カルベンがアシストする芳香環の開環反応が報告された。カルベンとアジドによる環形成でナイトレンインダゾール中間体が生じ、その開環を駆動力として芳香環が開環する。

芳香環の脱芳香族的開環反応

芳香環は有機分子に最も頻出する構造である。そのユニークな変換反応として、近年は直接芳香環を官能基化するC–H官能基化や、芳香環の芳香族性を壊しながら官能基化する脱芳香族的官能基化反応が盛んに研究されている^[1]。しかし、芳香族の安定性および結合開裂エネルギーの大きさから芳香環の環の形状を壊すことは困難であった。したがって環を壊す脱芳香族的開環反応には、工業的な芳香環のクラッキング、または化学量論量の遷移金属や酵素を用いるものしかなかった^[2]。より簡便かつ精密制御された脱芳香族的開環反応は、不飽和炭素ユニットを豊富に存在する芳香環から構築できる手法として非常に有用である。

2021年、北京大学のJiao(著者)らは銅触媒を用いた芳香環の脱芳香族開環反応の開発に成功した(図1B)^[3]。例えばアニリンと銅触媒、アジドから調製した銅ナイトレンアジド錯体1から、ビスナイトレン錯体2が生成する。続くC–C結合開裂により芳香環が開環した、アルケニルニトリル3へと導いた。しかし、得られる生成物はシアノ基もしくはカルボキシ基を両端に含む六炭素共役の化合物のみに限られていた。

今回、著者らはもうひとつの不安定活性種カルベンに着目した。芳香環に隣接する炭素にカルベン(4)を発生させ、芳香族アジドとの環化でナイトレンインダゾール中間体5を形成させることができれば、その開環を駆動力に脱芳香族的開環反応が進行すると考えた(図1C)。本反応では生成物6の末端(図中赤丸)に置換基を導入できることから、有機光材料などで重宝される長共役分子も合成できる。

図1. (A) 芳香環の非破壊･破壊官能基化反応 (B) 銅触媒を用いたアニリンの開環反応 (C) 本研究

“Carbene-Assisted Arene Ring-Opening”
Cheng, Z.; Xu, H.; Hu, Z.; Zhu, M.; Houk, K. N.; Xue, X.-S.; Jiao, N. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 25, 16963–16970. DOI: 10.1021/jacs.4c03634

論文著者の紹介

研究者：Ning Jiao (焦宁)
研究者の経歴
2004                                       Ph.D., Shanghai Institute of Organic Chemistry (SIOC), China (Prof. Sheng-Ming Ma)
2004–2006                                       Postdoc, Max-Planck-Institute for Coal Research, Germany (Prof. Manfred T. Reetz)
2007–2010                                       Associate Professor, Peking University, China
2010–                                                  Professor, Peking University, China
研究内容：酸素酸化を用いたカップリング反応、酸素・窒素官能基の導入反応の開発
研究者：Xiao-Song Xue (薛小松)
研究者の経歴：
2013                                       Ph.D., Nankai University, China (Prof. Jin-Pei Cheng)
2013–2021                                       Assistant and Associate Professor, Nankai University, China
2017–2020                                       Visiting Scholar, UCLA, USA (Prof. Kendall N. Houk)
2021–                                                  Professor, SIOC, China
研究内容：物理有機化学, 機械学習の有機化学への応用
研究者：Kendall N. Houk
研究者の経歴：
1968                                       Ph.D., Harvard University, USA (Prof. R. B. Woodward)
1968–1980                                       Assistant, Associate, and full Professor, Louisiana State University, USA
1980–1986                                       Professor, University of Pittsburgh, USA
1986–                                                  Professor, UCLA, USA
2021–                                                  Distinguished Research Professor, UCLA, USA
研究内容：理論計算有機化学]

論文の概要

クロロベンゼン中、アジドベンゾフェノン誘導体7にトシルヒドラジドとTFAを作用させたのち、^tBuONaを加え130 °Cで反応させたところ、系内でカルベン4を経由し、開環体6を与えた(45例、図2A)。本反応はアジドベンゼン側に電子求引基(6A)および電子供与基(6B)をもつものについても問題なく反応が進行した。また、ベンゼン環(図中赤丸側)に種々の置換基(6C、6D)を有するものや、ヘテロ環(6E)に変更した場合についても所望の開環体が得られた。非ジアゾカルベン前駆体8についても中程度の収率ではあるものの開環体9を与えた（19例）。

DFT計算の結果、本反応がナイトレンインダゾール中間体5を経ていることが示唆された(詳細は本文参照)。そこで、インダゾール10から系中で中間体5を調製し反応を試みたところ、開環体6が得られ、実験的にもこの反応経路が支持された(図2B)。

最後により共役の長い不飽和炭素ユニットを合成するため、アジドベンゾフェノン誘導体11を本反応条件に付したところ、所望の開環体12を得ることにも成功した(図2C)。12は非線形光学材料としての応用が望まれる。

図2. (A) 基質適用範囲 (B) 中間体からの反応 (C) 共役の長い分子の合成

以上、カルベンがアシストし、ナイトレンインダゾール中間体がゴールを決める芳香環の開環反応が報告された。結合開裂が困難な芳香環を一刀両断することができる脱芳香族的開環反応の今後の進展を期待したい。

参考文献

1. (a) Wertjes, W. C.; Southgate, E. H.; Sarlah, D. Recent advances in chemical dearomatization of nonactivated arenes. J. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 7996–8017. DOI: 1039/C8CS00389K (b) Ma, J.; Chen, S.; Bellotti, P.; Guo, R.; Schäfer, F.; Heusler, A.; Zhang, X.; Daniliuc, C.; Brown, M. K.; Houk, K. N.; Glorius, F. Photochemical intermolecular dearomative cycloaddition of bicyclic azaarenes with alkenes. Science 2021, 371, 1338–1345. DOI: 10.1126/science.abg0720 (c) Lyons, T. W.; Sanford, M. S. Palladium-Catalyzed Ligand-Directed C-H Functionalization Reactions. Chem. Rev. 2010, 110, 1147–1169. DOI: 10.1021/cr900184e (d) Ackermann, L. Carboxylate-Assisted Transition-Metal-Catalyzed C-H Bond Functionalizations: Mechanism and Scope. Chem. Rev. 2011, 111, 1315–1345. DOI: 10.1021/cr100412j (e) Engle, K. M.; Mei, T. S.; Wasa, M.; Yu, J. Q. Weak Coordination as a Powerful Means for Developing Broadly Useful C-H Functionalization Reactions. Acc. Chem. Res. 2012, 45, 788–802. DOI: 10.1021/ar200185g (f) Pape, A. R.; Kaliappan, K. P.; Kündig, E. P. Transition-Metal-Mediated Dearomatization Reactions. Chem. Rev. 2000, 100, 2917–2940. DOI: 10.1021/cr9902852 (g) Phipps, R. J.; Gaunt, M. J. A Meta-Selective Copper-Catalyzed C-H Bond Arylation. Science 2009, 323, 1593–1597. DOI: 10.1126/science.1169975
2. (a) Sattler, A.; Parkin, G. Cleaving carbon–carbon bonds by inserting tungsten into unstrained aromatic rings. Nature 2010, 463, 523–526. DOI: 1038/nature08730 (b) Hu, S.; Shima, T.; Hou, Z. Carbon–carbon bond cleavage and rearrangement of benzene by a trinuclear titanium hydride. Nature 2014, 512, 413–415. DOI: 10.1038/nature13624 (c) D. H. Bugg, T.; J. Winfield, C. Enzymatic Cleavage of Aromatic Rings: Mechanistic Aspects of the Catechol Dioxygenases and Later Enzymes of Bacterial Oxidative Cleavage Pathways. Nat. Prod. Rep. 1998, 15, 513–530. DOI: 10.1039/a815513y
3. Qiu, X.; Sang, Y.; Wu, H.; Xue, X.-S.; Yan, Z.; Wang, Y.; Cheng, Z.; Wang, X.; Tan, H.; Song, S.; Zhang, G.; Zhang, X.; Houk, K. N.; Jiao, N. Cleaving Arene Rings for Acyclic Alkenylnitrile Synthesis. Nature 2021, 597, 64–69. 10.1038/s41586-021-03801-y