2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Functional Organosuperbase Catalysts Enabling Molecular Recognition
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16H06354
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
寺田 眞浩 東北大学, 理学研究科, 教授 (50217428)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 梓 東北大学, 理学研究科, 助教 (30645544)
是永 敏伸 岩手大学, 理工学部, 教授 (70335579)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 不斉合成 / 有機分子触媒 / 水素結合 / 塩基 / 触媒 / 分子変換 / 分子認識 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ホスファゼンはその単位構造であるイミノホスホランユニット（P=N構造）の連結数が増すごとに塩基性が向上する。この化学的特質に着目するとともに、イミノホスホランに効果的な基質認識能を付与するため、その両端にグアニジンもしくはホスファゼンユニットを二つ導入したC2対称性を有する触媒分子群、ならびに水素結合ドナーとなる酸性官能基と超強塩基性官能基とを組み合わせた酸塩基二官能基型の触媒分子群を「基質認識型・超強塩基性有機分子触媒」として設計開発することを計画した。
これまでの研究で擬C2対称性を有するスピロ環不斉ビス(グアニジノ)イミノホスホランの開発に成功し、超強塩基性を示す有機分子触媒として優れた機能を示すことを目的に、触媒反応系の開拓を検討してきた。その結果、従来の有機塩基では活性化が困難であった酸性度の低いプロ求核剤から活性種を発生させることに成功した。今年度は特に非カルボニル化合物の活性化を中心に進めた結果、ピリジンN-オキシドのベンジル位、さらにはスルホンのα位の脱プロトン化を経る触媒反応系の開発に成功し、スピロ不斉ビス（グアニジノ）イミノホスホランの基質認識型・超強塩基性有機分子触媒としての有用性をさらに明確に示すことができた。一方、求核剤のさらなる拡充を目的として新たな設計概念に基づく触媒開発を行った結果、「ブレンステッド塩基アシスト型ブレンステッド塩基」という新たな設計指針のもとに新規基質認識型・超強塩基触媒の開発に成功した。この他、全く新たな試みとして、光学活性ウレアのアルカリ金属塩を基質認識型・超強塩基触媒として開発を検討し、有効な触媒分子設計法となることを明らかにした。さらに、計算科学による選択性発現機構の解明では、モデル系において立体選択性を議論できる遷移状態モデルが求まり研究推進の基盤が整った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
触媒反応開発については、スピロ環不斉ビス(グアニジノ)イミノホスホランによるカルボニル基のα位の脱プロトン化を経る活性化に一定の成果が挙げられたことを受け、酸性度の低いプロ求核剤として、非カルボニル化合物の活性化を検討した。具体的にはスピロ環不斉ビス(グアニジノ)イミノホスホランを用いて、ピリジンN-オキシドのベンジル位ならびにスルホンのα位の脱プロトン化を経る分子変換を検討し、いずれも高い立体選択性で生成物を得ることに成功した。また、基質認識型超強塩基性有機分子触媒の共役酸を不斉プロトン化剤として活用する方法論にも一定の成果を挙げることに成功し、さらなる展開が期待できる基盤を構築した。一方、求核剤のさらなる拡充を目的として、新たな有機超強塩基触媒の設計開発に着手し、「ブレンステッド塩基アシスト型ブレンステッド塩基」という独自性の高い設計指針に基づき新たな基質認識型・触媒としてグアニジン/ホスファゼン超強塩基性有機分子触媒の開発に成功した。さらに光学活性ウレアのアルカリ金属塩を基質認識型・超強塩基性分子触媒として新たに開発し、不斉触媒反応に用いたところ、極めて有効な触媒として機能することを明らかにした。これらの成果によりさらなる求核剤の拡充が加速されるものと期待される。
また、計算科学による選択性発現機構の解明では、計算科学による解析に相応しい反応系の選択を進め、モデル反応系において立体選択性を議論できる遷移状態モデルを求めることに成功した。これにより計算科学による反応解析の研究基盤が整った。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまではプロ求核剤として、酸性度が低いカルボニル化合物ならびに非カルボニル化合物の活性化を中心に、スピロ環不斉ビス(グアニジノ)イミノホスホランによる脱プロトン化を経る活性化を基軸に触媒反応系の探索を進めてきた。これらのカルボニル化合物ならびに非カルボニル化合物の活性化を経る触媒反応系の開拓には一定の成果を挙げることができたことから、今後はさらに酸性度の低いプロ求核剤の活性化を経る触媒反応系の探索に力点を移していきたいと考えている。例えばベンジル位や、ピロールのN上のプロトンなど、通常の有機塩基では全く活性化ができないプロ求核剤の探索を中心に触媒反応系の開拓を進めていきたい。
これらプロ求核剤の拡充を検討していくうえで、これまで主として用いてきたスピロ環不斉ビス(グアニジノ)イミノホスホランから離れ、新たな触媒分子設計指針「ブレンステッド塩基アシスト型ブレンステッド塩基」のもとに開発したグアニジン/ホスファゼン超強塩基性有機分子触媒を用いた反応開発を検討する。同様にキラルウレアのアルカリ金属塩を超強塩基性官能基とする基質認識型・分子触媒の設計開発にも成功したことを受け、この触媒を用いた反応開発を並行して実施する。それぞれ触媒分子の設計が根本的に異なることから、これらの超強塩基性触媒を相補的に用いることで、触媒反応系の大幅な拡充を目指して研究を展開したい。
計算科学による選択性発現機構の解明では、モデル反応系において立体選択性を議論できる遷移状態モデルを求めることに成功したことを受け、リアル系に移して理論的な解析を進めていきたい。
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