新規な有機ラジカル触媒の開発を指向したデザイン型N-オキシラジカルの機能創出

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K21193
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 丸岡 啓二 京都大学, 薬学研究科, 研究員(特任教授) (20135304)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: ラジカル反応 / 有機ラジカル触媒 / N-オキシラジカル / N-ヒドロキシベンズイミダゾール / ベンジル位 / アルデヒド / アシルラジカル / フッ化アシル

Outline of Annual Research Achievements

本研究の初年度では、ラジカル化学分野で汎用されているN-オキシラジカルの触媒活性種としての新たな側面を引き出すべく、独自の設計指針に基づくデザイン型有機ラジカル分子の創製及びそれらの新規有機ラジカル触媒としての機能開拓に取り組んだ。すなわち、同一分子内にラジカル活性部位となるヒドロキシルアミン構造に加え、複数の修飾可能部位を有する「N-ヒドロキシベンズイミダゾール（ＮＨＢI）」を基本骨格とする分子デザインを採用し、これを有機ラジカル触媒として水素引き抜き反応に用いることで機能評価を行なった。続いて次年度では、その次の段階として、ラジカル活性部位とは別の官能基を同一分子内に有するN-オキシラジカル種を合成し、これらが協同的に作用することで実現する精密ラジカル触媒系の構築を目指した。その先駆的な試みとして、ＮＨＢI構造にルイス塩基性部位を導入し、これをルイス酸とともに水素引き抜き反応に用いることで、高度に分極したルイス錯体構造を有する活性ラジカル触媒による炭素ラジカル生成反応の開発に着手することとした。まず、必要な母骨格として、N-ヒドロキシ-2-フェニルベンズイミダゾールを選び、分子内でキレート形成が可能なN-ヒドロキシ-4-アルコキシ-2-フェニルベンズイミダゾールやN-ヒドロキシ-4-ジアルキルアミノ-2-フェニルベンズイミダゾールを合成し、各種ルイス酸との複合体を調製し、水素引き抜き能の重要な決定因子であるラジカル極性効果を最大限に利用することで、特定の炭素-水素結合からの水素引き抜きにおける遷移状態のみを安定化し、従来のN-オキシラジカルを用いた反応系では不活性な位置からの水素引き抜きや、特異な化学選択性が発現されるかどうか試みた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究では、N-オキシラジカルの触媒活性種としての新たな展開を求め、独自の分子設計指針に基づくデザイン型有機ラジカル種の創製及びそれらの新規有機ラジカル触媒としての機能開拓に関する可能性を追求した。すなわち、同一分子内にラジカル活性部位となるヒドロキシルアミン構造に加え、複数の修飾可能部位を有するN-ヒドロキシベンズイミダゾール（ＮＨＢI）を基本骨格とする分子設計を採用し、これを新たな有機ラジカル触媒として水素引き抜き反応に用いることで機能評価を行なった。続いて、ラジカル活性部位とは別の官能基を同一分子内に有するN-オキシラジカル種を合成し、これらが協同的に作用することで実現する精密ラジカル触媒系の構築を目指した。その最初の試みとして、ＮＨＢI構造にルイス塩基性部位を導入し、これをルイス酸とともに水素引き抜き反応に用いることで、新たな活性ラジカル触媒による炭素ラジカル生成反応の開発に着手した。具体的には、必要な母骨格として、N-ヒドロキシ-2-フェニルベンズイミダゾールを選び、分子内でキレート形成が可能なN-ヒドロキシ-4-メトキシ-2-フェニルベンズイミダゾールやN-ヒドロキシ-4-(2-メトキシエトキシ)-2-フェニルベンズイミダゾール、N-ヒドロキシ-4-ジメチルアミノ-2-フェニルベンズイミダゾールを合成し、ルイス酸として三フッ化ホウ素・エーテル錯体やリチウムトリフラート、スカンジウムトリフラート等との複合体を調製し、水素引き抜き能の重要な決定因子であるラジカル極性効果を利用することで、ベンジル化合物など特定の炭素-水素結合からの水素引き抜きにおける遷移状態のみを安定化し、従来のN-オキシラジカルを用いた反応系では見られない反応性や選択性の差異について詳細に検討した。残念ながら、現時点では顕著な差異は認められていないため、今後、さらなる検討を続けることとした。

Strategy for Future Research Activity

本研究の次年度には、ラジカル活性部位とは別の官能基を同一分子内に有するN-オキシラジカル種を合成し、これらが協同的に作用することで実現する精密ラジカル触媒系の構築を目指した。その最初の試みとして、N-ヒドロキシベンズイミダゾール（ＮＨＢI）構造にルイス塩基性部位を導入し、これをルイス酸とともに水素引き抜き反応に用いることで、高度に分極したルイス錯体構造を有する活性ラジカル触媒による炭素ラジカル生成反応の開発に着手するアプローチを採用した。当初の試みはあまりうまくいかなかったため、今後は別のキレート構造の可能性について検討したい。その一例として、N-ヒドロキシ-2-フェニルベンズイミダゾールを母骨格として選び、2-フェニル基に塩基性部位を導入し、分子内でキレート形成が可能なN-ヒドロキシ-2-(2-メトキシフェニル)ベンズイミダゾールやN-ヒドロキシ-2-(2-ジメチルアミノフェニル)ベンズイミダゾールを合成する。これらの化合物と、三フッ化ホウ素・エーテル錯体やリチウムトリフラート、スカンジウムトリフラート等の複合体を調製し、ベンジル化合物など特定の炭素-水素結合からの水素引き抜きにおける遷移状態のみを安定化し、従来のN-オキシラジカル種を用いた反応系では見られないような反応性や選択性の差異について詳細に検討したい。

Causes of Carryover

本研究の性格上、作業仮説を立てて幾つかの実験を行い、得られた結果を再検討して作業仮説を新たに立て直して実験を行なうことによって、帰納的に最適の結果を導きだす必要がある。そのため、多くの実験を平行して行うことから、繰越申請をした後、当初の予定より多くの消耗品費を購入せざるを得ない結果になってしまった。