2021 Fiscal Year Annual Research Report
Dynamic Stereochemical Control of Halogen Bonding in Reaction Sphere
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19H02709
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
荒井 孝義 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (80272483)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
飯田 圭介 千葉大学, 大学院理学研究院, 助教 (70719773)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ハロゲン結合 / ヨウ素 / 触媒 / 立体選択的 / 反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、昨年度までに見いだされた「ヨウ素結合を用いる触媒的Povarov反応の開発」を中心に研究を展開した。σ-hole を有するカチオン性ヨウ素化合物は、反応基質が持つ電子対の配位を受け入れるルイス酸触媒として機能する。ジアリールヨードニウム塩などの超原子価ヨウ素(III)はアリール化試薬として広く用いられているが、ヨウ素の酸化度が高まっていることで、一価のヨウ素化合物より、強いルイス酸として機能することが期待できる。具体的には、より高い触媒活性を求め、三価の超原子価ヨウ素触媒を用いた2-アルケニルインドールの[4+2]環化付加反応の開発を進めた。触媒の構造活性相関、ならびに反応速度解析の結果から、三価の超原子価ヨウ素触媒の示すハロゲン結合ドナーの方向性が明らかになり、またカチオン性ヨウ素化学種を与えるアニオンを適宜選択することで、高い触媒活性を実現することができた。ヨウ素結合による立体選択的な反応の開発を目指す場合、光学活性な超原子価ヨウ素(III)化合物を合成することは多大な労力を要する。そこで、キラルなカウンターアニオンを用いる不斉触媒の開発を進めている。
また、独自に開発したPyBidine-Zn(OAc)2触媒を用いるβケトエステル化合物の触媒的不斉ハロゲン化反応にも取り組んだ。ここでは、オリジナルのPyBidine配位子が有するベンジル置換基をペンタフルオロ置換した分子とすることで、大幅に不斉収率を向上させることに成功した。このポジティブな効果は、電子不足なペンタフルオロ環によるスタッキングの増強によるものと考えているが、フッ素原子とハロゲン化試薬とのハロゲン結合による効果である可能性も秘めており、現在、計算科学を用いて遷移状態解析を進めているところである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では、活性ハロゲン化学種の高次構造の精密理解に基づき、その反応性の時空間制御を達成することで、高立体選択的なヨウ素触媒化学の樹立を目指している。これまでの研究で創出した亜鉛三核錯体を用いるヨードラクトン化は、世界最高の触媒活性と完璧な立体選択性で目的化合物を与えるものであり、計算科学による遷移状態解析でも亜鉛カルボキシレート（イオン結合）、ヨウ素結合、水素結合が協奏させている極めてユニークな触媒系であることを示してきた。また、さらに第4の力として、π-πスタッキングを組み入れることで、世界初の触媒的不斉ヨードエステル化に成功した。入手容易な基質を用いて高付加価値ヨウ素化合物を供給できる手法として高く評価されている。昨年度から開始した「ヨウ素結合を用いる触媒的Povarov反応の開発」は、単に触媒反応の開発に成功したのみならず、液相中においてC-I---π型よりC-I--- N型のハロゲン結合が優先されることを確認した初めての研究であり、学術的に極めて重要な知見として、掲載誌においても高い評価を得た。このように、計画当初の研究テーマについて着実に研究を推進し、成果を得ている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究推進で培った「ハロゲン結合を基軸とする多様な結合力のネットワーク」を実験化学と計算科学の融合によって合理的に構築する手法を展開し、フェノール基質を用いるハロエーテル化、原子効率に優れたハロアミド化などの高立体選択的触媒反応の開発を着実に推進する。ハロエーテル化に関しては、亜鉛錯体触媒を用いることで、オルトニトロフェノール化合物を基質とするヨードエーテル化において中程度の不斉収率にて目的化合物が得られることを見いだしており、この知見を基に着実に研究を推進する。また、今後は、フェノール類ではなく、より普遍的なアルコールを求核種とするハロエーテル化にも取り組む。これは、求核種の酸性度からの脱却を意味し、より挑戦的な反応開発となる。
一方、より高難度のハロアミド化に関しては、本研究課題を進める中で、ハロイミド化合物を用いることにより、ハロゲンとイミド基を同時にアルケンに導入できることを見出した。既存の配位子、錯体触媒では中程度の不斉誘起にとどまっていることから、理論計算も取り入れ、合目的により高い立体選択性で目的化合物を与える触媒の開発を進める。
さらに、原子効率に優れた反応として、ハロシアノ化を取り上げる。これは、これまでの研究で培ってきたヘテロ原子求核剤の科学を炭素求核剤に展開できるかを検証するものであり、新規炭素-炭素結合形成反応としても重要なものとなる。
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