ビル・モランディ (Bill Morandi、1983年XX月XX日–)はスイスの有機化学者である。スイス連邦工科大学チューリッヒ校教授。

経歴

2006 スイス連邦工科大学チューリッヒ校　卒業
2008 スイス連邦工科大学チューリッヒ校　修士課程終了 (Mattias Peters 教授、François Diederich 教授、Erick M. Carreira 教授)
2012 スイス連邦工科大学チューリッヒ校　博士号取得 (Erick M. Carreira 教授)
2012–2014 カリフォルニア工科大学　博士研究員 (Robert H. Grubbs 教授)
2014–2018 マックスプランク石炭研究所　グループリーダー
2018–2022 スイス連邦工科大学チューリッヒ校　准教授
2022– スイス連邦工科大学チューリッヒ校　教授

受賞歴

2011 Swiss Chemical Society Travel Award
2012 DSM Science and Technology Award Southern Europe
2013 Reaxys PhD Prize Finalist
2013 ETH Medal (Awarded for an outstanding Ph.D. Thesis)
2015 Thieme Journal Award
2016 European Young Chemist Award Special Mention
2016 MS_CEC Young Researcher Award
2016 “Talented 12” Award, Chemical & Engineering News
2016 Early Excellence in Science Award, Bayer
2016 Ružička Preis, ETH Zurich
2017 ADUC Young Talent Award, German Chemical Society
2017 Novartis Early Career Award
2017 Hoechst Dozentenpreis, the Aventis Foundation
2018 Academy Prize for Chemistry, Göttingen Academy of Sciences and Humanities
2018 Carl Duisberg Memorial Prize, German Chemical Society
2020 ChemComm Emerging Investor Lectureship
2023 Tetrahedron Young Investigator Award

研究概要

2014年の研究室主宰以来、官能基の導入や除去といった基本的な変換を高効率化する、コンセプトとして新しい触媒反応の開発にこだわり研究を推進している。

鎖状ポリオール類の脱酸素化反応

豊富なフィードストックを誇るポリオール類は、多岐に変換可能なヒドロキシ基を予め有するため化学品合成の魅力的な原料であるが、その活用には不必要なヒドロキシ基の除去が必須である。このジレンマを解消すべく鎖状ポリオール類の位置選択的な脱酸素(官能基)化反応を複数開発した。触媒量のB(C₆F₅)₃存在下、末端1,2-ジオールにジフェニルシランを加えると環状シロキサン中間体を形成する。その後、トリエチルシランを作用させることで末端選択的に還元的脱酸素化が進行し二級アルコール保護体を与えた^[1a,b]。一方、内部1,2-ジオールを用いると、同様の環状中間体からピナコール型転位が進行しC–O結合が切断される^[1c]。また、ジオールから誘導した環状硫酸エステルを用いた銅触媒による形式的脱酸素型カップリングも報告している^[1d]。

ヒドロキシアミン誘導体を用いたアミン合成

鉄触媒とヒドロキシアミンPivONH₃OTf^[2]やその誘導体を用いたアミノ基導入法を多数報告している。活性種である鉄(III)–イミニルラジカル種または鉄(IV)–アミノ種の生成が鍵であり、不飽和炭化水素や芳香環等に無保護アミンを導入可能である^[3]。オレフィンのアミノヒドロキシ化^[4a]を皮切りに、芳香環のアミノ化^[4b]、オレフィンのアミノクロロ化^[4c]およびアミノアジド化^[4d]、スルフィナミド合成^[4e]を開発した。用いるヒドロキシアミン誘導体の窒素原子上を予め官能基化することで、二級・三級アミンの導入も可能にした^[4f,g]。また、本アミノ化法はN-アルキルイミノホスホラン合成にも適用可能である^[4h]。

官能基移動反応

代表的な業績として、”シャトル触媒”や単結合メタセシスなど、数々の分子間官能基移動反応の開発が知られる。

1)    “シャトル触媒”

不飽和炭化水素の直接官能基化は、鎖状ビルディングブロック合成の礎をなす反応である。高い反応性と引き換えに安全上の懸念や不安定な試薬を用いる場合が多々あり、代替法の開発は意義高い。この課題に対して、遷移金属触媒を用いて二つの分子間で官能基を送受する”シャトル触媒”反応を解決策として提示した。なお、本反応形式は触媒による結合切断および形成によって官能基をドナー/アクセプター分子間で移動させるため本質的に平衡反応であり、正反応/逆反応の制御が課題である。2016年、通常使用が忌避されるシアン化水素の代替としてシアノアルカンを用いたアルキンのヒドロシアノ化を開発した^[5a,b]。正反応では生成するアルケンの揮発、逆反応ではノルボルナジエンの環歪みの解消を駆動力とすることで平衡の制御に成功した。同様の戦略のもと、一酸化炭素と塩酸を使用しないアルケン・アルキンのヒドロクロロカルボニル化も報告している^[5c]。Waldvogelらと共同で電解装置を用いたアルケンのジハロゲン化にも成功した^[5d]。この際ハロアルカンとして、環境汚染物質であるリンダンを使用することも可能である。また、ユニークな反応として、ロジウム触媒による三級アルコールのb-炭素開裂を利用したケトンのヒドロアリール化も報告している^[5e,f]。この他にも、シャトル触媒による芳香族化合物やアルケン、アルキンの官能基化法を多数報告している^[5g–k]。

1)    単結合メタセシス

異なるニつ分子の結合交換反応が進行すれば、一挙にニ分子を変換できる原子効率に優れた手法となる。この際たる例としてオレフィンメタセシスが著名である一方で、単結合の交換反応はあまり知られていない。2017年、パラジウム触媒による芳香族スルフィドとアルキルチオールの単結合メタセシスを開発した^[6a]。本反応は、結合交換後に生じるリチウムチオラート塩が沈殿することを駆動力としている。ニッケル触媒に変更することで閉環メタセシスに適用可能であるほか、多孔質材料の合成法^[6c]として応用できることも報告した。また、パラジウム触媒存在下、ヨードベンゼンを反応開始剤としてビスホスフィンの閉環C–P/C–Pメタセシスが進行することを示した^[6a]。2018年、Arndtsenら^[7]とほぼ同時に、パラジウム触媒による芳香族ヨウ素化物と芳香族酸塩化物のアリール交換反応を報告した^[6d]。配位子として二座ホスフィンXantPhosを用いることが鍵である。本反応は、基質が触媒に酸化的付加したのち、基質由来のアリール配位子が金属中心から配位子のリン原子上に移動して生じるホスホニウム塩を経由することが示唆されている。その他のアリール交換反応として、ニッケル触媒を用いた芳香族スルフィドと芳香族シアノ化合物の結合交換反応の開発に成功した^[6e]。芳香族スルフィドと芳香族シアノ化合物がそれぞれ酸化的付加し、酸化的付加錯体間でのアリール交換、続く還元的脱離によって反応が進行すると提唱されている^[6f]。

上述した単結合メタセシスの機構解明にて得られたホスホニウム塩形成に関する知見を生かし、トリアリールホスフィンのリン原子上置換基改変法を開発した^[8a]。トリアリールホスフィンにアルキルブロミドを加えホスホニウム塩を形成した後、ニッケル触媒とアリール捕捉剤としてフェニルボロン酸を作用させることでアルキルジアリールホスフィンを与える。リン原子上に三級アルキル基をもつ場合には、P–C(sp²)結合よりもP–C(sp³)結合の方が優先的に切断されることを発見し、この結果をもとに、遷移金属触媒を用いない求電子剤同士のクロスカップリング反応の開発に成功した^[8b]。二級アルキル基を有するホスホニウム塩にLiHMDSとアルキルハライドのみを加えることで、ホスホニウム塩のアルキル化、続くアミドアニオンからの一電子移動が進行し、カップリング体が得られる。

今回取り上げた以外にも、1価のニッケル錯体の合成^[9]や骨格編集反応^[10]、機能性材料の開発^[11]等まで研究の裾野を広げている。

動画

Bill Morandi Talented 12 Class of 2016, Chemistry & Engineering News^[12]

コメント&その他

• フランス語圏のフリブール出身で母語はフランス語。英語とドイツ語も完璧に話すトリリンガルである。
• 学部と修士課程では生物とケミカルバイオロジーを専攻していた^[12]。
• Carreira研では、全合成ではなく遷移金属触媒を用いた反応開発に従事していた(筆頭9報)。
• Grubbs研では内部オレフィンのワッカー型酸化反応の開発を行っていた。
• 若き頃は卓球にのめり込んでいた^[13]。
• ロールモデルはカール・ツィーグラー^[13]。
• 真っ黒のTシャツとデニムをいつも着ている^[14]。
• グループ写真を撮る際には、モランディ教授に合わせて全員が黒い服を着用する^[14]。
• いつもコカコーラを飲んでいるが、実はバニラ味のファンタがお好きらしい^[14]。
• とても気さくで面白く、どんな質問にも答えてくれる優しい先生である。

関連文献

1. (a) Drosos, N.; Morandi, B. Boron-Catalyzed Regioselective Deoxygenation of Terminal 1,2-Diols to 2-Alkanols Enabled by the Strategic Formation of a Cyclic Siloxane Intermediate. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 8814–8818. 10.1002/anie.201503172 (b) Cheng, G.-J.; Drosos, N.; Morandi, B.; Thiel, W. Computational Study of B(C₆F₅)₃‑Catalyzed Selective Deoxygenation of 1,2-Diols: Cyclic and Noncyclic Pathways. ACS Catal. 2018, 8, 1697–1702. 10.1021/acscatal.7b04209 (c) Drosos, N.; Cheng, G.; Ozkal, E.; Cacherat, B.; Thiel, W.; Morandi, B. Catalytic Reductive Pinacol-Type Rearrangement of Unactivated 1,2-Diols through a Concerted, Stereoinvertive Mechanism. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56 (43), 13377–13381. 10.1002/anie.201704936 (d) Ramírez-Contreras, R.; Morandi, B. Chemo- and Regioselective Functionalization of Polyols through Catalytic C(Sp³)–C(Sp³) Kumada-Type Coupling of Cyclic Sulfate Esters. Org. Lett. 2016, 18, 3718–3721. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.6b01745
2. Guimond, N.; Gorelsky, S. I.; Fagnou, K. Rhodium(III)-Catalyzed Heterocycle Synthesis Using an Internal Oxidant: Improved Reactivity and Mechanistic Studies. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 6449–6457. 10.1021/ja201143v
3. (a) Chatterjee, S.; Harden, I.; Bistoni, G.; Castillo, R. G.; Chabbra, S.; Gastel, M. van; Schnegg, A.; Bill, E.; Birrell, J. A.; Morandi, B.; Neese, F.; DeBeer, S. A Combined Spectroscopic and Computational Study on the Mechanism of Iron-Catalyzed Aminofunctionalization of Olefins Using Hydroxylamine Derived N–O Reagent as the “Amino” Source and “Oxidant.” J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 2637–2656. 10.1021/jacs.1c11083 (b) Zhou, Y.; Ni, J.; Lyu, Z.; Li, Y.; Wang, T.; Cheng, G.-J. Mechanism and Reaction Channels of Iron-Catalyzed Primary Amination of Alkenes by Hydroxylamine Reagents. ACS Catal. 2023, 13, 1863–1874. 10.1021/acscatal.2c06046
4. (a) Legnani, L.; Morandi, B. Direct Catalytic Synthesis of Unprotected 2-Amino-1-Phenylethanols from Alkenes by Using Iron(II) Phthalocyanine. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 2248–2251.10.1002/anie.201507630 (b) Legnani, L.; Cerai, G. P.; Morandi, B. Direct and Practical Synthesis of Primary Anilines through Iron-Catalyzed C–H Bond Amination. ACS Catal. 2016, 6, 8162–8165. 10.1021/acscatal.6b02576 (c) Legnani, L.; Prina-Cerai, G.; Delcaillau, T.; Willems, S.; Morandi, B. Efficient Access to Unprotected Primary Amines by Iron-Catalyzed Aminochlorination of Alkenes. Science 2018, 362, 434–439. 10.1126/science.aat3863 (d) Makai, S.; Falk, E.; Morandi, B. Direct Synthesis of Unprotected 2‑Azidoamines from Alkenes via an Iron-Catalyzed Difunctionalization Reaction. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 21548–21555. 10.1021/jacs.0c11025 (e) Chatterjee, S.; Makai, S.; Morandi, B. Hydroxylamine-Derived Reagent as a Dual Oxidant and Amino Group Donor for the Iron-Catalyzed Preparation of Unprotected Sulfinamides from Thiols. Angew. Chem., Int. Ed. 2021, 60, 758–765. 10.1002/anie.202011138 (f) Falk, E.; Makai, S.; Delcaillau, T.; Gürtler, L.; Morandi, B. Design and Scalable Synthesis of N-Alkylhydroxylamine Reagents for the Direct Iron-Catalyzed Installation of Medicinally Relevant Amines. Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 21064–21071. 10.1002/anie.202008247 (f) Falk, E.; Gasser, V. C. M.; Morandi, B. Synthesis of N-Alkyl Anilines from Arenes via Iron-Promoted Aromatic C–H Amination. Org. Lett. 2021, 23, 1422–1426. 10.1021/acs.orglett.1c00099 (g) Falk, E.; Franchino, A.; Horak, T.; Gürtler, L.; Morandi, B. Azide-Free Synthesis of N-Alkyliminophosphoranes from Phosphines and Hydroxylamine Derivatives. Org. Lett. 2023, 25, 1695–1700. 10.1021/acs.orglett.3c00366
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7. Macias, M. D. L. H.; Arndtsen, B. A. Functional Group Transposition: A Palladium-Catalyzed Metathesis of Ar–X σ‑Bonds and Acid Chloride Synthesis. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10140–10144. 10.1021/jacs.8b06605
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11. Green, O.; Finkelstein, P.; Rivero-Crespo, M. A.; Lutz, M. D. R.; Bogdos, M. K.; Burger, M.; Leroux, J.-C.; Morandi, B. Activity-Based Approach for Selective Molecular CO₂ Sensing. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 8717–8724. 10.1021/jacs.2c02361
12.  Bill Morandi Talented 12 Class of 2016, Chemistry & Engineering News https://www.youtube.com/watch?v=uxJyuhpG1_Q
13. Bill Morandi Talented 12 Class of 2016, Chemistry & Engineering News https://cen.acs.org/articles/94/i33/Talented-12.html#Bill-Morandi
14. Morandi研出身の方から情報提供いただきました。

関連リンク

• 研究室HP
• 可視光でスイッチON！C(sp3)–Hにヨウ素をシャトル！
• アルケンとニトリルを相互交換する