金属触媒と有機触媒の高度ハイブリッド化によるC-H官能基化の自在立体制御

• Project Area: Hybrid Catalysis for Enabling Molecular Synthesis on Demand
• Project/Area Number: 20H04794
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 吉野 達彦 北海道大学, 薬学研究院, 准教授 (50756179)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: ロジウム / キラルLewis塩基 / ホウ素触媒 / 不斉触媒 / C-H活性化 / 有機触媒 / コバルト / 求核触媒

Outline of Research at the Start

C-H官能基化は単純で入手容易な原料から直接的に高付加価値化分子を合成する有力な手法として広く研究されている。しかしそれによって生じる立体化学の制御は依然として大きな課題である。本研究ではC-H官能基化に高い活性を示す第9族遷移金属触媒（Co, Rh, Ir）と、キラル有機触媒を組み合わせることで、エナンチオ選択的なC-H官能基化反応の開発をおこなう。特にこれまでC-H官能基化に用いられてこなかったタイプの有機触媒を用い、新しいコンセプト、反応機構に基づく反応の開発を目指して研究をおこなう。またこれまで開発されてきたキラルカルボン酸との組み合わせによる高度な立体制御にも挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

最終年度にあたる本年は主に研究のとりまとめをおこなった。
まずロジウム触媒とキラルLewis塩基触媒を用いた不斉C-H官能基化では、基質一般性の検討をおこない、様々なベンジルアミン誘導体および不飽和アシルフルオリドにおいて高いエナンチオ選択性が発現することを見出した。また反応機構解析実験等から、当初想定していたものとは異なる反応機構でエナンチオ選択性が発現していることが示唆された。想定されたエナンチオ決定段階についてDFT計算をおこない、その立体選択性の立体モデルを提唱することができた。
またホウ素触媒を用いた不飽和カルボン酸への付加反応についても、基質一般性の拡張をおこなった。キラルな配位子を利用した不斉付加反応も検討したが、いずれの場合でもエナンチオ選択性は発現しないことがわかり、DFT計算による想定中間体構造から、より深い不斉反応場を構築する必要があることが示唆された。
また以前報告したハイブリッド型ロジウム/キラルスルホン酸触媒についても検討も進め、エナンチオ選択的な分子内不斉オキシアミノ化反応に適用可能であることがわかった。またこれまでは第9族遷移金属触媒と有機触媒の組み合わせのみを検討していたが、アキラルなルテニウム触媒とキラルカルボン酸の組み合わせも優れたハイブリッド不斉触媒系となることを見出し、スルホキシイミンの非対称化型の不斉アルキル化・環化反応において、中程度のエナンチオ選択性を発現することを見出した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Cp*Rh(<scp>III</scp>)/boron hybrid catalysis for directed C-H addition to β-substituted α,β-unsaturated carboxylic acids (2022)
  • Author(s): Tanaka Ryo、Hirata Yuki、Kojima Masahiro、Yoshino Tatsuhiko、Matsunaga Shigeki
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 58 Issue: 1 Pages: 76-79
  • DOI: 10.1039/d1cc05956d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 1,2-Disubstituted 1,2-Dihydro-1,2,4,5-tetrazine-3,6-dione as a Dynamic Covalent Bonding Unit at Room Temperature (2022)
  • Author(s): Kawai Kentaro、Ikeda Kazuki、Sato Akane、Kabasawa Akira、Kojima Masahiro、Kokado Kenta、Kakugo Akira、Sada Kazuki、Yoshino Tatsuhiko、Matsunaga Shigeki
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 3 Pages: 1370-1379
  • DOI: 10.1021/jacs.1c11665
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Achiral Cp*Rh(III)/Chiral Lewis Base Cooperative Catalysis for Enantioselective Cyclization via C-H Activation (2022)
  • Author(s): Kurihara Takumaru、Kojima Masahiro、Yoshino Tatsuhiko、Matsunaga Shigeki
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: - Issue: 16 Pages: 7058-7065
  • DOI: 10.1021/jacs.2c01223
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ruthenium(II)/Chiral Carboxylic Acid Catalyzed Enantioselective C-H Functionalization of Sulfoximines (2021)
  • Author(s): Yoshino Tatsuhiko、Matsunaga Shigeki、Huang Long-Tao、Hirata Yuki、Kato Yoshimi、Lin Luqing、Kojima Masahiro
  • Journal Title: Synthesis Volume: - Issue: 21 Pages: 4703-4710
  • DOI: 10.1055/a-1588-0072
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cp*Rh^III/Chiral Disulfonate/CuOAc Catalyst System for the Enantioselective Intramolecular Oxyamination of Alkenes (2021)
  • Author(s): Hirose Jumpei、Wakikawa Takumi、Satake Shun、Kojima Masahiro、Hatano Manabu、Ishihara Kazuaki、Yoshino Tatsuhiko、Matsunaga Shigeki
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 11 Issue: 24 Pages: 15187-15193
  • DOI: 10.1021/acscatal.1c04699
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metal-Containing Schiff Base/Sulfoxide Ligands for Pd(II)-Catalyzed Asymmetric Allylic C-H Aminations (2021)
  • Author(s): Bunno Youka、Tsukimawashi Yuta、Kojima Masahiro、Yoshino Tatsuhiko、Matsunaga Shigeki
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 11 Issue: 5 Pages: 2663-2668
  • DOI: 10.1021/acscatal.0c05261
  • NAID: 120007191784
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of Pseudo-C2-symmetric Chiral Binaphthyl Monocarboxylic Acids for Enantioselective C(sp3)-H Functionalization Reactions under Rh(III) Catalysis (2021)
  • Author(s): Kato Yoshimi、Lin Luqing、Kojima Masahiro、Yoshino Tatsuhiko、Matsunaga Shigeki
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 11 Issue: 7 Pages: 4271-4277
  • DOI: 10.1021/acscatal.1c00765
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chiral paddle-wheel diruthenium complexes for asymmetric catalysis (2020)
  • Author(s): Miyazawa Taku、Suzuki Takuro、Kumagai Yuhei、Takizawa Koji、Kikuchi Takashi、Kato Shunsuke、Onoda Akira、Hayashi Takashi、Kamei Yuji、Kamiyama Futa、Anada Masahiro、Kojima Masahiro、Yoshino Tatsuhiko、Matsunaga Shigeki
  • Journal Title: Nature Catalysis Volume: 3 Issue: 10 Pages: 851-858
  • DOI: 10.1038/s41929-020-00513-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rhodium(III)/Chiral Carboxylic Acid Catalyzed Enantioselective C(sp3)-H Alkylation of 8-Ethylquinolines with α,β-Unsaturated Carbonyl Compounds (2020)
  • Author(s): Huang Long-Tao、Fukagawa Seiya、Kojima Masahiro、Yoshino Tatsuhiko、Matsunaga Shigeki
  • Journal Title: Organic Letters Volume: 22 Issue: 21 Pages: 8256-8260
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.0c02872
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 第9族遷移金属触媒と有機触媒によるC-H官能基化とその立体制御 (2022)
  • Author(s): 吉野達彦
  • Organizer: 分子合成オンデマンドを実現するハイブリッド触媒系の創製 若手道場Online
  • Invited
• [Presentation] 触媒的C-H官能基化反応とそのエナンチオ制御に関する研究 (2022)
  • Author(s): 吉野達彦
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
  • Invited
• [Presentation] Cp*Co(III)触媒とキラルカルボン酸の組み合わせによるC-Hアミド化を経たチアジアジンの触媒的不斉合成 (2021)
  • Author(s): 平田裕己、関根大地、加藤佳美、Lin Luqing、小島正寛、吉野達彦、松永茂樹
  • Organizer: 日本薬学会北海道支部第148回例会
• [Presentation] Development of Pseudo-C2-symmetric Chiral Binaphthyl Monocarboxylic Acids for Enantioselective C(sp3)-H Functionalization Reactions under Rh(III) Catalysis (2021)
  • Author(s): Kato, Y.; Lin, L.; Kojima, M.; Yoshino, T.; Matsunaga, S.
  • Organizer: The 21st Tetrahedron Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 擬C2対称型キラルビナフチル モノカルボン酸の創製と不斉 C-H官能基化反応への応用 (2021)
  • Author(s): 加藤佳美、Lin Luqing、小島正寛、吉野達彦、松永茂樹
  • Organizer: 第33回万有札幌シンポジウム
• [Presentation] Synthesis of Electron-Deficient CpIr(III) Complexes and Their Application for the Ether-Directed C-H Functionalization Reactions (2021)
  • Author(s): 冨田永希、小島正寛、永島佑貴、前田理、田中健、吉野達彦、松永茂樹
  • Organizer: 第67回有機金属化学討論会
• [Presentation] Cp*Co(III)触媒とキラルカルボン酸の組み合わせによるC-Hアミド化を経たチアジアジンの触媒的不斉合成 (2021)
  • Author(s): 平田裕己、関根大地、加藤佳美、Lin Luqing、小島正寛、吉野達彦、松永茂樹
  • Organizer: 第 47 回反応と合成の進歩シンポジウム
• [Presentation] キラル求核触媒を駆使した第9族遷移金属による触媒的不斉C-H官能基化法の開発 (2021)
  • Author(s): 栗原拓丸、小島正寛、吉野達彦、松永茂樹
  • Organizer: 第50回複素環化学討論会
• [Presentation] Cp*Co(III)触媒とキラルカルボン酸の組み合わせによるC-Hアミド化を経たチアジアジンの触媒的不斉合成 (2021)
  • Author(s): 平田裕己、関根大地、加藤佳美、Lin Luqing、小島正寛、吉野達彦、松永茂樹
  • Organizer: 第11回CSJ化学フェスタ2021
• [Presentation] Cp*Rh/キラルアニオンハイブリッド触媒による不斉分子内オキシ アミノ化反応の開発 (2021)
  • Author(s): 廣瀨 純平、佐竹 瞬、波多野 学、石原一彰 、小島 正寛、吉野 達彦、松永 茂樹
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] 外輪型キラル二核ルテニウム錯体による触媒的不斉反応 (2021)
  • Author(s): 吉野達彦
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] 新規外輪型キラル二核Ru(II,III)錯体の創成と合成応用 (2020)
  • Author(s): 熊谷悠平, 宮澤拓, 鈴木拓郎, 滝沢昂嗣, 菊池貴, 加藤俊介, 小野田晃, 林高史, 亀井宥治, 神山颯詩, 穴田仁洋, 小島正寛, 吉野達彦, 松永茂樹
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ2020
• [Presentation] Asymmetric C-H functionalization reactions using Cp*Rh(III)/chiral disulfonate catalysts (2020)
  • Author(s): Tatsuhiko Yoshino, Shun Satake, Takumaru Kurihara, Junpei Hirose, Keisuke Nishikawa, Takuya Mochizuki, Manabu Hatano, Kazuaki Ishihara, Shigeki Matsunaga
  • Organizer: 第18回 次世代を担う有機化学シンポジウム