2017 Fiscal Year Research-status Report
有機ケイ素化合物からの電子移動に基づく、含酸素有機化合物の直接的変換反応の開発
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16K17900
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
百合野 大雅 北海道大学, 工学研究院, 助教 (20771504)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | イソシアニド / アリル位置換反応 / ベンジル位置換反応 / Friedel-Crafts反応 / Pd触媒 / アンビデント |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シアニドはその炭素末端と窒素末端の双方が反応点となりうる、アンビデント求核剤である。前年度までに、申請者はシアニドの窒素求核性のみを選択的に発現する新規触媒系を発見し、触媒的なアリルイソシアニド合成法の開発に至った。アリル位に適切な脱離基を有する求電子剤に対して、Pd触媒存在下、シアン化トリメチルシランを作用させることで、アリル位にイソニトリル基を有する化合物をほぼ定量的に得ることに成功した。これまでにも、シアン化物イオンを用いたイソシアニド化反応が複数報告されているが、その多くが毒性の強い金属シアン化物を用いる量論反応であり、実用的な有機合成法とは言い難かった。本反応は、比較的毒性の低いシアン化トリメチルシランを用いており、かつ、触媒量の遷移金属で実現できるため、非常に有用な合成反応であると言える。
申請者は、まず、アリル位イソシアノ化反応の反応機構、特に、『なぜシアニドが炭素求核剤としてではなく、窒素求核剤として反応するのか』および『なぜ直鎖型のアリル位イソシアニドのみが生成物として得られるのか』を解明するため、とを精力的に進めた。その結果、Pd触媒を用いたアリル位イソシアノ化反応では、πーアリルパラジウム中間体を経由しないという決定的な証拠を得るに至った。また、反応系中で生じうる分岐鎖型のアリルイソシアニドがPd触媒とシアニド源存在下異性化し、対応する直鎖型のアリルイソシアニドへと変換されていることが明らかとなった。Pd触媒の再利用や、精密に設計した触媒系を用いることで分岐鎖型アリルイソシアニドの選択的合成にも挑戦した。
加えて、アリル位イソシアノ化反応の触媒系を拡張し、ベンジル位のイソシアノ化反応、ベンジル位のアリール化反応という二つの新たな反応系を見出すに至った。
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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
前年度見出した、アリル位イソシアノ化反応の研究が非常に大きく進展した。多くのアリルリン酸エステルを基質として用いPd触媒存在下アリル位置換反応を検討することで、直鎖選択的にアリルイソシアニドの合成に成功した。別途調製したπアリルパラジウム錯体に対し、シアニド源を作用させるとアリルニトリルが選択的に得られたことから、本反応ではπアリルパラジウム中間体を経由せず、直接的な求核置換反応により進行していることが明らかとなった。また、詳細な機構研究から、シンナミルリン酸エステルを用いた反応では、その初期段階において直鎖型、分岐鎖型の双方のイソシアニドが形成しており、続いて分岐鎖型生成物がPd触媒存在下で直鎖型生成物へと異性化していることが明らかとなった。この異性化反応は、スチリル基を部分構造として有するアリルリン酸エステル特異的なものであり、アルキル基が置換したアリルリン酸エステルの場合には同様の異性化反応は確認されなかった。
上記の反応に加え、申請者は新たにベンジル位でのイソシアノ化反応の進行も確認した。この場合、最適な触媒は銀塩であった。特に、安価な酸化銀を触媒とすることで、１級、２級のベンジルアルコールのリン酸エステルに対する触媒的イソシアノ化反応が円滑に進行し、良好な収率で目的物を与えることを見出した。特に本触媒系は、これまで合成が困難であった二級のイソシアニドの触媒的な合成法であると言える。
また、申請者は、Al(OTf)3を触媒とすることで、ベンジルリン酸エステルを求電子剤とするFriedel-Crafts型ベンジル化反応を実現した。本反応系はリン酸エステルのみに活性を示し、たとえば、酢酸ベンジルなどをベンジル化剤として用いてもほとんど反応が進行しない。本特徴を生かし、Friedel-Crafts型反応を用いた段階的な芳香族置換反応も実現した。
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| Strategy for Future Research Activity |
アリル位イソシアノ化反応について、まず、より実用に即した反応系の開発を目指す。具体的には、触媒の再利用を目指し、Pd/CなどのPd固定化触媒を用いた種々の検討を行う計画である。次に、シアニドのみならず、アリル化剤もまたアンビデントであることに着目し、反応条件の精査と、アリル化剤の再設計を行うことで分岐鎖選択的なアリルイソシアニドの合成法の実現を目指した研究を行う。上記に加え、シアニドの直接置換、付加による新規なイソシアニド合成法の実現にも挑戦する。具体的には(1)官能基を有するアリル化剤、ベンジル化剤、(2)α,β-不飽和カルボニル化合物、(3)プロパルギルアルコール誘導体、(4)アジリジン、等様々な求電子剤に対するイソシアノ化反応の実現を目指す。
次に得られたアリルイソシアニドに特有の反応性の探索を試みる。直鎖型アリルイソシアニドは、酸性度の高い活性メチレンを介し、ビニル基とイソシアノ基が連結されている。この活性メチレンに対し強塩基を作用させることで、C=C-CH(-)-NCという５元素が連結した合成素子としての活用が期待される。これらを用いた分子内環化によるピロール合成や、[5+2]環化反応などの新規反応の実現を目指し研究を進めていく計画である。
また、アリルリン酸エステルを用いた場合に、πアリルパラジウム中間体を経由しない新たな反応機構でアリル化反応が進行する可能性が見出されたことから、シアニドのみならずアミンや炭素求核剤等、様々な求核剤を導入する反応系の実現を目標とし研究を進める。
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| Causes of Carryover |
（理由）研究の基盤が北海道にあるため、旅費については想定以上の支出となっており、今後引き続き試薬やガラス器具等、節約に努めなければならない。一方、科研費とは別に財団の研究費を獲得したため、財政状況に少し余裕が生まれた。必要試薬やガラス器具等は、そちらからの支出も行っているため結果として当初と比較して余剰金が生じた。
（使用計画）本年が本科研費の最終年度にあたるため、新たに発見した触媒的イソシアノ化反応の研究の進捗に向け、試薬や消耗品の充足に重点的に利用する計画である。一方、獲得した財団の研究費もまた今年度が最終年度であり、途中で財源不足による研究の停止が起こらないように、節約にも努める。
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Research Products
(7 results)
