C–N求電子剤とC–O求電子剤間のクロスカップリング反応が初めて開発された。有機化合物中に普遍的に存在する窒素原子および酸素原子を利用する本手法は、C–C結合形成の新たな戦略として期待される。

求電子剤から直接C–C結合を形成するクロスカップリング反応

遷移金属触媒を用いるクロスカップリング反応は、有機合成領域における最も有用な合成手法の一つである。従来は、化学量論量の有機金属試薬と求電子剤を反応させていたが、近年、二種類の求電子剤を用いた還元的クロスカップリング反応が注目を集めている⁽¹⁾。
先駆的な例として、1996年にPérichonらはNi触媒を用いた有機ハロゲン化物同士のクロスカップリング反応に成功した⁽¹⁾。本手法は電気化学条件を必要としたが、その後PérichonらやGosminiら、Weixらにより、還元剤を利用したクロスカップリングが報告された(図1A(a))⁽¹⁾。
一方でハロゲン化物に代わりC–O求電子剤と有機ハロゲン化物を用いたクロスカップリング反応がいくつかのグループから報告されている(図1A(b))。またC–N求電子試薬として、アンモニウム塩を利用したクロスカップリングが古くから知られる(図1A(c))⁽²⁾。しかし、アリールハライドを一切用いない還元的カップリングの報告例は未だに少ない。
今回Shu教授らは、ベンジル/アリールアンモニウム塩とビニルアセテートまたはアリールトリフラートを用いたカップリング反応の開発に成功した(図1B)。反応機構に関する検討から、本カップリング反応ではラジカルが関与することが明らかになった。

図1. (Aa) 還元的クロスカップリング反応とこれまで利用された (Ab) C–Oまたは (Ac) C–N求電子剤 (B) 今回の報告

“Reductive Coupling between C–N and C–O Electrophiles”

He, R.; Li, C.; Pan, Q.; Guo, P.; Liu, X.; Shu, X.J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 12481.

DOI: 10.1021/jacs.9b05224

論文著者の紹介

研究者：Xingzhong Shu
研究者の経歴：
2001-2005 B.S., Shaoxing University
2005-2010 Ph.D, Lanzhou University (Prof. Yongmin Liang)
2010-2012 Postdoc, University of Wisconsin–Madison (Prof. Weiping Tang)
2012-2015 Postdoc, University of California, Berkeley & Lawrence Berkeley National Laboratory (Prof. Dean F. Toste and Prof. Paul Alivisatos)
2015- Professor, Lanzhou University
研究内容：C–O/C–N結合の還元的官能基化反応、アルケンを用いた求電子剤同士の不斉クロスカップリング反応

論文の概要

本反応はアンモニウム塩1とビニルアセテート2またはアリールトリフラート3を、NiBr₂(diglyme)/Bphen触媒とMn存在下DMF溶媒中で反応させることで、カップリング体4または5を生成する(図2A)。

ビニルアセテートの適用範囲を調査したところ、本反応ではアルケン誘導体(4a, 4c)、スチレン誘導体(4b)が良好な収率で対応するカップリング体を与えた。さらに種々のアリールトリフラート誘導体(5a–5c)を用いた場合にも効率良くカップリングが進行した。このカップリングにはベンジルアンモニウム塩(4a, 4b,5a–5c)やアリールアンモニウム塩(4c)が利用可能であった。
続いて、著者らは本反応にラジカルが関与するのではないかと考え、種々の実験により反応機構解析を行った(図2B)。

最適条件で1bのみを反応させた場合、還元体6およびホモカップリング体8が得られるが、水素ドナーであるHantzschエステルを加えると8の生成が抑制された。続いて酸素雰囲気下反応を行うと8が殆ど得られず、代わりにベンズアルデヒド7が生成した(図2B(1))。さらなる検証のため1bとラジカルクロック9を反応させた結果、環拡大生成物10が得られた。

また、シクロプロピル基を有するアンモニウム塩1cをビニルアセテート2bと反応させた際に開環体12, 13が得られている(図2B(2))。以上の結果より、本反応ではニッケル触媒によりベンジルアンモニウム塩からベンジルラジカルが生成することが示唆される。

図2. (A) 基質適用範囲 (B)反応機構解明実験

以上、ベンジル/アリールアンモニウム塩とビニルアセテートまたはアリールトリフラートを用いたカップリング反応が開発された。今後C–C結合形成の新たな方法論として用いられることが期待される。

 参考文献

1. Knappke, C. E. I.; Grupe, S.; Gar̈tner,D.; Corpet, M.; Gosmini, C.; Jacobi von Wangelin, A. Reductive Cross-Coupling Reactions between Two Electrophiles. Chem- Eur. J. 2014,20,6828. DOI: 10.1002/chem.201402302
2. (a) Richmond, E.; Moran, J. Recent Advances in Nickel Catalysis Enabled by Stoichiometric Metallic Reducing Agents. Synthesis 2018,50,DOI: 10.1055/s-0036-1591853(b) Vara, B. A.; Patel, N. R.; Molander, G. A. O-Benzyl Xanthate Esters under Ni/Photoredox Dual Catalysis: Selective Radical Generation and Csp³–Csp²Cross-Coupling.ACS Catal.2017,7,3955.DOI: 10.1021/acscatal.7b00772(c) Jia, X.-G.; Guo, P.; Duan, J.-C.; Shu, X.-Z. Dual Nickel and Lewis Acid Catalysis for Cross- electrophile Coupling: the Allylation of Aryl Halides with Allylic Alcohols. Chem. Sci.2018, 9,640. DOI: 10.1039/c7sc03140h(d) Wenkert, A.-L. Han and C.-J. Jenny, J. Chem. Soc.Chem. Commun.1988,0,975. DOI: 10.1039/C39880000975