ルイス酸部位を有する遷移金属錯体の特徴を活かした触媒反応開発

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K05458
• 研究機関: 長崎大学
• 研究代表者: 小野寺 玄 長崎大学, 工学研究科, 准教授 (90433698)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: ホスフィン－ボラン / パラジウム / 金 / アリルアルコール / ベンジルアルコール / アリル化反応 / 付加環化反応 / クロスカップリング反応

研究実績の概要

本研究では，ホスフィン－ボラン化合物を各種遷移金属錯体の配位子として用いることでルイス酸部位を有する遷移金属触媒を調整し，この触媒の作用によって効率的に進行する有機合成反応の開発を目的として研究を行っている。2020年度に検討を行った触媒反応に関する結果を以下にまとめる。
アリルアルコールによるアルデヒドのα位アリル化反応では，アリルアルコールがパラジウムへと酸化的付加することで求電子的なπ-アリルパラジウム中間体が生成し、アルデヒドのα位炭素が求核攻撃することで炭素－炭素結合形成反応が進行した。目的生成物の収率も高く基質適用範囲も広かったが、ホスフィン－ボラン配位子の代わりにホウ素部位を持たないホスフィン配位子を用いても同程度の収率で目的生成物が得られることがわかった。反応しにくい基質においてはホウ素のルイス酸性の効果が現れるのではないかと期待して適用範囲を詳しく調べたが，ホウ素部位の有無に関わらずほぼ同程度の収率で対応する生成物が得られたのみであった。
ホスフィン－ボラン配位子と金触媒を用い，分子内にアルキン部位を有する活性メチレン化合物の分子内付加環化反応についても研究を進めた。この反応では金錯体をカチオン性にするために銅塩を添加することが重要であることを突き止め，良好な収率で環化生成物を得ることができた。活性メチレン部位とアルキン部位とをつなぐ炭素鎖の長さについて調べたところ，5員環を形成するような基質については反応が進行したものの，6員環以上の環化体は得ることができなかった。
ベンジルアルコールと有機ホウ素化合物とのクロスカップリング反応が進行することを見出した。ホスフィン－ボラン配位子とパラジウム錯体を触媒として用い，有機ホウ素化合物としてトリフェニルボロキシンを用いた場合に中程度の収率でジフェニルメタンが得られることが明らかとなった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ホスフィン―ボラン配位子とパラジウム触媒を用いたアリルアルコールによるアルデヒドのα位アリル化反応では高収率で対応する生成物を得ることができたが，ホウ素部位を持たないホスフィン配位子を用いても同程度の収率で同じ化合物が得られることがわかった。また，アニソール類とアリールホウ素化合物とのクロスカップリング反応についても様々な検討を行ったが，ごくわずかに目的生成物が得られたのみであった。
一方，当初の計画には無かったアリルアルコールによるシリルエノラートのアリル化反応については，高収率で対応するα-アリルケトンが得られることを見出した。この反応においてはホスフィン配位子とホウ素化合物を別々に添加した場合には収率が低下することを確認した。また，様々なアリルアルコールを用いて位置選択性を調べたところ，水酸基のγ位で炭素－炭素結合が形成されることがわかった。
ホスフィン－ボラン配位子と金触媒を用い，分子内にアルキン部位を有する活性メチレン化合物の分子内付加環化反応が進行することを見出した。この反応はホスフィン配位子のみを用いても進行せず，ホウ素化合物を別途添加するかホスフィン－ボラン配位子を用いた場合にのみ効率よく進行する。
また，研究を進める中でベンジルアルコールと有機ホウ素化合物とのクロスカップリング反応がホスフィン－ボラン/パラジウム触媒系を用いることで進行することを見出し，反応条件の最適化に取り組んでいる。
以上のように，本研究は一部期待通りに進行しない触媒反応があったものの，金触媒による付加環化反応については良好な結果が得られている。また，当初計画していなかったシリルエノラートのアリル化反応やベンジルアルコールを用いるクロスカップリング反応がホスフィン－ボラン/パラジウム触媒によって進行することを見出すなど，おおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

ホスフィン－ボラン/金触媒系を用いたアルキン部位を有する活性メチレン化合物の付加環化反応については、活性メチレン部位の構造やアルキン末端の置換基など，基質適用範囲の詳細を明らかにする。また，ホスフィン－ボラン金錯体の単離・精製を試み，触媒活性種の構造に関する知見を得るとともに，重水素化実験やNMRを活用して詳細な反応機構を明らかにするための研究を行う。
ベンジルアルコールと有機ホウ素化合物とのクロスカップリング反応については，反応条件の最適化を進め，より高収率でジアリールメタンが得られる条件を探索する。特に配位子の構造最適化が重要であると考えており，これまでに合成している様々な構造のホスフィン－ボラン化合物を配位子として用いて収率の変化を調べることで，より触媒活性の高い配位子の構造を明らかにしたい。最適な反応条件が見つかれば，その条件下での基質適用範囲の調査に進む予定である。ベンジルアルコール類としては様々な芳香環を有するアリールメタノールを合成してクロスカップリングに用い，収率の変化を調べる。また，2級や3級のアルコールについても適用可能かどうかを明らかにする。カップリングパートナーである有機ホウ素化合物についてはトリアリールボロキシンが有効であることがわかっている。どのような芳香環を導入可能かについて，様々なトリアリールボロキシンを合成し，それらを用いたカップリング反応を調査する。

次年度使用額が生じた理由

4月から6月ころまでは新型コロナウィルス感染拡大防止の観点から研究活動が縮小されており、消耗品費の購入額が減少した。また，実験装置の故障やメンテナンスに関わる消耗品の購入が当初の予想よりも少なく，低額で済んだ。各種学会やシンポジウムは中止またはオンラインでの開催となり，出張旅費や宿泊費も不要となった。以上が次年度使用額が生じた主な理由である。
令和3年度分として請求した助成金と合わせた使用計画を下記に示す。引き続き有機合成用試薬類および実験用消耗品が必要であるため、1,150,235円を物品費として使用する。学会発表に必要な旅費として当初の予定通り300,000円を計上する。その他経費として200,000円を計上し、合計で1,650,235円を使用する計画である。

研究成果

• [国際共同研究] TU Dortmund University(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: TU Dortmund University
• [雑誌論文] Direct Benzylation of Amines with Benzylic Alcohols Catalyzed by Palladium/Phosphine-Borane Catalyst System (2020)
  • 著者名/発表者名: Gen Onodera, Hidenobu Kumagae, Daiki Nakamura, Takuto Hayasaki, Tsutomu Fukuda, Masanari Kimura
  • 雑誌名: Tetrahedron Letters 巻: 61 ページ: 152537-152540
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2020.152537
  • 査読あり
• [学会発表] 金/ホスフィン－ボラン触媒系によるアルキン部位を有するマロン酸エステル誘導体のConia-Ene反応 (2021)
  • 著者名/発表者名: 桑原麟太郎，小野寺玄，福田勉，クラウゼ ノーバート，木村正成
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会