Organoborone Catalysts for Specifically Activating Carboxylic Acids
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21H04793
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 47:Pharmaceutical sciences and related fields
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
竹本 佳司 京都大学, 薬学研究科, 教授 (20227060)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥42,640,000 (Direct Cost: ¥32,800,000、Indirect Cost: ¥9,840,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
Fiscal Year 2021: ¥23,660,000 (Direct Cost: ¥18,200,000、Indirect Cost: ¥5,460,000)
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| Keywords | 合成化学 / 触媒化学 / ホウ素触媒 / カルボン酸 / アミド化 / 合成触媒 / レドックス反応 / 極性転換 / 縮合反応 / 一電子還元 / 光反応 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、脂肪酸やアミノ酸など自然界に豊富に存在し安価で入手容易なカルボン酸を保護や誘導化すること無く、そのまま反応に使用して高付加価値な化合物を生み出す「夢の触媒反応」を開拓することである。カルボン酸は極性が高い酸性官能基を有することから、反応基質として直接使用されることは稀であり、触媒研究で唯一残されている未開拓分野である。カルボン酸を求電子剤として利用する縮合反応やエノラート求核剤として利用するα位官能基化を当量の試薬を使用せずに高性能なホウ素触媒のみで行うことを目指す。戦略としては、ホウ素原子の酸素親和性と一電子受容性に着目した触媒設計により前人未踏の分子直接変換反応を開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は以下に示す2つの課題について取り組んだ。
（1）求電子剤としての利用：アミド化の触媒活性向上とラセミ化抑制を志向して、gem-ジボロン酸の1つのホウ素をボロン酸エステルに変更した非対称型ボロン酸の合成に取り組んだ。gem-ジボロン酸のモノボロン酸エステル化とジボロン酸エステルの選択的加水分解反応などを検討したが、そもそも非環状ジボロン酸自体が不安定なため脱ホウ素化が容易に進行した。またgem-ジボロン酸とモノエステル体の混合物を分離精製することの煩雑さなどの理由により、本戦略は断念した。そこで、2つのボロン酸を分子内で保護し、かつ１分子のカルボン酸とのみ錯体を形成するvic-アリールジボロン酸を設計し合成を検討した。種々の合成ルートを検証した結果、ジイン化合物と2つのボロン酸を末端に有するアルキンとの[2+2+2]環化反応により所望のジボロン酸体を収率よく合成できることを見出した。現在、これらの知見を活用し、ホウ素原子の空軌道をsp2からsp3に固定化できる誘導体の合成に取り組んでいる。
（2）求核剤としての利用：まずカルボン酸をアリールボロン酸により活性化することで、一電子還元することが可能かどうかを検証した。一電子還元により生じたラジカルを捕捉するため分子内にオレフィンを有するカルボン酸を用いて反応条件の検討を行ったところ、Ir光触媒及びHantzschエステル、ganma-テルピネン、MS共存下、トルエン中、blue LED照射下、70℃で反応させた際に、ボロン酸触媒存在下でのみ収率よく環化体が得られた。本ヒドロアシル化は、芳香族カルボン酸でのみ進行し脂肪族カルボン酸では原料回収であった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
（1）求電子剤としての利用：当初予定したgem-ジボロン酸の1つのホウ素をボロン酸エステルに変更した非対称型ボロン酸の合成は種々検討したが、非環状ジボロン酸自体が化学的に不安定なため反応中に分解してしまうことが判明した。そこで、gem-ジボロン酸よりも１分子のカルボン酸と選択的に錯体形成すると期待できる、より理想的なB-B結合距離を有する vic-アリールジボロン酸をデザインした。種々の合成ルートを検証した結果、所望のジボロン酸体を収率よく合成できる分子内[2+2+2]環化反応を見出せたので、今後は大幅に研究が進展すると期待している。短期的には、2つのボロン酸を分子内の官能基で保護できる誘導体を合成することで、ホウ素原子の空軌道をsp2からsp3に固定化できる縮環型 vic-アリールジボロン酸をいくつか合成し、触媒活性について検証してゆく予定である。
（2）求核剤としての利用：当初の期待通りに、汎用されるアリールボロン酸の使用により芳香族カルボン酸を一電子還元できることを見出し、分子内ヒドロアシル化反応に成功した。残念ながら、ボロン酸触媒存在下においても、還元電位がより高い脂肪族カルボン酸は原料回収であった。また分子内反応に限られており、分子間反応への展開が今後の課題でもある。この点はより触媒活性の高いボロン酸触媒の開発により解決可能と考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
（1）求電子剤としての利用：アミノ酸を縮合させるペプチド形成反応においては、触媒活性向上とラセミ化抑制の両立が必須であるが、反応を室温下で迅速に行えばラセミ化は抑制できると考えている。そこで、令和3年度に引き続きgem-ジボロン酸を単座配位とする非対称型ボロン酸と共に令和4年度からはvic-ジボロン酸誘導体の合成を検討する。従来の触媒では嵩高いアミノ酸が２分子配位していたが、本設計により新規触媒はカルボン酸と1対1で配位し、さらに2つのルイス酸性ホウ素原子により同時に活性化することでルイス酸性の増強と周辺の嵩高さの解消が期待できる。また本設計により、カルボン酸と共有結合しない側のホウ素配位子を変更することでルイス酸性を自在に調節でき、配位子をビシクロ環状構造にすることでホウ素原子の空軌道をsp2からsp3に固定化し、かつ芳香環との共鳴を阻害することでルイス酸性が格段に上昇することを目論んでいる。このように本項目では2つのボロン酸に異なる触媒機能を付与し、さらにホウ素配位子にブレンステッド塩基作用を組み込むことで触媒活性の飛躍的な触媒活性の向上を実現する。
（2）求核剤としての利用：令和3年度に、芳香族カルボン酸をボロン酸錯体にすることで光励起一電子還元が可能になることを見出し、その分子内ヒドロアシル環化に成功した。今後は、不飽和カルボン酸を基質に用いた光レドックス反応を検討し、分子内および分子間炭素―炭素結合形成反応への可能性を検証する。さらに、ヒドロアシル化の分子間反応への応用を引き続き検討し、ケトン合成のみならず、カルボン酸のヒドリド還元、硫黄、ホウ素、ケイ素試薬等とのカップリング反応により、アルデヒド、チオエステル、アシルボラン、アシルシランなど合成困難なアシル誘導体の直接一段階合成にも取り組む。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
