[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

ホウ素が隣接した不安定なカルベン!ジボリルカルベンの生成

[スポンサーリンク]

p受容性置換基をもち不安定なジボリルカルベン(DBC)の新たな生成法が開発された。さらに、NMR実験からDBCは中性のホウ素化合物として最も強いルイス酸性を示すことが明らかにされた。

NHCと相反する電子配置をもつDBCの新たな生成法の開発

N-ヘテロ環状カルベン(NHC)は、隣接する窒素がp供与性置換基としてカルベンのp軌道に電子供与するため、s型軌道に非共有電子対が収納された電子配置をとる(図1A左)[1]。NHCはこの非共有電子対によりルイス塩基性を示すため、配位子として盛んに研究されている。一方で、ジボリルカルベン(DBC)は、隣接するホウ素がp受容性置換基としてカルベンの非共有電子対を受容するため、s型軌道が空となる電子配置をとる(図1A右)。この特異な電子配置からDBCはルイス酸性を示す一方で、DBCのカルベン炭素はオクテット則を満たさない上にp受容性置換基をもつため不安定であることが予想される。

不安定なDBCは、理論研究と実験研究が数例報告されているのみの未開拓の化学種である。BerndtらおよびKassaeeらは、DBCにおいてホウ素の空軌道とカルベンの非共有電子対が相互作用し、空のp軌道もしくはs型軌道をもつことを示した(図1B)[2]。実験的には、Berndtらがジボラメチレンシクロプロパンへのルイス塩基の添加によりDBC誘導体を単離している(図1C)[3]。これはジボラメチレンシクロプロパンがDBCに異性化することを示唆している。この報告は平衡で生じるDBCを捕捉した唯一の例であり、依然としてDBCを平衡中間体でなく生成させる方法は知られていない。

東京大学の楠本准教授らは、著者らの以前の報告を踏襲し、環状DBCおよびその前駆体を設計した(図1D)[4, 5]。金属とハロゲンによる安定化を受けるDBC前駆体の有機アルミニウム試薬を用いた脱ハロゲン化によるDBCの定量的な生成法の確立を目指した。

図1. (A) N-ヘテロ環状カルベン(NHC)とジボリルカルベン(DBC)の電子配置、(B) 理論計算されたDBC、(C) ルイス塩基に捕捉されたDBC、(D) 前駆体とルイス酸によるDBCの生成

 

“Synthesis, Characterization, and Trapping of a Cyclic Diborylcarbene, an Electrophilic Carbene”

Shibutani, Y.; Kusumoto, S.; Nozaki, K. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 16186–16192.

DOI: 10.1021/jacs.3c04933

論文著者の紹介

研究者:楠本周平

研究者の経歴:

–2009                             B.Sc. University of Tokyo, Japan

2009–2014                  Ph.D. University of Tokyo, Japan (Prof. Kyoko Nozaki) 

2014                               Postdoc, University of Tokyo, Japan (Prof. Kyoko Nozaki)

2014–2023                  Assistant professor, University of Tokyo, Japan (Prof. Kyoko Nozaki)

2023–                             Associate professor, University of Tokyo, Japan (Prof. Kyoko Nozaki)

研究内容:金属–配位子協働作用を用いた結合切断/形成反応の開発、ヘテロベンゼンを含む新規配位子の合成

論文の概要

図2AにDBC前駆体5Fおよび5Clの合成経路を示す。まず、既法に従い合成した1にメシチルリチウムを加え、メシチル化体2へ導いた後に、塩基を作用させることで3を得た[5]5Fの合成の際には、得られた3とNFSIを反応させることでモノフルオロ化体4Fとし、強塩基を作用させて前駆体5Fを合成した。一方、5Clの合成では3にNCSを添加し、ジクロロ化体4Clへと変換した後に、カリウムグラファイト(KC8)による還元で5Clへ導いた。合成した5F5Clの構造は、いずれもX線構造解析により明らかにしている(詳しくは論文を参照されたい)。

次に、合成したDBC前駆体5FからDBCの生成を試みた(図2B)。重ベンゼン中5Fにルイス酸(Al(C6F5)3)を作用させることで、5FのC4位炭素の13C NMRピークが169 ppmから242 ppmへシフトした。これは、計算値(5FのC4位: 169 ppm、6のカルベン: 240 ppm)と良い一致を示した。また、19F NMRにおいてAl(C6F5)3に捕捉されたフルオリド([F–Al(C6F5)3])のピークも観測された。これらのNMR実験から6の生成が確認された。さらに、ESI-TOF MSからDBCのカリウムカチオン付加体7・K+の質量ピークが観測された。以上のNMR実験および質量分析からDBCの生成を確認し、これはDBCを平衡中間体でなく生成する新たな手法となる。

続いて、著者らは7のルイス酸性度を評価した(図2C)。5Clの加熱により発生させたDBC7のトリメチルホスフィン複合体は、31P NMRにおいて7.9 ppmにピークを示した。これは頻用されるルイス酸(B(C6F5)3: –6.1 ppm, BF3: –28.5 ppm)よりも著しく低磁場側へシフトしていた。このことから、空のs型軌道をもつDBCは強いルイス酸性を示し、相反する電子配置でありルイス塩基として働くNHCとの対極な物性が明らかとなった。

図2. (A) DBC前駆体5xの合成、(B) DBCのルイス酸をもちいた生成、(C) DBCのルイス酸性度の評価

以上、p受容性置換基をもつ不安定カルベン(DBC)の新たな生成法が確立された。この報告を皮切りに、今後DBCの特異な反応性を利用した反応の開発が期待される。

参考文献

  1. Zhao, Q.; Meng, G.; Nolan, S. P.; Szostak, M. N-Heterocyclic Carbene Complexes in C–H Activation Reactions. Chem. Rev. 2020, 120, 1981–2048. DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00634
  2. (a) Menzel, M.; Winkler, H. J.; Ablelom, T.; Steiner, D.; Fau, S.; Frenking, G.; Massa, W.; Berndt, A. Diborylcarbenes as Reactive Intermediates in Double 1,2-Rearrangements with Low Activation Enthalpies. Chem., Int. Ed. 1995, 34, 1340–1343. DOI: 10.1002/anie.199513401 (b) Kassaee, M. Z.; Koohi, M.; Mohammadi, R.; Ghavami, M. 2,2,9,9-Tetramethylcyclonona-3,5,7-trienylidene vs. Its Heterocyclic Analogues: A Quest for Stable Carbenes at DFT. J. Phys. Org. Chem. 2013, 26, 908–916. DOI: 10.1002/poc.3189
  3. Budzelaar, P. H. M.; Schleyer, P. von R.; Krogh-Jespersen, K. An Extraordinary Structure and Topomerization Mechanism for“Diboramethylenecyclopropane.” Angew. Chem., Int. Ed. 1984, 23, 825–826. DOI: 10.1002/anie.198408251
  4. Simmons, H. E.; Smith, R. D. A New Synthesis of Cyclopropanes from Olefins. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 5323–5324. DOI: 10.1021/ja01552a080
  5. Kishino, M.; Takaoka, S.; Shibutani, Y.; Kusumoto, S.; Nozaki, K. Synthesis and Reactivity of PC(sp3) P-Pincer Iridium Complexes Bearing a Diborylmethyl Anion. Dalton Trans. 2022, 51, 5009–5015. DOI: 1039/D2DT00513A
Avatar photo

山口 研究室

投稿者の記事一覧

早稲田大学山口研究室の抄録会からピックアップした研究紹介記事。

関連記事

  1. がん細胞をマルチカラーに光らせる
  2. チェーンウォーキングを活用し、ホウ素2つを離れた位置へ導入する!…
  3. リガンド指向性化学を用いたGABAA受容体の新規創薬探索法の開発…
  4. Inpriaとは? ~フォトレジスト業界の重要トピック~
  5. 金属ヒドリド水素原子移動(MHAT)を用いた四級炭素構築法
  6. ジェフ・ボーディ Jeffrey W. Bode
  7. “逆転の発想”で世界最高のプロトン伝導度を示す新物質を発見
  8. アメリカで医者にかかる

注目情報

ピックアップ記事

  1. 第113回―「量子コンピューティング・人工知能・実験自動化で材料開発を革新する」Alán Aspuru-Guzik教授
  2. 樹脂コンパウンド材料におけるマテリアルズ・インフォマティクスの活用とは?
  3. 樹脂コンパウンド材料におけるマテリアルズ・インフォマティクスの活用とは?
  4. 【9月開催】マイクロ波化学のQ&A付きセミナー
  5. タンパク質の非特異吸着を抑制する高分子微粒子の合成と応用
  6. 先端事例から深掘りする、マテリアルズ・インフォマティクスと計算科学の融合
  7. 海外で働いている僕の体験談
  8. Chemistry on Thanksgiving Day
  9. ダウ・ケミカル、液晶パネル用化学品をアジア生産へ
  10. 工程フローからみた「どんな会社が?」~タイヤ編 その3

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2023年9月
 123
45678910
11121314151617
18192021222324
252627282930  

注目情報

最新記事

アンモニウム構造によりラジカル種の発生位置を完全に制御!

第710回のスポットライトリサーチは、関西学院大学理工学研究科 村上研究室の榊原 陽太(さかきばら …

化学つれづれ草【ある研究者の回想】

概要物理化学者で量子機能材料を専門とする著者によるエッセイ集.化学者としての研究,教育,人生…

第60回有機反応若手の会

開催概要有機反応若手の会は、有機化学分野で研究を行う全国の大学院生を中心とした若手研究者が集い、…

ノーベル賞受賞者と語り合う5日間!「第18回HOPEミーティング」参加者募集!

申し込みはこちら概要主催:独立行政法人 日本学術振興会(JSPS)開催地:神奈川…

光触媒による高効率なCO2還元の実現―まさかの光を弱く当てることが重要だった―

第709回のスポットライトリサーチは、東京科学大学 理学院(前田研究室)博士後期課程2年の仲田竜一 …

「π-πスタッキング」という言葉が生む誤解【芳香環の相互作用を見直す: 前編】

芳香環が平行に並んで近接しているとき、その構造を「π–π スタッキング」と表されることがよくあります…

一重項酸素によるC(sp2)−P結合切断を用いた長波長光によるリン化合物のアンケージング

第 708 回のスポットライトリサーチは、同志社女子大学 薬学部 医療薬学科 5…

マテリアルズ・インフォマティクスにおける画像解析の活用ガイド

開催概要材料開発において、電子顕微鏡やX線トモグラフィーを用いて材料の微細構造を観察するために画…

世界初のPROTAC医薬、ついに承認 ―「タンパク質を阻害する」から「分解する」時代へ

2026年5月、創薬化学の歴史に残る大きな出来事が起きました。米国 FDA は、…

有機蛍光とは異なる新しい有機りん光の分子設計指針の発見

第707回のスポットライトリサーチは、電気通信大学 情報理工学研究科(牧昌次郎研究室)の林希久也 助…

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