2020 Fiscal Year Research-status Report
Generation of active organometallic species through C-H activation for organic synthesis
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20K06983
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Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
Principal Investigator |
瀧本 真徳 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (50312377)
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Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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Keywords | 有機アルミニウム / C-H活性化 / 希土類触媒 / クロスカップリング / C-H官能基化 / ピリジン類 / 含窒素芳香族 |
Outline of Annual Research Achievements |
炭素―金属σ結合を持つ有機金属化合物は、精密有機合成において炭素-炭素形成反応を担う化学種として多用されることから、多様な金属元素の特性を活かした新しい有機金属種の開発と、それらを用いる新反応の開発は非常に重要である。本研究では、希土類錯体の持つ高いヘテロ原子親和性とC-H 結合切断活性を生かし、希土類触媒によるC-H結合活性化を利用した有機アルミニウム種の新しい発生法の開発と利用を主要な目的として開発を進めている。本年度の研究では、まず、予備的研究で見いだした2,6-ルチジンなど対称構造を持つ2,6-二置換ピリジン類のベンジル位C-H結合アルミ化の反応条件である、ハーフサンドイッチ型イットリウムビスアルキル触媒存在下に、トリイソブチルアルミニウムを作用させる方法について、非対称構造やハロゲンなどの反応性置換基を持つ2,6-二置換ピリジン類や、2,6-二置換ピリジンの部分構造を持つ多環式化合物など様々な基質において適用範囲を調べた。その結果、反応性の臭素置換基や、配位性のベンジルオキシ置換基を持つ基質においても、反応は窒素原子に隣接したベンジル位C-H結合上で円滑に進行した。また、非対称2,6-二置換ピリジン類では、より立体的に空いたベンジル位C-H結合上で位置選択的にモノアルミ化が進行した。さらには、2,6位の置換基がメチレン炭素である対称性基質でも、一方のベンジル位C-H結合上のみで選択的に、モノアルミ化が可能であった。続いて、生成した有機アルミニウム種の反応を検討したところ、酸素雰囲気下にて容易に対応するアルコール体を与えた。さらに、この有機アルミニウム種と有機求電子剤との間で、炭素-炭素結合形成を試みたところ、触媒量の[IPr(CuCl)]存在下に、臭化アリル、臭化ベンジルとのクロスカップリング反応が進行し、形式的C-H結合のアリル化、ベンジル化が可能であった。
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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
本研究では、有機アルミニウム種の新規調製法の開発と、それを利用した炭素-炭素結合形成反応の開発について、(1)2,6-二置換ピリジン類のC-Hアルミ化反応における基礎的研究、(2)ピリジン置換基を持つベンジルアルミニウム種を用いた炭素-炭素結合形成反応の開発、を主として研究を進め、(3)ピリジル系以外の基質への適用範囲の拡大やC-H結合活性化を利用した有機亜鉛試薬調製法などの開発も行うことを計画している。本年度はまず、研究(1)について、従来の予備的研究によって見いだした反応条件を、様々な基質に適用し、その適用範囲について詳細な検討を進めた結果、対称、非対称構造を問わず、広い範囲の基質において、位置選択的なベンジル位C-Hアルミ化反応が進行することを明らかとした。さらに、反応性の臭素置換基も本反応条件において共存可能で有り、ベンジルオキシ基のような配位性官能基も位置選択性に影響を与えないことがわかった。これらは、目的とする新規有機アルミ種の生成法開発とそれを利用した新しい有機合成反応の開発に向けた重要な成果である。 一方、研究(2)においては、まず、銅塩を触媒として用いる炭素-炭素形成反応について検討をおこなった結果、 [IPr(CuCl)]を触媒として用いることで、C-Hアルミ化反応で調製した有機アルミニウム種と臭化アリル、臭化ベンジルの間で、クロスカップリング反応が進行することがわかった。これは2,6-ジメチルピリジン類の形式的C-Hアリル化、ベンジル化が進行したことを意味する。現在の、銅触媒の利用では、カップリングパートナーが限定されるが、本結果は目的とするピリジン置換基を持つベンジルアルミニウム種を用いた炭素-炭素結合形成反応の開発の一つとなる重要な成果である。
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Strategy for Future Research Activity |
2020年度の成果をもとに、従来の研究に加え、以下の研究を推進する。 まず、本研究で調製法を開発した、ピリジン置換基を持つベンジルアルミニウム種を用いるone-potでの炭素-炭素結合形成反応については、さらに検討を進め、適用範囲の拡大を図る。具体的には、パラジウム等の遷移金属触媒を用い、ハロゲン化アリールなどsp2炭素を反応点とする求電子剤を利用可能なクロスカップリング反応を試みる。有機アルミニウム種とハロゲン化アリールとのクロスカップリング反応は、従来、少数に留まり、また、本系のように異なるアルキル基を持つ有機アルミニウム種を用いる例はほとんど知られていないことから、本研究は興味深い試みと考えられる。特に本系では、アルミニウム上に複数存在する異種有機配位子の一つを選択的に反応させる必要があり、挑戦的な課題となる。2021年度の研究では、各種遷移金属と配位子の組み合わせを検討すると共に、亜鉛や、銅塩など異種金属も加えた共同触媒系の利用も試み、目的とするクロスカップリング反応が進行する触媒系の確率を目指す。一方、提案者は、アルケニル、アリール、アリル型の有機アルミニウム種においては、銅触媒存在下に二酸化炭素を炭素源とするカルボキシル化反応が進行することを報告しており、上記の手法で調製した有機アルミ種においても、同様のカルボキシ化反応を試みる。 さらに、上記の研究の順調に進展した際は、ピリジンやアニリン、アニソール類、三級アミン、チオエーテル類など様々なヘテロ官能をもつ基質にC-Hアルミ化とone-pot炭素-炭素結合形成反応への展開を検討する。また、ヘテロ原子を持つ基質において、トリイソブチルアルミニウムの代わりに有機亜鉛試薬や、有機ケイ素、有機ホウ素反応材を用いた、C-Hメタル化反応と炭素-炭素結合形成反応への展開について様々な希土類触媒系をもちいて検討する。
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