Development of Reductive Carbon-Carbon Bond formation with Dihydrogen as an Electron Source

• Project/Area Number: 19K05503
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 34010:Inorganic/coordination chemistry-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: Yatabe Takeshi 九州大学, 工学研究院, 助教 (00748387)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 水素の活性化 / 炭素ー炭素結合生成 / ヒドロゲナーゼ / 二酸化炭素 / 水素 / 還元的カップリング / アリール化 / 炭素炭素結合生成反応 / 電子貯蔵 / ヒドロゲナーゼモデル / 水素酸化 / 異性体 / クロスカップリング

Outline of Research at the Start

本研究では、水素の電子を利用した新規の還元的炭素炭素結合生成反応を構築する。近年、水素をヒドリド源とした還元的炭素炭素結合生成反応は、高い原子効率および次世代エネルギー源の水素の新たな利用として注目されている。しかし、現在報告されている水素を用いた還元的炭素炭素結合生成反応では、ヒドリド中間体を活性種としているため、基質適応範囲が狭いという問題点がある。
そこで本研究では、水素の電子を貯蔵した低原子価種を活性種とする、新たな還元的炭素炭素結合生成反応を構築し、既存の方法では達成できていない有機分子間の炭素炭素結合生成反応の進行を目指す。

Outline of Final Research Achievements

I have obtained four results during the research period in order to construct reductive C-C coupling reactions using H2 as an electron source. I have developed an electron-storage catalyst mimicking NiFe hydrogenase and constructed a reductive C-C coupling reaction of alkyl halides, a C-H arylation of aromatic compounds to form biaryls, and a carboxylic acid synthesis of CO2 with organic halides.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまでの有機合成反応において、水素は主にヒドリド(H-)として利用されている。一方、水素を電子(e-)として利用する研究はほとんど進展していない。本研究課題では、水素を電子として利用するための電子貯蔵触媒の分子設計指針と、実際の有機合成反応への利用を示すことができた。すなわち、水素を電子として利用する新たな有機合成反応を構築する基礎研究として、本研究課題は学術的意義がある。また、今後の水素社会における水素の新たな利用法の一つを提案できる研究として、社会的意義があると考えている。

Research Products

• [Journal Article] Cp*Ir complex with mesobiliverdin ligand isolated from Thermoleptolyngbya sp. O-77 (2022)
  • Author(s): Yamada Kaho、Yatabe Takeshi、Yoon Ki-Seok、Ogo Seiji
  • Journal Title: Journal of Organometallic Chemistry Volume: 964 Pages: 122302-122302
  • DOI: 10.1016/j.jorganchem.2022.122302
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis of acetic acid from CO2, CH3I and H2 using a water-soluble electron storage catalyst (2021)
  • Author(s): Yatabe Takeshi、Kamitakahara Kazuki、Higashijima Kaede、Ando Tatsuya、Matsumoto Takahiro、Yoon Ki-Seok、Enomoto Takao、Ogo Seiji
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 57 Issue: 39 Pages: 4772-4774
  • DOI: 10.1039/d1cc01611c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] C-H Arylation of Benzene with Aryl Halides using H2 and a Water‐Soluble Rh‐Based Electron Storage Catalyst (2021)
  • Author(s): Yatabe Takeshi、Tome Tamon、Takahashi Yukina、Matsumoto Takahiro、Yoon Ki‐Seok、Nakai Hidetaka、Ogo Seiji
  • Journal Title: Chemistry-A European Journal Volume: 27 Issue: 69 Pages: 17326-17330
  • DOI: 10.1002/chem.202102735
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reductive C(sp3)-C(sp3) homo-coupling of benzyl or allyl halides with H2 using a water-soluble electron storage catalyst (2021)
  • Author(s): Yatabe Takeshi、Futakuchi Sayaka、Miyazawa Keishi、Shimauchi Daiki、Takahashi Yukina、Yoon Ki-Seok、Nakai Hidetaka、Ogo Seiji
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 11 Issue: 62 Pages: 39450-39454
  • DOI: 10.1039/d1ra08596d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A NiRhS Fuel Cell Catalyst-Lessons from Hydrogenase. (2020)
  • Author(s): Ogo, Seiji;* Ando, Tatsuya; Thi Minh, Le Tu; Mori, Yuki; Matsumoto, Takahiro; Yatabe, Takeshi; Yoon, Ki-Seok; Sato, Yukio; Hibino, Takashi; Kaneko, Kenji.
  • Journal Title: Chemical Communucations Volume: 56 Issue: 79 Pages: 11787-11790
  • DOI: 10.1039/d0cc04789a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Synthesis of Hydrogen Peroxide in Water by Means of a Rh-Based Catalyst. (2020)
  • Author(s): Ogo, Seiji;* Thi Minh, Le Tu; Kikunaga, Takahiro; Ando, Tatsuya; Matsumoto, Takahiro; Yatabe, Takeshi; Kato, Kenji.
  • Journal Title: Organometallics Volume: 39 Issue: 20 Pages: 3731-3741
  • DOI: 10.1021/acs.organomet.0c00565
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] [NiFe], [FeFe], and [Fe] hydrogenase models from isomers (2020)
  • Author(s): Seiji, Ogo; Takahiro, Kishima; Takeshi, Yatabe; Keishi, Miyazawa; Ryunosuke, Yamasaki; Takahiro, Matsumoto; Tatsuya, Ando; Mitsuhiro, Kikkawa; Miho, Isegawa; Ki-Seok, Yoon; Shinya, Hayami
  • Journal Title: Science Advances Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] A future energy technology based on H2 activation (2020)
  • Author(s): Takeshi Yatabe
  • Organizer: I2CNER International Workshop
  • Invited