic C(sp²)-H Bond: An Access toward Substituted 1H Indenes”

Zhou, Q.; Li, S.; Zhang, Y.; Wang, J. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 50, 16013.

DOI: 10.1002/anie.201709375

論文著者の紹介

研究者：Jianbo Wang

研究者の経歴：
1979-1983 B.Sc., Nanjing University of Science and Technology
1984-1987 M.Sc., Hokkaido University (Prof. Hiroshi Suginome)
1987-1990 Ph.D., Hokkaido University (Prof. Hiroshi Suginome)
1990-1993 Posdoc, University of Geneva, Switzerland (Prof. C. W. Jefford)
1993-1995 Posdoc, University of Wisconsin-Madison, USA (Prof. H. E. Zimmerman and Prof. L. A. Fahien)
1995-1999 Associate Professor, Peking University
1999- Professor, Peking University

研究内容：金属カルベンを用いた新規触媒反応の開発

論文の概要

Wangらは求電子置換反応型の反応機構を想定していたため、オルトビニルN-トシルヒドラゾンの置換基をアリール基・アルキル基のもつ化合物を中心にして検討を行った。その結果、Rh₂(Oct)₄触媒存在下、リチウムt-ブトキシドを塩基に用い、オルトビニルN-トシルヒドラゾン1をトルエン溶媒中、100°Cで反応させることでインデン類2の合成に成功した(図2A)。

1の基質適用範囲に関しては、アリール部位(Ar)やビニル位(R¹, R²)に置換基（アリール基・アルキル基）があっても良好な収率で2を与える。一部の基質で異性体2’を生じるものの、反応時間を延ばすことで2’から2に異性化できる。また、著者らはRh₂(Oct)₄のかわりに安価なヨウ化銅(I)を用いても、やや収率は劣るが同様の反応が進行することを見出した。

重水素ラベル化およびKIE実験による機構解明の結果、以下の反応経路が示唆された（図2B）。

1. 1と塩基によるジアゾ化合物の生成、続くロジウム触媒による金属カルベノイド3の発生
2. 電子不足なカルベン炭素へのビニルオレフィンの求核攻撃による5員環中間体4の形成
3.  5のC–Rh結合からの電子移動による不飽和5員環5の生成
4. 5から1,5-水素移動を経て2となる

という機構である。5の1,5-水素移動の際、異性体2’を生じうるが、加熱し続けることで熱力学的に安定な 2へ異性化できる。

図2.(A)基質適用範囲検討 (B)推定反応機構

参考文献

1. Taber, D. F.; Amedio Jr., J. C.; Sherrill, R. G. J. Org. Chem. 1986, 51, 3382. DOI:10.1021/jo00367a030
2. Das, B. G.; Chirila, A.; Tromp, M.; Reek, J. N. H.; de Bruin, B. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 8968. DOI:10.1021/jacs.6b05434