[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

ニッケル-可視光レドックス協働触媒系によるC(sp3)-Hチオカルボニル化

[スポンサーリンク]

2017年、ソウル大学校の Soon Hyeok Hongらは、C(sp3)-H結合の直接的チオカルボニル化をニッケル―可視光レドックス協働触媒系を用いることによって初めて達成した。

“Photoredox mediated nickel catalyzed C(sp3)–H thiocarbonylation of ethers”
Kang, B.; Hong, S. H. * Chem. Sci. 2017, 8, 6613. doi:10.1039/C7SC02516E

問題設定と解決した点

チオエステル合成法としては、以下が代表的なものとして知られている。しかし、これら従来法は高酸化度の炭素反応剤が必要であり、厳しい反応条件、チオ―ルの酸化されやすさなどといった課題を有していた。

  1. チオールとカルボン酸等価体との縮合反応
  2. チオ酸と求電子剤と反応(アルキル化)
  3. アルデヒドの酸化的チオエステル化
  4. COガス存在下、アルケンやハロゲン化物のチオカルボニル化

C-H結合を直接チオカルボニル化することができれば、チオエステル合成において理想的なアプローチになると考えられる。生体内においても炭素ラジカルを中間体とした転位反応によるチオエステル生成が行われている。しかし、有機合成において直接チオエステル基をC-H結合へ移す反応は知られていない。
今回著者らは、単純なチオエステルを原料としてC(sp3)-Hチオカルボニル化に取り組み、それを達成した。

技術や手法のキモ

上述のような反応を実現するにあたって最大の課題は、C(アシル)-S結合がC(アシル)-C結合よりも弱いことである。実際、有機金属種のチオエスエルへの酸化的付加が含まれる論文を著者らが調べた限り、すべての論文においてC(アシル)-S結合が切断されていた。
また近年Doyleらは、ニッケル―可視光レドックス協働触媒系による2-ピリジルチオエステルとN-アリールアミンの反応[1]を達成している。この場合においてもC(アシル)-S結合が切断されている(上図)。
著者らは、チオエステル側の電子的・立体的要因をチューニングすることによって、C(アシル)-S結合ではなくC(アシル)-C結合を切断し、チオカルボニル化が達成できるとの仮説を立て、検討を進めた。

主張の有効性検証

①反応条件について

チオエステル源を検討したところ、p-(トリフルオロメチル)フェニル基を脱離基として備えるチオエステルが、目的物を高い収率で与えた。アリール基でないものや電子不足でないものは収率が低下した。


またこのチオエステルを用いた場合、上記スキームで示す、Ni-SIPr錯体、Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6光触媒、溶媒量のエーテルの使用が最適条件となった。対照実験の結果、Ni触媒、NHC前駆体、可視光レドックス触媒が必須であった。事前調製しておいたNHCを用いる場合は、塩基なしでも反応は進行した。

②基質一般性の検討

・チオエステル側は、ベンゼン環上の置換基は(決して広くはないが)許容される。また、ナフチル基でも反応は進行する。ベンジルチオエステルも許容されるが、脂肪族チオエステルは許容されない。
・エーテル側は、環状でも鎖状でもよいが、環状の方が収率は高い。また、同様にヘテロ原子を有する保護ピロリジン、チオフェンも基質として試しているが、反応は全く進行しなかった。

③反応機構について

前述したように著者らはC(アシル)-C結合がC(アシル)-S結合よりも弱くなり、選択的に切断できるようになることで目的の反応を達成するつもりだったが、
・上記チオエステルにおいてBDEを計算したところ、やはりC(アシル)-S結合の方が弱く、想定していた選択的切断は考えにくい
・検討したチオエステル間のBDEの差は小さく、実験で見られた収率の劇的な変化は説明できない
といった問題があることが分かった。

そこで、反応系内でのニッケル触媒の酸化状態を調べようと試みた。すると、酸化的付加を起こしやすいNi(0)では反応が進行しないことや、NHC-Ni(Ⅱ)種が収率を向上させることなどから、Ni(Ⅱ)が主要な触媒活性種であると判断した。
次に、酸化的付加以外のチオエステル活性化経路としてチオエステルの一電子還元を想定した。チオエステルは電気化学的に還元されるとアシルラジカルとチオレートに分解されることが知られており、今回も同様の経路が可視光レドックス触媒によって進行している可能性があった。
チオエステル試薬のサイクリックボルタンメトリー測定によると、還元ポテンシャルは-1.65 V(vs SCE in MeCN)に相当し、これはIr(Ⅱ)→Ir(Ⅲ)(-1.37 V vs SCE in MeCN)では還元できない。著者らはカチオン性可視光レドックス触媒のルイス酸様性質や、ニッケル種によるチオレート捕捉などによって、この還元が進行するようになると考察した。

以上の考察とさらなるメカニズム解析実験の結果を踏まえ、著者らは次のような触媒サイクルを提唱している。まず、光励起したIr(Ⅲ)がNHC-Ni(Ⅱ)(+1.01 V)をNi(Ⅲ)へ酸化する。生じたIr(Ⅱ)はチオエステルを一電子還元し、Ir(Ⅲ)が再生する。還元されたチオエステルはアシルラジカルとチオレートに分解され、チオレートはNi(Ⅲ)にトラップされる。アシルラジカルの方はニッケルが関与した脱カルボニルによってアリールラジカルを生じ、生じたアリールラジカルがエーテルのC-H結合をHAT過程で切断する。こうして生じた炭素ラジカルがNi(Ⅲ)に結合してNi(Ⅳ)種が生じ、還元的脱離によって目的物が得られる。

議論すべき点

  • アリールラジカルがHAT媒体となっているのなら、エーテル以外でも反応進行しそうに思えるが、どこが問題となっているのだろうか?金属への配位?
  • チオエステル側の官能基は電子状態を変化させ、一電子還元に影響を与えるから拡張は困難か?
  • 今回は結局達成できなかったが、C(アシル)- C結合をC(アシル)-S結合よりも優先して切断する方法としては、どういう戦略が取りえるのだろうか?

次に読むべき論文は?

  • エステルにおいてC(アシル)-O結合とC(アリール)-O結合のいずれがニッケル触媒によって切断されるかは、リガンドによって変わり得る。それに関するメカニズム解析論文[2]は、今回目標としていたチオエステル基質の位置選択的結合切断を実現するための参考情報になるかもしれない。

参考文献

  1. Joe, C. L.; Doyle, A. G. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4040. DOI: 10.1002/anie.201511438
  2. Hong, X.; Liang, Y.; Houk, K. N. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2017. DOI: 10.1021/ja4118413
cosine

cosine

投稿者の記事一覧

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。

関連記事

  1. ChemDraw for iPadを先取りレビュー!
  2. 酵素触媒によるアルケンのアンチマルコフニコフ酸化
  3. 2016 SciFinder Future Leadersプログ…
  4. 【太陽HD】新卒採用情報(20年卒)
  5. 顕微鏡で有機化合物のカタチを決める!
  6. うっかりドーピングの化学 -禁止薬物と該当医薬品-
  7. シクロファン+ペリレンビスイミドで芳香環を認識
  8. まっすぐなペプチドがつまらないなら「さあ輪になって踊ろ!」

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. JEOL RESONANCE「UltraCOOL プローブ」: 極低温で感度MAX! ①
  2. 研究室でDIY!~エバポ用真空制御装置をつくろう~ ②
  3. カール・ダイセロス Karl Deisseroth
  4. 創薬化学における「フッ素のダークサイド」
  5. シンガポールへ行ってきた:NTUとNUS化学科訪問
  6. 住友化学、イスラエルのスタートアップ企業へ出資 ~においセンサーを活用した新規ヘルスケア事業の創出~
  7. 劉 龍 Ryong Ryoo
  8. 創薬化学
  9. [12]シクロパラフェニレン : [12]Cycloparaphenylene
  10. フルオラス向山試薬 (Fluorous Mukaiyama reagent)

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2018年3月
« 2月   4月 »
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031  

注目情報

注目情報

最新記事

第167回―「バイオ原料の活用を目指した重合法の開発」John Spevacek博士

第167回の海外化学者インタビューは、ジョン・スペヴァセック博士です。Aspen Research社…

繊維強化プラスチックの耐衝撃性を凌ぐゴム材料を開発

名古屋大学大学院工学研究科有機・高分子化学専攻の 野呂 篤史講師らの研究グループは、日本ゼオンと共同…

反応化学の活躍できる場を広げたい!【ケムステ×Hey!Labo 糖化学ノックインインタビュー②】

2021年度科学研究費助成事業 学術変革領域研究(B)に採択された『糖鎖ケミカルノックインが拓く膜動…

UiO-66: 堅牢なジルコニウムクラスターの面心立方格子

UiO-66 は六核ジルコニウムオキシクラスターを SBU に持ち、高い熱安定性 · 化学安定性を示…

危ない試薬・面倒な試薬の便利な代替品

実験室レベルでは、未だに危険な試薬を扱わざるを得ない場合も多いかと思います。tert…

赤外線の化学利用:近赤外からテラヘルツまで

(さらに…)…

【誤解してない?】4s軌道はいつも3d軌道より低いわけではない

3d 遷移金属は、多くが (3d)n(4s)2 という中途半端に 3d 軌道が埋まったまま 4s 軌…

第六回ケムステVプレミアレクチャー「有機イオン対の分子設計に基づく触媒機能の創出」

新型コロナ感染者数が爆増し、春の学会がまたほとんどオンラインになりました。残念で…

生体医用イメージングを志向した第二近赤外光(NIR-II)色素:③その他の材料

バイオイメージングにおけるの先端領域の一つである「第二近赤外光(NIR-II)色素」についての総説を…

自己多層乳化を用いたマトリョーシカ微粒子の調製 〜油と水を混ぜてすぐ固めるだけ〜

岡山大学学術研究院自然科学学域(工)の渡邉貴一研究准教授と同大学院自然科学研究科博士前期課程の安原有…

Chem-Station Twitter

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