ニッケル触媒を用いた炭素－水素結合直接変換反応の開発と応用

• Project/Area Number: 13J03280
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Organic chemistry
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 武藤 慶 名古屋大学, トランスフォーマティブ生命分子研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2015: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: ニッケル / クロスカップリング / ヘテロ芳香環 / C-H結合変換 / C-O結合変換 / 有機化学 / 炭素-水素結合変換反応 / 反応機構

Outline of Annual Research Achievements

遷移金属触媒を用いた芳香環連結反応は、最も進展が著しい有機合成分野の一つである。従来、鈴木宮浦カップリング反応などの、パラジウム触媒を用いたアリール金属種とハロゲン化アリールとのクロスカップリングがビアリール合成のスタンダードとして頻用されてきた。近年ではこの従来法が抱える、多段階プロセス問題、ハロゲン問題、そして高価な金属触媒の使用といった問題点の解決に向けた、より理想的な方法論の開拓研究が注目されている。
本研究では、上記の課題を解決すべく、1)調製に多段階を要するアリール金属種に代わり、その原料である芳香環を直接反応させる、2)ハロゲン化アリールに代わりハロゲンを含まないフェノール誘導体をカップリング剤に用いる、3)高価なパラジウム触媒に代わり、安価なニッケルを金属触媒に用いる、といった3つを同時に満たす新規クロスカップリング反応の開発研究を行った。
その結果、新たなニッケル触媒を用いることで、オキサゾールやチアゾールのC-H結合とフェノール誘導体のC-O結合を切断し、連結させるC-H/C-Oカップリングの開発に成功した。
反応開発にとどまらず、様々な生物活性物質の迅速合成へと応用展開することができた。さらに、反応中間体の単離、速度論実験などの実験化学と、量子化学計算が連動した機構解明研究を行い、触媒サイクルと新たなニッケル触媒の反応性を明らかにすることにも成功した。
これらの研究で得た機構的知見をもとに、反応条件の再検討へとフィードバックすることで、エノール誘導体を用いたアゾールの直接アルケニル化や、イミダゾールとフェノール誘導体とのC-H/C-Oカップリング反応の開発へと展開することができた。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Decarbonylative Organoboron Cross-coupling of Esters by Nickel Catalysis (2015)
  • Author(s): Kei Muto, Junichiro Yamaguchi, Djamaladdin G. Musaev, and Kenichiro Itami
  • Journal Title: Nature Communication Volume: 6 Issue: 1 Pages: 7508-7508
  • DOI: 10.1038/ncomms8508
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] C-H Activation Generates Period-Shortening Moleculaes That Target Cryptochrome in the Mammalian Circadian Clock. (2015)
  • Author(s): Oshima T, Yamanaka I, Kumar A, Yamaguchi J, Nishiwaki-Okawa T, Muto K, Kawamura R, Hirota T, Yagita K, Irie S, Kay SA, Yoshimura T, Itami K.
  • Journal Title: Angew Chem Int Ed Volume: 54 Issue: 24 Pages: 7193-7197
  • DOI: 10.1002/anie.201502942
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] C-H Arylation and Alkenylation of Imidazoles by Nickel Catalysis: Solvent accelerated Imidazole C-H Activation (2015)
  • Author(s): Kei Muto, Taito Hatakeyama, Junichiro Yamaguchi, Kenichiro Itami
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 6 Issue: 12 Pages: 6792-6798
  • DOI: 10.1039/c5sc02942b
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nickel-Catalyzed α-Arylation of Ketones with Phenol Derivatives (2014)
  • Author(s): Ryosuke Takise, Kei Muto, Junichiro Yamaguchi, Kenichiro Itami
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 53 Issue: 26 Pages: 6791-6794
  • DOI: 10.1002/anie.201403823
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Key Mechanistic Features of Ni-Catalyzed C-H/C-O Biaryl Coupling of Azoles and Naphthalen-2-yl Pivalates (2014)
  • Author(s): Huiying Xu, Kei Muto, Junichiro Yamaguchi, Cunyuan Zhao, Kenichiro Itami, Djamaladdin G. Musaev
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 136 Issue: 42 Pages: 14834-14844
  • DOI: 10.1021/ja5071174
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Isolation, Structure, and Reactivity of an Arylnickel (II) Pivatate Complex in Catalytic C-H/C-O Biaryl Coupling (2013)
  • Author(s): 武藤慶, 山口潤一郎, Lei Aiwen, 伊丹健一郎
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 135 Issue: 44 Pages: 16384-16387
  • DOI: 10.1021/ja409803x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] C-H Alkenylation of Azoles with Enols and Esters by Nickel Catalysis (2013)
  • Author(s): Meng Lingkui, 鎌田祐子, 武藤慶, 山口潤一郎, 伊丹健一郎
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 52 Issue: 38 Pages: 10048-10051
  • DOI: 10.1002/anie.201304492
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Decarbonylative Suzuki-Miyaura Coupling by Nickel Catalysis (2015)
  • Author(s): 武藤慶、山口潤一郎、伊丹健一郎
  • Organizer: 日本化学会第95春季年会
  • Place of Presentation: 日本大学
  • Year and Date: 2015-03-26 – 2015-03-29
• [Presentation] Decarbonylative Cross-Coupling of Phenyl Esters and Arylboronic Acids with Ni Catalyst (2014)
  • Author(s): 武藤慶、山口潤一郎、伊丹健一郎
  • Organizer: IGER年次報告会2014
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2014-12-18
• [Presentation] Ni-Catalyzed C-H/C-O Couplings: Catalyst Development and Mechanistic Studies (2014)
  • Author(s): 武藤慶、山口潤一郎、伊丹健一郎
  • Organizer: XXVI International Conference on Organometallic Chemistry
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2014-07-17
• [Presentation] Ni-Catalyzed C-H/C-O Couplings: Development and Mechanistic Studies (2014)
  • Author(s): 武藤慶、山口潤一郎、伊丹健一郎
  • Organizer: Core to Core/IRTG Meeting
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2014-06-13
• [Presentation] Ni-Catalyzed C-H/C-O Biaryl Coupling : Catalyst Developments and Mechanistic Studies (2014)
  • Author(s): 武藤慶, 山口潤一郎, 伊丹健一郎
  • Organizer: 94回日本化学会春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋、名古屋大学
  • Year and Date: 2014-03-30
• [Presentation] Ni-Catalyzed C-H Coupling of Heteroarenes : Development, Mechanism, and Applications (2014)
  • Author(s): 武藤慶, 山口潤一郎, 伊丹健一郎
  • Organizer: 名古屋大学IGER中間報告会
  • Place of Presentation: 名古屋、名古屋大学
  • Year and Date: 2014-01-08
• [Presentation] Direct C-H Coupling through Nickel Catalysis (2013)
  • Author(s): 武藤慶, 山口潤一郎, 伊丹健一郎
  • Organizer: 第4回大津会議
  • Place of Presentation: 大津、大津プリンスホテル
  • Year and Date: 2013-10-21
• [Presentation] Ni-Catalyzed C-H/C-O Coupling of Azoles with Phenol Derivatives : Development, Mechanistic Studies, and Applications (2013)
  • Author(s): 武藤慶, 山口潤一郎, Lei Aiwen, 伊丹健一郎
  • Organizer: OMCOS17
  • Place of Presentation: Colorado, USA
  • Year and Date: 2013-07-29
• [Presentation] Direct C-H Arylation of Heteroarenes by Nickel Catalyst (2013)
  • Author(s): 武藤慶, 山口潤一郎, 伊丹健一郎
  • Organizer: 3rd International Symposium on Molecular Activation
  • Place of Presentation: Colorado, USA
  • Year and Date: 2013-07-27
• [Presentation] ニッケル触媒を用いたヘテロ芳香環C-Hアリール化 (2013)
  • Author(s): 武藤慶, 天池一真, 山口潤一郎, 伊丹健一郎
  • Organizer: 第46回有機金属若手の会
  • Place of Presentation: 宮城、蔵王ロイヤルホテル
  • Year and Date: 2013-07-09