[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
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. 金属ヒドリド水素原子移動(MHAT)を用いた四級炭素構築法
  2. 米国へ講演旅行にいってきました:Part I
  3. JEOL RESONANCE「UltraCOOL プローブ」: …
  4. 有機化学者のラブコメ&ミステリー!?:「ラブ・ケミスト…
  5. 尿から薬?! ~意外な由来の医薬品~ その2
  6. 有機無機ハイブリッドペロブスカイトはなぜ優れているのか?
  7. 2005年ノーベル化学賞『オレフィンメタセシス反応の開発』
  8. エステルからエステルをつくる

注目情報

ピックアップ記事

  1. ウーロン茶の中でも医薬品の化学合成が可能に
  2. マテリアルズ・インフォマティクスにおけるデータの前処理-データ整理・把握や化学構造のSMILES変換のやり方を解説-
  3. マイヤース・斉藤環化 Myers-Saito Cyclization
  4. 【基礎からわかる/マイクロ波化学(株)ウェビナー】 マイクロ波の使い方セミナー 〜実験動画、実証設備、安全対策を公開〜
  5. 理論化学と実験科学の協奏で解き明かしたブラシラン型骨格生合成の謎
  6. 軽くて強いだけじゃないナノマテリアル —セルロースナノファイバーの真価
  7. 米社が液晶パネルのバックライトにカーボン・ナノチューブを採用
  8. 北川 進 Susumu Kitagawa
  9. 元素記号に例えるなら何タイプ? 高校生向け「起業家タイプ診断」
  10. 有機EL素子の開発と照明への応用

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
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031  

注目情報

最新記事

山口 潤一郎 Junichiro Yamaguchi

山口潤一郎(やまぐちじゅんいちろう、1979年1月4日–)は日本の有機化学者である。早稲田大学教授 …

ナノグラフェンの高速水素化に成功!メカノケミカル法を用いた芳香環の水素化

第660回のスポットライトリサーチは、名古屋大学大学院理学研究科(有機化学研究室)博士後期課程3年の…

第32回光学活性化合物シンポジウム

第32回光学活性化合物シンポジウムのご案内光学活性化合物の合成および機能創出に関する研究で顕著な…

位置・立体選択的に糖を重水素化するフロー合成法を確立 ― Ru/C触媒カートリッジで150時間以上の連続運転を実証 ―

第 659回のスポットライトリサーチは、岐阜薬科大学大学院 アドバンストケミストリー…

【JAICI Science Dictionary Pro (JSD Pro)】CAS SciFinder®と一緒に活用したいサイエンス辞書サービス

ケムステ読者の皆様には、CAS が提供する科学情報検索ツール CAS SciFind…

有機合成化学協会誌2025年5月号:特集号 有機合成化学の力量を活かした構造有機化学のフロンティア

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2025年5月号がオンラインで公開されています!…

ジョセップ・コルネラ Josep Cornella

ジョセップ・コルネラ(Josep Cornella、1985年2月2日–)はスペイン出身の有機・無機…

電気化学と数理モデルを活用して、複雑な酵素反応の解析に成功

第658回のスポットライトリサーチは、京都大学大学院 農学研究科(生体機能化学研究室)修士2年の市川…

ティム ニューハウス Timothy R. Newhouse

ティモシー・ニューハウス(Timothy R. Newhouse、19xx年xx月x日–)はアメリカ…

熊谷 直哉 Naoya Kumagai

熊谷 直哉 (くまがいなおや、1978年1月11日–)は日本の有機化学者である。慶應義塾大学教授…

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