クーロン相互作用選択的活性化による新規分子変換法

• Project/Area Number: 21K18204
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 33:Organic chemistry and related fields
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 荒井 孝義 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (80272483)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000); Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥15,730,000 (Direct Cost: ¥12,100,000、Indirect Cost: ¥3,630,000)
• Keywords: クーロン相互作用 / 赤外光 / 振動エネルギー / 反応化学 / フロー合成

Outline of Research at the Start

本課題では、『赤外光による反応基質もしくは反応中間体の官能基選択的な活性化』によって斬新な分子変換法を創出する。官能基選択的活性化を達成するための鍵は、『官能基が照射光の波長に強い吸収を有すること』そして『照射光のエネルギーを吸収した後、そのエネルギーが分子全体の振動エネルギーに発散せず、目的とする結合解裂に用いられること』である。この要求を満たす結合としてイオン結合を選択する。赤外光によってクーロン相互作用が強いイオン結合を選択的に活性化することで官能基選択的な活性化を実現し、反応化学・触媒化学を変革するとともに、合成プロセスに強力な新手法を提供する。

Outline of Annual Research Achievements

化学反応において、高い立体選択性を得ようとすれば、通常、反応温度を下げる。一方、反応温度を下げれば、反応は遅くなり、反応効率は悪化する。このジレンマを解消するには、低温反応条件下において、反応点となる官能基のみを合目的に活性化する手法が必要になる。原料や生成物は勿論、反応に用いる試薬ならびに触媒には、各々の分子が機能するために重要な官能基が存在し、それらの官能基には特徴的な赤外吸収（特性吸収帯）が存在する。本研究では、赤外光を用いることで「官能基選択的な活性化」を実現し、反応化学、触媒化学、合成プロセスに新手法を提供することを目的としている。
これまでに研究行ってきた赤外光によって加速が期待される代表的な反応系（ニトロアルケンへのチオールの共役付加反応など）について、反応基質が有する特性吸収帯に対応する赤外光の照射によって反応が加速されることを確認した一方、明瞭な吸収帯を有さない領域の波長の光を強く照射しても有意な加速を確認されず、官能基選択的な光加速効果が確認されてきた。
とくに、２０２３度は特に赤外吸収の強いカルボニル基を有する分子を中心に、求核基質にカルボニル基を有する反応系、求電子側の基質にカルボニル基を有する反応系（もしくはその双方）を検討した。カルボニル基を導入した基質を用いる事でより効果的に反応加速を確認できたが、生成物にカルボニル基が残存する場合には逆反応も起こりやすく、比較的速い平衡状態となることも確認された。赤外吸収を基軸とする反応開発の特徴かもしれないが、熱反応としても理解できる結果であり、熱反応との差別化が困難であることも示している結果である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

２０２２年度に導入した「卓上型核磁気共鳴装置」により、多くの反応を逐次的に解析できるようになり、赤外吸収を基軸とする反応の特徴を分類できるようになってきた。研究計画書に当初申請していた「卓上型単結晶X線結晶構造解析装置」については、千葉大学共用機器センターに新型の大型単結晶X線結晶構造解析装置が整備され、精度良く分子構造並びに分子間相互作用を解明することができるようになっている。これにより、「研究実績の概要」に記載の成果を着実に得ている。
赤外光による反応特異性については、現状熱反応との差別化が不十分であり、改善しなければならないが、反応加速の効果は確認できており、概ね順調に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究で、赤外光によって反応が加速される系を見いだすことができているが、その多くは加熱反応でも実施することが出来るものであり、赤外光に特異的な反応とはなっていない。最終年度は、赤外光が真に官能基選択的に分子活性化しなければ進行しない反応系、具体的には金属カルボニル基を有する触媒の赤外光による選択的活性化やタンデム反応による平衡系からの脱却などを計画している。
溶液状態では分子運動による熱拡散も反応結果が熱反応によるものと差別化し難い要因になっている。熱拡散の影響を軽減するため、粉末もしくは結晶表面での反応への赤外照射も検討する計画である。この目的には、千葉大学共用機器センターに導入された単結晶X線結晶構造解析装置ならびに粉末X線結晶構造解析装置を用いる。
さらに最終年度の研究では、研究計画で立てた最終目標である二酸化炭素の赤外光励起にも取り組む。気体の二酸化炭素は勿論熱拡散が大きいため、MOFによるガス吸着や固体触媒による活性化などと融合して研究を推進する。

Research Products

• [Journal Article] σ-ホールが反応の選択性を変える ―アルケンとハロシアン（XCN）の反応はシアノハロ化？ それともハロシアノ化？ (2024)
  • Author(s): 荒井 孝義
  • Journal Title: 化学 Volume: 79(2) Pages: 12-15
• [Journal Article] Halogenation/Cyanation vs. Cyanation/Halogenation of Alkenes Using ICN and BrCN (2023)
  • Author(s): Furusawa Ikumi、Suzuki Takumi、Yu Yan、Arai Takayoshi
  • Journal Title: Advanced Synthesis & Catalysis Volume: 365 Issue: 19 Pages: 3247-3252
  • DOI: 10.1002/adsc.202300458
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Asymmetric <i>para</i>-Selective aza-Friedel-Crafts Reaction of Phenols Catalyzed by Bulky PyBidine-Ni(OAc)₂ (2023)
  • Author(s): Tajima Ryoya、Saito Takaaki、Arai Takayoshi
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 13 Issue: 14 Pages: 9495-9501
  • DOI: 10.1021/acscatal.3c01961
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Asymmetric Friedel?Crafts-Type Reaction of 2-Vinylindoles to <i>N</i>-Boc Imines Using a Chiral Imidazolidine-Containing NCN-Pincer Pd Catalyst (2023)
  • Author(s): Yokota Tomoya、Masu Hyuma、Arai Takayoshi
  • Journal Title: J. Org. Chem. Volume: 88 Issue: 12 Pages: 7872-7881
  • DOI: 10.1021/acs.joc.2c02911
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 触媒で化学反応の位置選択性を変える-安価で安全な医薬品合成ルートの開発に期待- (2023)
  • Author(s): 荒井 孝義
  • Journal Title: JETI Volume: 71(10) Pages: 54-57
• [Journal Article] Chiral Aminomethylbinaphthol-Catalyzed Diastereo- and Enantioselective Epoxidation of Trisubstituted Acrylonitriles (2022)
  • Author(s): Ogino, E.; Kuwano, S.; Arai, T.
  • Journal Title: Adv. Synth. Catal. Volume: 364 Issue: 8 Pages: 1503-1506
  • DOI: 10.1002/adsc.202200036
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intermolecular Catalytic Asymmetric Iodoetherification of Unfunctionalized Alkenes (2022)
  • Author(s): Suzuki Takumi K.、Yamanaka Masahiro、Arai Takayoshi
  • Journal Title: Organic Letters Volume: 24 Issue: 21 Pages: 3872-3877
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01490
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ハロゲン結合を駆動力とする触媒的不斉ヨードラクトン化 (2022)
  • Author(s): 荒井 孝義
  • Journal Title: Farumashia Volume: 58 Issue: 10 Pages: 923-927
  • DOI: 10.14894/faruawpsj.58.10_923
  • ISSN: 0014-8601, 2189-7026
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ハロゲン結合ドナー触媒を用いる立体選択的有機合成 (2022)
  • Author(s): 荒井孝義
  • Journal Title: ファインケミカル Volume: 51 Pages: 5-13
• [Journal Article] Chiral <i>C</i>₂-Symmetric Aminomethylbinaphthol as Synergistic Catalyst for Asymmetric Epoxidation of Alkylidenemalononitriles: Easy Access to Chiral Spirooxindoles (2021)
  • Author(s): Ogino Eri、Nakamura Ayu、Kuwano Satoru、Arai Takayoshi
  • Journal Title: Organic Letters Volume: 23 Issue: 6 Pages: 1980-1985
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.0c04245
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enantio- and diastereoselective double Mannich reaction of malononitrile with <i>N</i>-Boc imines using quinine-derived bifunctional organoiodine catalyst (2021)
  • Author(s): Kuwano Satoru、Ogino Eri、Arai Takayoshi
  • Journal Title: Organic &amp; Biomolecular Chemistry Volume: 19 Issue: 32 Pages: 6969-6973
  • DOI: 10.1039/d1ob00796c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Hypervalent Cyclic Dibenzoiodolium Salt as a Halogen‐Bond‐Donor Catalyst for the [4+2] Cycloaddition of 2‐Alkenylindoles (2021)
  • Author(s): Nishida Yuki、Suzuki Takumi、Takagi Yuri、Amma Emi、Tajima Ryoya、Kuwano Satoru、Arai Takayoshi
  • Journal Title: ChemPlusChem Volume: 86 Issue: 5 Pages: 741-744
  • DOI: 10.1002/cplu.202100089
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 光学活性NCNピンサーニッケル錯体を用いた触媒的不斉合成の開発 (2024)
  • Author(s): 横田 智也、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第104春季年会 (2024)
• [Presentation] 光学活性ビスイミダゾリジンピリジンーコバルト触媒を用いる立体選択的なスピロシクロプロピルオキシインドール誘導体の合成 (2024)
  • Author(s): 齋藤 孝明、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第104春季年会 (2024)
• [Presentation] アザボラニル類の発光特性とハロゲン原子置換の効果 (2024)
  • Author(s): 澤田 輝貴、安井 将満、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第104春季年会 (2024)
• [Presentation] フェノールのパラ位選択的ヨウ素化とアザジエンとのオルト位環化反応 (2024)
  • Author(s): 曹 偉杰、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第104春季年会 (2024)
• [Presentation] 光学活性イミダゾリンt-ブチルエステル-銅錯体を用いるニトロアルケンとイミノエステルのexo選択的不斉[3+2]環化付加反応 (2024)
  • Author(s): ウ ゲン、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第104春季年会 (2024)
• [Presentation] σ-ホール触媒を用いるヨードシアノ化反応の開発 (2024)
  • Author(s): 古澤 郁実、于 言、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第104春季年会 (2024)
• [Presentation] グアニン四重鎖（G４）リガンドとしての新規大環状ピリドンペンタマーの開発 (2024)
  • Author(s): 磯部 えみな、荒井 孝義、飯田 圭介
  • Organizer: 日本化学会 第104春季年会 (2024)
• [Presentation] 光学活性ビスアミノイミノビナフトール亜鉛複核錯体を用いる ortho-アリルフェノール誘導体を基質とした不斉分子内ヨードエーテル化反応 (2023)
  • Author(s): 南波侑希、荒井孝義
  • Organizer: 有機合成化学協会 第85回関東支部シンポジウム
• [Presentation] Trispentafluorophenylborane (BCF)-catalyzed Iodination/cyanation with ICN (2023)
  • Author(s): Ikumi Furusawa, Takumi Suzuki, Yan Yu, Takayoshi Arai
  • Organizer: The 15th International Kyoto Conference on New Aspects of Organic Chemistry (IKCOC-15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ハロゲン化アザボラニル類の合成と発光特性 (2023)
  • Author(s): 澤田 輝貴，安井 将満，荒井 孝義
  • Organizer: 第52回複素環化学討論会
• [Presentation] 1,3-ジヨードー5,5－ジメチルヒダントインによる電子豊富フェノール基質のパラ位選択的ヨウ素化反応 (2023)
  • Author(s): 曹 偉杰，荒井 孝義
  • Organizer: 第26回ヨウ素学会シンポジウム
• [Presentation] トリスペンタフルオロフェニルボラン触媒によるヨードシアノ化 (2023)
  • Author(s): 古澤 郁実，鈴木 拓己，荒井 孝義
  • Organizer: 第26回ヨウ素学会シンポジウム
• [Presentation] ハロゲン結合-協奏機能触媒を用いる不斉ヨード化反応 (2023)
  • Author(s): 荒井 孝義
  • Organizer: 第57回有機反応若手の会
  • Invited
• [Presentation] Bulky-PyBidine-Ni触媒を用いるフェノールのパラ位選択的不斉Friedel-Crafts反応 (2023)
  • Author(s): モレキュラーキラリティシンポジウム2023
  • Organizer: 田島 諒也，荒井 孝義
• [Presentation] グアニン四重鎖（G4）リガンドとしての大環状ピリドンペンタマーの合成と活性評価 (2023)
  • Author(s): 磯部 えみな、荒井 孝義、飯田 圭介
  • Organizer: 第84回有機合成化学協会関東支部シンポジウム
• [Presentation] グアニン4重鎖（G4）リガンドとしての新規白金サルフェン錯体の合成と活性評価 (2023)
  • Author(s): 中村 彩莉、鈴木 なつみ、荒井 孝義、飯田 圭介
  • Organizer: 第84回有機合成化学協会関東支部シンポジウム
• [Presentation] Development of Chiral BINOL-derived Halogen Bonding with Hydrogen Bonding Catalyst (2023)
  • Author(s): K. C. Seetha Lakshmi, Takayoshi Arai
  • Organizer: 2023 Ajou-Chiba Joint Symposium in Chiba, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ビス(イミダゾリジン)ピリジン-ニッケル錯体を用いるイミンとフェノール基質のpara-位選択的不斉Friedel-Crafts反応及び反応機構 (2023)
  • Author(s): 田島 諒也、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会 (2023)
• [Presentation] 光学活性ビスアミノイミノビナフトール亜鉛二核錯体を用いるアルケニルエーテルの分子間不斉ヨードアゾール化 (2023)
  • Author(s): 安間 恵未、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会 (2023)
• [Presentation] トリスペンタフルオロフェニルボラン触媒によるエナミド類のヨードシアノ化 (2023)
  • Author(s): 古澤 郁実、鈴木 拓己、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会 (2023)
• [Presentation] 光学活性ビスアミノイミノビナフトール亜鉛複核錯体を用いるフェノールを求核剤とした不斉ヨードエーテル化反応 (2023)
  • Author(s): 南波 侑希、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会 (2023)
• [Presentation] 光学活性イミダゾリンアミノ酸-銅錯体を用いるニトロアルケンとイミノエステルのexo選択的不斉[3+2]環化付加反応 (2023)
  • Author(s): Yu Yan、島田 拓弥、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会 (2023)
• [Presentation] 光学活性NCNピンサー錯体を用いたインドールとN-Bocイミンの触媒的不斉Friedel-Crafts反応 (2023)
  • Author(s): 横田 智也、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会 (2023)
• [Presentation] 1,3-ジヨード-5,5-ジメチルヒダントインを用いる電子豊富なフェノール基質のパラ位選択的なヨウ素化反応 (2023)
  • Author(s): Cao Weijie、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会 (2023)
• [Presentation] 光学活性ビスイミダゾリジンピリジン‐銅触媒を用いるアルキリデンマロノニトリルの不斉ハロイミド化とその展開 (2023)
  • Author(s): 齋藤 孝明、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会 (2023)
• [Presentation] ビスアミノイミノビナフトール亜鉛三核錯体を触媒とする分子間不斉ヨードエーテル化反応 (2022)
  • Author(s): 安間恵未、鈴木拓海、山中正浩、荒井孝義
  • Organizer: 第25回ヨウ素学会シンポジウム
• [Presentation] 光学活性イミダゾリンアミノ酸-銅錯体を用いるニトロアルケンとイミノエステルのexo-選択的不斉[3+2]環化付加反応 (2022)
  • Author(s): 于 言、島田拓弥、荒井孝義
  • Organizer: 第51回複素環化学討論会
• [Presentation] 光学活性ビスアミノイミノビナフトール亜鉛複核錯体を用いるアルケニルエーテルの分子間不斉ヨードアゾール化 (2022)
  • Author(s): 安間恵未、荒井孝義
  • Organizer: 第51回複素環化学討論会
• [Presentation] Multinuclear Zinc Catalysts for Asymmetric Iodofunctionalization of Alkenes: Challenge from Intra- to Intermolecular Reaction (2022)
  • Author(s): Takayoshi Arai, Noriyuki Sugiyama, Kodai Horigane, Takumi K. Suzuki, Ryosuke Itoh, Shinnosuke Yabe, Yuto. Kamei, Masahiro Yamanaka
  • Organizer: 5th International Symposium on Halogen Bonding (ISXB5)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Highly Enantioselective Iodofunctionalization with Zn-multinuclear complex (2022)
  • Author(s): Takayoshi Arai
  • Organizer: 5th International Symposium on Halogen Bonding (ISXB5)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ビス(イミダゾリジン)ピリジン-ニッケル錯体を用いるイミンとフェノール基質のpara-位選択的、エナンチオ選択的Friedel-Crafts反応 (2022)
  • Author(s): 田島諒也、荒井孝義
  • Organizer: 第83回有機合成化学協会関東支部シンポジウム（新津シンポジウム）
• [Presentation] 光学活性NCNピンサー型Pd錯体を用いる2-ビニルインドールとイミンの触媒的不斉Friedel-Crafts反応 (2022)
  • Author(s): 横田智也、荒井孝義
  • Organizer: 第48回反応と合成の進歩シンポジウム
• [Presentation] ビス(イミダゾリジン)ピリジン-ニッケル錯体を用いるイミンとフェノール基質のpara-選択的、エナンチオ選択的Friedel-Crafts反応 (2022)
  • Author(s): 田島 諒也、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会 (2022)
• [Presentation] ビスアミノメチルビナフトール触媒による三置換アクリロニトリルの不斉エポキシ化反応 (2022)
  • Author(s): 荻野 衣梨、鍬野 哲、荒井 孝義
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会 (2022)
• [Presentation] ヨウ素の高機能化：ハロゲン結合によって駆動する協奏機能不斉触媒 (2021)
  • Author(s): 荒井 孝義
  • Organizer: ヨウ素学会第24回シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] ビスアミノメチルビナフトール触媒によるアルキリデンマロノニトリルとアクリロニトリルの不斉エポキシ化反応 (2021)
  • Author(s): 荻野 衣梨、鍬野 哲、荒井 孝義
  • Organizer: モレキュラーキラリティシンポジウム2021
• [Presentation] Halogen-bonding in Catalytic Asymmetric Iodolactonization and Iodoesterificatio (2021)
  • Author(s): Takayoshi Arai
  • Organizer: PACIFICHEM 2021
• [Book] ドラマチック有機合成化学-感動の瞬間100 (2023)
  • Author(s): 荒井 孝義
  • Total Pages: 206
  • Publisher: 化学同人
• [Remarks] 千葉大学大学院理学研究院化学研究部門有機合成化学(荒井)研究室ホームページ
  • URL: https://smarc.chiba-u.jp/socl/
• [Remarks] 千葉大学大学院理学研究院化学研究部門有機合成化学(荒井)研究室ホームページ
  • URL: https://smarc.chiba-u.jp/socl/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] サリチリデンアミノピリジンと二置換ホウ素から形成される発光材料 (2023)
  • Inventor(s): 荒井孝義、澤田輝貴、安井将満
  • Industrial Property Rights Holder: 千葉大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2023-150414
  • Filing Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光学活性ヨードアゾール誘導体およびその製造方法 (2022)
  • Inventor(s): 荒井孝義、安間恵未
  • Industrial Property Rights Holder: 千葉大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-135670
  • Filing Date: 2022