カルボニル化合物やアミン化合物のsp3炭素―水素結合を官能基化する新戦略の実践

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K05773
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 矢田 陽 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 触媒化学融合研究センター, 研究員 (70619965)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 炭素ー水素結合活性化 / 遷移金属触媒

Outline of Annual Research Achievements

遷移金属触媒による炭素―水素結合の変換反応は、標的分子を短工程かつ副生成物を最小限に抑えながら合成できるため, きわめて有用な分子変換手法である。現在、sp3炭素―水素結合の活性化反応が適用できる化合物には大きな制約があり、その改善が急務である。本研究では、これまで困難であったカルボニル化合物やアミン化合物のsp3炭素―水素結合の活性化・官能基化を達成することを目的とするものである。
研究を計画していた当初、本年度はアルデヒドやケトンなどのカルボニル化合物の炭素―水素結合を官能基化に適した新しい配向基を設計・開発する予定であった。しかし、研究を開始する段階で同様のアイデアによる反応が国際論文誌に報告された(Jin-Quan Yu et al. Science, 2016, 351, 252、Haibo Ge et al. JACS, 2016, 138, 12775など)。したがって、本年度予定していた研究開発を断念し、次年度以降の研究計画内容であるN-カルボキシルアミンの炭素―水素結合の位置選択的な官能基化反応の開発に着手した。本触媒反応の達成の鍵となるのは塩基として働くカルボキシラーとの置換基の構造であると考えられ、まずその効果について検証を行うため、2,2,6,6-テトラメチルピペリジンの窒素原子上にさまざまなカルキシラートが置換した基質を合成した。合成した基質を一酸化炭素雰囲気下でパラジウム触媒と塩基を添加して加熱撹拌したところ、窒素原子のβ位の炭素－水素結合が活性化と一酸化炭素の挿入反応が進行してβ－ラクタムが得られた。またこのとき、β－ラクタムの収率がカルボキシラートの構造によって異なることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は研究計画を前倒しして、N-カルボキシルアミンの炭素―水素結合の位置選択的な官能基化反応の開発に着手したが、窒素原子のβ位の炭素ー水素結合の活性化と一酸化炭素の挿入によりβーラクタムを得ることに成功した。その際に、カルボキシラート置換基の構造が炭素―水素結合の活性化に大きく影響を与えることを明らかにした。この結果は、今後の反応開発を進めるにあたって重要な知見であると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

今年度までにN-カルボキシルアミンの炭素―水素結合の位置選択的な官能基化反応に関して基礎的なデータが得られている。次年度からはこれをもとに、一酸化炭素以外の不飽和結合の挿入反応や求核剤との反応を検討し、位置選択的な官能基化反応の開発を強く推進する予定である。また、今後推進予定である遷移金属とラジカルの反応を鍵としたカルボニル化合物の位置選択的な官能基化反応に関する予備的な検討も進めていきたいと考えている。

Causes of Carryover

本年度は研究を推進するための基礎的な成果を得ることができたが、そのために用いる反応基質や遷移金属触媒をある程度限定して集中的に検討を行った。したがって新しい基質を幅広く合成することは行わず、それに必要な試薬や反応剤の購入費用を最小限に抑えられた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

本年度の成果をもとに基質適用範囲の拡大検討を行う予定であるため、試薬は反応剤の購入費用(200千円)、および汎用有機溶媒(100千円)やガラス器具などの消耗品費用(100千円)に使用する予定である。