光レドックス触媒が駆動する窒素ラジカル発生と新規アミノ化反応の開発

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19J23675
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 榊原 陽太 名古屋大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Keywords: 光レドックス触媒

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は光レドックス触媒と金属触媒を巧みに用いた独自の位置選択的三成分カップリングを開発し、環状テンプレート上において本反応を行うことにより含窒素カーボンナノベルトの精密合成法を達成することである。今年度はまず環状テンプレートとしてピラー[5]アレーンにカルボン酸側鎖を導入した分子の合成に着手した。実際に市販の1,4-ジメトキシベンゼンから計4段階で目的のテンプレート分子を合成することができた。続いて位置選択的な三成分カップリングの初期検討としてブロモアレーン類のパラ位選択的なアミノ化反応の開発を試みた。主に窒素ラジカル前駆体及び配位子の検討を行ったが、現在のところアミドの二量体が得られているのみであり目的のアミノ化体の生成は確認できていない。これはメタル化された芳香環のアミジルラジカルとの反応性が十分ではないことが原因であると考えられる。
また上記の検討を行っている際に、超原子価ヨウ素を用いてアミジルラジカルを発生させようとしたところ芳香族化合物のC-Hエステル化が進行していることを見出した。詳細な検討の結果、本反応は芳香族化合物に対し青色光照射下、超原子価ヨウ素化合物を作用させることのみで進行することが明らかになった。本反応を用いることでアントラセンやフルオランテンを始めとする様々な多環芳香族炭化水素化合物の直接エステル化を達成した。
加えて、光レドックス触媒の種類により生成物のスイッチングが可能なアリール酢酸の脱炭酸型二量化反応も開発した。本反応は触媒として[Ru(bpy)3]2PF6を用いた場合にはベンジルカチオンを経由したエステル化、4CzIPNを用いた場合にはベンジルラジカルを経由したC-C結合形成が進行する。アリール酢酸は医薬品化合物に頻繁に見られる骨格であるため、本反応を用いることにより医薬品化合物を二種類の結合様式で二量化させることを達成した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

今年度は環状テンプレート分子であるピラー[5]アレーンにカルボン酸側鎖を導入した分子を市販の1,4-ジメトキシベンゼンから計4段階で合成することに成功した。続いて位置選択的な三成分カップリングの初期検討としてブロモアレーン類のパラ位選択的なアミノ化反応の開発を試みた。主に窒素ラジカル前駆体及び配位子の検討を行ったが、現在のところアミドの二量体が得られているのみであり目的のアミノ化体の生成は確認できていない。このためテンプレート上で実施する位置選択的な三成分カップリングの開発には至っておらず、研究課題の進捗状況はやや遅れていると判断した。
しかし、その一方で上記の検討の最中に興味深い新規反応を２つ発見している。１つ目は多環芳香族炭化水素の直接エステル化反応である。開発した反応は芳香族化合物に対し、青色光照射下、導入したいエステル骨格を有する超原子価ヨウ素化合物を作用させることで進行する。本反応を用いることにより、アントラセン、フルオランテン、ピレン、コランニュレンといった様々な多環芳香族炭化水素化合物に対し、直接エステル基を導入することができた。
２つ目は光レドックス触媒により生成物のスイッチングが可能なアリール酢酸化合物の脱炭酸型二量化反応である。本反応は用いる光レドックス触媒を変えることにより、エステル結合による二量化とC-C結合による二量化をスイッチングすることができる。アリール酢酸は医薬品に頻繁に含まれる骨格であるために、開発した反応をもちいることにより医薬品の異なる結合様式による二量化を達成した。
発見した２つの新規反応については概ねまとめ終わっているため、次年度は研究課題へ注力できると考えている。

Strategy for Future Research Activity

現在開発しているブロモアレーン類のパラ位選択的アミノ化反応においては目的の生成物が得られる代わりにアミドの二量化体が観測されている。これは反応系中においてアミジルラジカルは問題なく発生しているがメタル化された芳香環との反応性が低いため、アミジルラジカル同士のラジカルーラジカルカップリングが優先してしまっていることを示している。そのため、まずはじめに現在用いているパラジウム触媒を他の遷移金属触媒へと変更してメタル化された芳香環の反応性の向上を試みる。
パラ位選択的アミノ化反応が狙い通り進行した後は、この反応とブロモアレーンのアミドとのクロスカップリング反応を組み合わせた位置選択的三成分カップリングの開発に着手する。三成分カップリングを望み通り進行させる鍵は遷移金属触媒からの還元的脱離を厳密に制御することにあると考えている。そのため種々の配位子を検討して中心金属の電子状態をコントロールすることで目的の反応の達成を目指す。
三成分カップリングの開発を達成した場合は、すでに合成が完了している環状テンプレート上において本反応を行うことで含窒素カーボンナノベルトの精密合成を目指す。