Development of sp3 C-H functionalization of simple alkane by dynamic exiton photocatalyst

• Project Area: Dynamic Exciton: Emerging Science and Innovation
• Project/Area Number: 20H05843
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 三ツ沼 治信 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 助教 (20823818)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥43,420,000 (Direct Cost: ¥33,400,000、Indirect Cost: ¥10,020,000); Fiscal Year 2024: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000); Fiscal Year 2023: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2022: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2021: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2020: ¥15,210,000 (Direct Cost: ¥11,700,000、Indirect Cost: ¥3,510,000)
• Keywords: 動的エキシトン / 光増感分子 / アルカン / sp3C-H結合活性化 / 有機金属

Outline of Research at the Start

本研究課題では、光増感分子触媒により生成する光電荷分離状態を利用した有機合成を「動的エキシトン」の概念の発展系と捉える。そこで近年、アトム・ステップエコノミーを満たす理想的な分子変換法として注目されている触媒的sp3C-H結合官能基化反応に着目した。既存の光増感分子触媒では光エネルギーを効率的に利用できておらず、反応形式が限定的であった。今回、動的エキシトンを利用した光増感分子触媒を活用することで単純アルカンを基質としたsp3C-H結合の有機金属種への変換を基軸とする分子変換を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

動的エキシトンを利用した光増感分子触媒を活用することで単純アルカンを基質としたsp3C-H結合の有機金属種への変換を基軸とする分子変換を目指すこととした。本研究を達成するためには安定なアルカンのsp3C-H結合を引き抜き、さらに低原子価遷移金属種を生成させることが必要である。このような反応系を実現するには、既存触媒では達成困難であった電荷分離状態の寿命と量子収率を実現することが必要である。前年度までに見出した分子間ドナー・アクセプター分子を利用した電荷移動錯体を用いることで本提案の当初の目的である高活性な触媒種の生成に成功している。今年度はケトンのアリル化に応用するため、金属触媒の検討を行ったところ、電子豊富なクロム錯体を用いたところ、高い反応性を示すことを見出した。本触媒を用いたところ反応は芳香族ケトンにて高収率で進行しただけでなく、脂肪族ケトンに対しても適用が可能であった。またルイス酸を添加剤として加えることで変換効率が向上することが明らかになった。ルイス酸の添加により、ドナーアクセプター間の電子移動効率や、炭素結合形成反応の反応速度が向上したことが考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

前年度までに見出した分子間ドナー・アクセプター分子を利用した電荷移動錯体を用いることで本提案の当初の目的である高活性な触媒種の生成に成功している。今年度はケトンのアリル化に応用するため、金属触媒の検討を行ったところ、電子豊富なクロム錯体を用いたところ、高い反応性を示すことを見出した。またルイス酸を添加剤として加えることで変換効率が向上することが明らかになった。

Strategy for Future Research Activity

本研究を達成するためには安定なアルカンのsp3C-H結合を引き抜き、さらに低原子価遷移金属種を生成させることが必要である。このような反応系を実現するには、既存触媒では達成困難であったエネルギーレベルの高い電荷分離状態を作り出し活性種を生成することが求められる。前年度までに申請者は電子豊富なクロム錯体を用いることで所望のケトンのアリル化反応が進行することを見出している。一方で反応の進行につれ、金属触媒の分解が見られ、反応が完全に停止してしますことが示唆されている。そこで今後は金属触媒の安定化と共に、ドナーアクセプター錯体の光吸収の長波長化に取り組み、活性触媒の分解を防ぐことに取り組む。

Research Products

• [Journal Article] Quantitative Assays for Catalytic Photo-Oxygenation of Alzheimer Disease-Related Tau Proteins (2023)
  • Author(s): Umeda Hiroki、Sawazaki Taka、Furuta Masahiro、Suzuki Takanobu、Kawashima Shigehiro A.、Mitsunuma Harunobu、Hori Yukiko、Tomita Taisuke、Sohma Youhei、Kanai Motomu
  • Journal Title: ACS Chemical Neuroscience Volume: 14 Issue: 15 Pages: 2710-2716
  • DOI: 10.1021/acschemneuro.3c00264
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Lewis Acid-Conjugated Pyrene Photoredox Catalyst Promoting the Addition Reaction of α-Silyl Amines with Benzalmalononitriles (2022)
  • Author(s): Katayama Yuri、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
  • Journal Title: Chemical and Pharmaceutical Bulletin Volume: 70 Issue: 11 Pages: 765-768
  • DOI: 10.1248/cpb.c22-00526
  • ISSN: 0009-2363, 1347-5223
  • Year and Date: 2022-11-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Site-Selective α-Alkylation of 1,3-Butanediol Using a Thiophosphoric Acid Hydrogen Atom Transfer Catalyst (2022)
  • Author(s): Nakao Hiroyasu、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
  • Journal Title: Chemical and Pharmaceutical Bulletin Volume: 70 Issue: 8 Pages: 540-543
  • DOI: 10.1248/cpb.c22-00299
  • ISSN: 0009-2363, 1347-5223
  • Year and Date: 2022-08-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Titanium(IV) Chloride-Catalyzed Photoalkylation via C(sp3)-H Bond Activation of Alkanes (2022)
  • Author(s): Yamane Mina、Kanzaki Yamato、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
  • Journal Title: Organic Letters Volume: 24 Issue: 7 Pages: 1486-1490
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.2c00138
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of a Self-Photosensitizing Hydrogen Atom Transfer Organocatalyst System (2022)
  • Author(s): Fuse Hiromu、Irie Yu、Fuki Masaaki、Kobori Yasuhiro、Kato Kosaku、Yamakata Akira、Higashi Masahiro、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 14 Pages: 6566-6574
  • DOI: 10.1021/jacs.2c01705
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Catalytic Alkylation of Ketones via sp3 C-H Bond Activation (2022)
  • Author(s): Peng Xue、Hirao Yuki、Yabu Shunsuke、Sato Hirofumi、Higashi Masahiro、Akai Takuya、Masaoka Shigeyuki、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
  • Journal Title: The Journal of Organic Chemistry Volume: 無し Issue: 10 Pages: 0000-0000
  • DOI: 10.1021/acs.joc.2c00603
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Linear‐Selective Allylation of Aldehydes with Simple Alkenes Mediated by Quadruple Hybrid Catalysis (2022)
  • Author(s): Irie Yu、Chen Hongyu、Fuse Hiromu、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
  • Journal Title: Advanced Synthesis & Catalysis Volume: 364 Issue: 19 Pages: 3378-3383
  • DOI: 10.1002/adsc.202200704
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recent Progress in Chromium-Mediated Carbonyl Addition Reactions (2021)
  • Author(s): Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu、Katayama Yuri
  • Journal Title: Synthesis Volume: 54 Issue: 07 Pages: 1684-1694
  • DOI: 10.1055/a-1696-6429
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Siloxy Esters as Traceless Activators of Carboxylic Acids: Boron‐Catalyzed Chemoselective Asymmetric Aldol Reaction** (2021)
  • Author(s): Fujita Taiki、Yamane Mina、Sameera W. M. C.、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 60 Issue: 46 Pages: 24598-24604
  • DOI: 10.1002/anie.202109788
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A 4-hydroxyproline/trimethyl borate system for asymmetric synthesis of triple aldols from double aldol cyclic hemiacetals (2021)
  • Author(s): Hirao Yuki、Kanzaki Yamato、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
  • Journal Title: Tetrahedron Volume: 98 Pages: 132448-132448
  • DOI: 10.1016/j.tet.2021.132448
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Data-driven catalyst optimization for stereodivergent asymmetric synthesis by iridium/boron hybrid catalysis (2021)
  • Author(s): Chen Hongyu、Yamaguchi Shigeru、Morita Yuya、Nakao Hiroyasu、Zhai Xiangning、Shimizu Yohei、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
  • Journal Title: Cell Reports Physical Science Volume: 2 Issue: 12 Pages: 100679-100679
  • DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100679
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 不活性アルケンを用いたケトンの触媒的アリル化反応 (2024)
  • Author(s): 有井優，陳 虹宇，三ツ沼治信，金井求
  • Organizer: 日本化学会 第104春季年会
• [Presentation] Identification of a Self-Photosensitizing Hydrogen Atom Transfer Organocatalyst System (2023)
  • Author(s): H. Mitsunuma, H. Fuse, Y. Irie, M. Fuki, Y. Kobori, K. Kato, A. Yamakata, M. Higashi, M. Kanai
  • Organizer: 243rd Meeting of The Electrochemical Society
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 電荷移動錯体を利用した光駆動型有機水素原子移動触媒の開発 (2023)
  • Author(s): 三ツ沼 治信・布施 拡・入江 優・婦木 正明・小堀 康博・ 加藤 康作・山方 啓・東 雅大・金井 求
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
  • Invited
• [Presentation] Grignard反応の革新を目指して (2023)
  • Author(s): 三ツ沼 治信
  • Organizer: 有機金属化学若手の会
  • Invited
• [Presentation] Grignard反応の革新を目指して (2023)
  • Author(s): 三ツ沼 治信
  • Organizer: 神戸大学有機反応化学研究会
  • Invited
• [Presentation] Development of Catalytic Asymmetric Allylation of Ketones Using Unactivated Alkenes (2023)
  • Author(s): 有井優，陳 虹宇，三ツ沼治信，金井求
  • Organizer: 第39回 有機合成化学セミナー
• [Presentation] 臨床応用を指向した超音波によるAmyloid β酸素化触媒の開発研究 (2023)
  • Author(s): 渥美 渉、川畑 恵一、山根 三奈、大井 未来、三ツ沼 治信、堀 由起子、富田 泰輔、相馬 洋平、金井 求
  • Organizer: 日本薬学会第143回年会
• [Presentation] 生体レベルでの応用を志向した 高活性アミロイド光酸素化触媒の開発研究 (2023)
  • Author(s): 古田 将大、堀 由起子、富田 泰輔、相馬 洋平、三ツ沼 治信、金井 求
  • Organizer: 日本薬学会第143回年会
• [Presentation] Relationships between catalyst-promoted oxygenation level of amyloid β and cytotoxicity (2023)
  • Author(s): Ryota Matsukawa, Masahiro Furuta, Harunobu Mitsunuma, Shigehiro A. Kawashima, Youhei Sohma, Motomu Kanai
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] 不活性アルケンを用いた四成分触媒系によるアルデヒドのlinear選択的アリル化 (2023)
  • Author(s): 入江 優 、陳 虹宇、布施 拡 、三ツ沼 治信 、金井 求
  • Organizer: 日本薬学会第143年会
• [Presentation] アルツハイマー病患者由来のタウアミロイドに対する触媒的光酸素化 (2023)
  • Author(s): Hiroki Umeda, Taka Sawazaki, Takanobu Suzuki, Masahiro Furuta, Harunobu Mitsunuma, Yukiko Hori, Taisuke Tomita, Youhei Sohma, Motomu Kanai
  • Organizer: 日本薬学会第143年会
• [Presentation] ルイス酸共役型ピレン光レドックス触媒による α-シリルアミンのラジカル付加反応 (2023)
  • Author(s): 片山 友里、三ツ沼 治信、金井 求
  • Organizer: 日本薬学会第143年会
• [Presentation] タンパク質内電子伝達モデルペプチドの創製 (2023)
  • Author(s): 豊邉萌、三ツ沼治信、金井求
  • Organizer: 日本薬学会第143年会
• [Presentation] Titanium-Catalyzed Intermolecular Radical Addition to Ketones via sp3 C-H Bond Activation (2022)
  • Author(s): Harunobu Mitsunuma, Xue Peng, Yuki Hirao, Shunsuke Yabu, Hirofumi Sato, Masahiro Higashi, Motomu Kanai
  • Organizer: 241st ECS meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 電荷移動錯体を利用した光駆動型有機水素原子移動触媒の開発 (2022)
  • Author(s): 三ツ沼 治信・布施 拡・入江 優・婦木 正明・小堀 康博・加藤 康作・山方 啓・東 雅大・金井 求
  • Organizer: 2022年光化学討論会
  • Invited
• [Presentation] Titanium-Catalyzed Intermolecular Radical Addition to Ketones via sp3 C-H Bond Activation (2022)
  • Author(s): Xue Peng, Yuki Hirao, Shunsuke Yabu, Hirofumi Sato, Masahiro Higashi, Harunobu Mitsunuma, Motomu Kanai
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] パーキンソン病治療戦略を指向したαシヌクレインに対する光酸素化触媒 (2022)
  • Author(s): 岩井 篤志・永島 臨・中村 麗人・富澤 郁美・三ツ沼 治信・堀 由起子・富田 泰輔・相馬 洋平・金井 求
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] 脳内移行性を有するアミロイドβ光酸素化触媒の開発 (2022)
  • Author(s): 古田将大、永島臨、小澤柊太、大井未来、堀由起子、富田泰輔、相馬洋平、金井求
  • Organizer: 日本薬学会第142回年会
• [Presentation] 臨床応用を指向したトランスサイレチン アミロイドの触媒的光酸素化 (2022)
  • Author(s): 山根三奈、岩井篤志、永島臨、三ツ沼治信、岡田匡充、山中邦俊、 植田光晴、安東由喜雄、相馬洋平、金井求
  • Organizer: 日本薬学会第142回年会
• [Presentation] TiCl4をHAT光触媒とするアルカンC(sp3)－H活性化反応 (2022)
  • Author(s): 山根 三奈、神崎 倭 、三ツ沼 治信、金井 求
  • Organizer: 日本薬学会第143回年会
• [Presentation] Linear-Selective Allylation of Aldehydes with Simple Alkenes Mediated by Quadruple Hybrid Catalysis (2022)
  • Author(s): Yu Irie, Hongyu Chen, Hiromu Fuse, Harunobu Mitsunuma, Motomu Kanai
  • Organizer: 有機合成セミナー
• [Presentation] 不活性アルケンを用いたアルデヒドのlinear選択的アリル化 (2022)
  • Author(s): 入江 優 、布施 拡 、三ツ沼 治信 、金井 求
  • Organizer: 日本薬学会第142年会
• [Presentation] タウの凝集アミロイドを対象とした 光酸素化触媒の探索 (2022)
  • Author(s): Hiroki Umeda, Taka Sawazaki, Takanobu Suzuki, Masahiro Furuta, Harunobu Mitsunuma, Yukiko Hori, Taisuke Tomita, Youhei Sohma, Motomu Kanai
  • Organizer: 日本薬学会第142年会
• [Presentation] Catalytic Allylation of Aldehydes Using Feedstock Alkenes (2021)
  • Author(s): Harunobu Mitsunuma, Shun Tanabe, Motomu Kanai
  • Organizer: 239th ECS meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Catalytic Allylation of Aldehydes Using Feedstock Alkenes (2021)
  • Author(s): Harunobu Mitsunuma, Shun Tanabe, Motomu Kanai
  • Organizer: The 11th International Conference on Flexible and Printed Electronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 石油資源アルケンを用いたアルデヒドの触媒的アリル化 (2021)
  • Author(s): 三ツ沼 治信, 田辺 駿, 金井 求
  • Organizer: 2021年光化学討論会
  • Invited
• [Presentation] 光触媒を用いたN-ヘテロ芳香環のヒドロキシアルキル化 (2021)
  • Author(s): 中尾裕康、布施拡、嵯峨裕、深津亜里紗、近藤美欧、正岡重行、三ツ沼治信、金井求
  • Organizer: 日本薬学会 第141年会（広島）
• [Presentation] データ駆動型分子設計を利用したイリジウム/ホウ素ハイブリッド触媒系によるカルボン酸α位不斉アリル化反応の最適化 (2021)
  • Author(s): 陳虹宇、山口滋、森田雄也、中尾裕康、翟湘寧、清水洋平、三ツ沼治信、金井 求
  • Organizer: 日本薬学会 第141年会（広島）
• [Presentation] ホウ素・ケイ素二元素重奏的活性化による、カルボン酸選択的触媒的不斉アルドール反応の開発 (2021)
  • Author(s): 藤田大樹、三ツ沼治信、金井求
  • Organizer: 日本薬学会 第141年会（広島）
• [Presentation] クロム触媒を用いたアルデヒドの直鎖選択的アルキル化 (2021)
  • Author(s): 片山友里、平尾祐樹、三ツ沼治信、金井求
  • Organizer: 日本薬学会 第141年会（広島）
• [Presentation] 三成分ハイブリッド触媒系を用いたアリル位C(sp3)-H結合活性化によるアルデヒドの直接的アリル化反応の開発 (2021)
  • Author(s): 田辺駿、三ツ沼治信、金井求
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会（オンライン）
• [Presentation] Chemo-, Diastereo-, and Enantioselective Catalytic aldol Reaction of Carboxylic Acids by Boron and Silicon Hybrid Activation (2021)
  • Author(s): Taiki Fujita, Harunobu Mitsunuma, Motomu Kanai
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会（オンライン）
• [Presentation] Photocatalytic redox-neutral hydroxyalkylation of N-heteroaromatics with aldehydes (2021)
  • Author(s): Hiromu Fuse, Yasuhiro Nakao,Yutaka Saga,Arisa Fukatsu,Mio Kondo,Shigeyuki Masaoka,Harunobu Mitsunuma,Motomu Kanai
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会（オンライン）
• [Presentation] クロム触媒を用いたアルデヒドの直鎖選択的アルキル化 (2021)
  • Author(s): 平尾祐樹、片山友里、三ツ沼治信、金井求
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会（オンライン）
• [Presentation] Catalytic Asymmetric Allylation of Aldehydes Using Unactivated Alkenes (2020)
  • Author(s): Harunobu Mitsunuma、Shun Tanabe、Motomu Kanai
  • Organizer: 第18回次世代を担う有機化学シンポジウム