第47号ニュースレターを発行しました。 - 「新学術領域研究」直截的物質

2014 December
http://www.molecular-activation.jp
47
研究紹介ときに、分子間での脱水素を伴うケイ素化反応が進行す
ることを偶然に見いだした。触媒を精査したところ、
水素－ヘテロ原子結合を起点とする不活性結合
の活性化 A01 班（岡山大院自然）髙井和彦 Hartwigがホウ素化反応で用いたイリジウム触媒がよいこ
とがわかった。種々の多環芳香族化合物にケイ素が導入
できるが、位置選択性はおもに立体障害の影響を受けて
決まる（式4）。4
有機分子に数多く含まれる C–H 結合を位置選択的に活
性化するために、金属に配位する Lewis 塩基を有する配向
基が種々開発されてきた。その目的は、配位不飽和な金属
活性種を、反応させたい C–H 結合の近くにもってくること
である。本研究では、反応させたい C–H 結合の近くに、あ
らかじめ Si–H 結合など金属への酸化的付加をしやすいヘ
テロ原子－水素結合を配置しておき、近傍の C–H 結合の活
性化、それに続くヘテロ原子－炭素結合の形成を目的に反
応をおこなった。
Wilkinson 錯体を用いる式１のシラフルオレン合成が高
収率で進行することを 2010 年に見いだしていたが（式 1）、1
今回、同様にゲルマフルオレンが得られることを見いだ
2
した（式 2）。この結果は、第４周期の元素でも脱水素を
伴う環化反応が進行することを示している。
2013年に、ホウ素のLewis酸性を利用し、ホウ素にLewis
塩基である窒素を配位させたあと、
B−H結合のパラジウム
への酸化的付加を経由するピリジル基のオルト位のsp2炭
素へのC−H結合活性化によるホウ素導入反応を報告した
（式5）。5 今回、隣に窒素原子が必要ではあるが、sp3炭素
への反応も同様におこなえることを見いだした。sp2炭素
上での反応とは異なり、パラジウム触媒では進行せず、
レニウム錯体を用いることで目的の生成物が得られた
（式6）。6 なお、反応は末端メチル基のほうがメチレン鎖
よりも反応しやすい。
式１ではsp2炭素－水素結合の活性化が進行しているが、
sp3炭素－水素結合も同様に活性化できることがわかった。
sp3炭素では活性化により高温が必要であるが、リン配位
子としてDTBM-SEGPHOSあるいはDTBM-Garphosを用
いることでより低い温度で反応がおこなえるようになっ
た。また、それら配位子はキラルなものが入手可能であ
り、反応に用いると、不斉収率は高くないが、エナンチ
オトピックな水素が区別できることもわかった（式3）｡3
1) Ureshino, T.; Yoshida, T.; Kuninobu, Y.; Takai, K. J. Am.
Chem. Soc. 2010, 132, 14324.
2) Murai, M.; Matsumoto, K.; Okada, R.; Takai, K. submitted
for publication.
3) Murai, M.; Takeshima, H.; Morita, H.; Kuninobu, Y.; Takai,
K. unpublished results.
4) Murai, M.; Takami, K.; Takai, K. submitted for publication.
5) Kuninobu, Y.; Iwanaga, T.; Omura, T.; Takai, K. Angew.
Chem. Int. Ed. 2013, 52, 4431.
6) Murai, M.; Omura, T.; Kuninobu, Y.; Takai, K. unpublished
式１の反応で、触媒の違いによる影響を検討している
results.
BH3·THF による CO2 のメタノールへの
変換反応を報告している(式 2)3。
A02 班（広島大院理）水田勉これらの報告に基づくと，本反応の反応経路として２つ
−
CO2 の還元によりメタノールを得る反応は，CO2 の排出
の触媒サイクルが考えられる。１つは，BH4 と CO2 との反
削減と再生可能燃料の生成の両方を同時に満足する重要な
応で HCOOBH3 が生じ(式 3a)，これが H を BH3 に渡す
課題である。水素，ヒドロシラン類，ヒドロホウ素類をヒ
ドリド源として金属錯体触媒による還元反応が開発されて
−
−
−
ことで BH4 が再生するとともに HCOOBH2 が生成する
（式
3b）
。後者は，自発的に(CH3OBO)3 へと変換される。
きたが，近年になり金属錯体を用いない反応も見出されて
いる。
BH3 は，THF 溶液として市販されており，他のヒドロボ
ラン類と同様に入手容易な試薬であるが，BH3·THF 自体は，
−
もう一つの機構では，HCOOBH3 がさらにもう１分子
−
CO2 と反応しない。最近我々は，BH3·THF の THF 溶液に
の CO2 と反応し(HCOO)2BH2 を生じ(式 4a)，このジホル
NaBH4 あるいは，HCOONa を触媒量添加すると常温常圧で
メートから HCOO が BH3 に引き抜かれ HCOOBH2 が生
CO2 との反応がほぼ定量的に進行し，トリメトキシボロキ
成するとともに HCOOBH3 が再生するというのもので
シン(CH3OBO)3 を生じることを見出した 1。(CH3OBO)3 は水
(式 4b)，HCOOBH2 は，最終的に(CH3OBO)3 へ至る。
−
−
で容易に加水分解されメタノールとなる。例えば，市販の BH3·THF は１Ｍの THF 溶液であり，安
定剤として0.5 mol％のNaBH4 を安定剤として含んでいる。
これは，室温下で BH3 は THF と徐々に反応し nBuOBH2 を
生じるが，NaBH4 を添加するとこの反応を防ぐことができ
るからである。この NaBH4 を含んだ市販の BH3·THF を常
このように考えると，添加剤は BH4 だけでなく HCOO
温常圧の CO2 雰囲気下におくと 12 時間後には，ほぼ定量
でも良いことになる。実際に１mol%の HCOONa を NaBH4
的に(CH3OBO)3 へ変換された（式 1）
。一方，この市販の
の代わりに用いても，ほぼ同様の反応速度で CO2 と
−
−
BH3·THF の反応は進行する。今のところどちらの経路が正
−
しいか確定できてはいないが，HCOOBH3 が鍵となって
いる反応サイクルを下にまとめた。
BH3·THF からtrap-to-trap によってNaBH4 を除去したのちに
反応に用いるとまったく反応が進行しなかった。このこと
から，NaBH4 が反応を進行させたことがわかる。実際に
trap-to-trap により精製した BH3·THF に 1 mol％の NaBH4
を添加すると CO2 との反応が再現した。
Heller らは 1950 年代に LiBH4 を CO2 と反応させて
HCOOLi と 1/2 当量の B2H6 および微量の MeOH を得たと報
告しているが，反応の詳細はその後調べられていない。一
−
−
方，
La Monica らはBH4 とCO2 との反応で(HCOO)2BH2 と
−
2
(HCOO)3BH を得ているが，後者は-50℃以上では，
−
1) Fujiwara, K.; Yasuda, S.; Mizuta, T. Organometallics, 2014,
in press, DOI: 10.1021/om5008488. (ACS Editor’s Choice)
2) La Monica, G.; Ardizzoia, G. A.; Cariati, F.; Cenini, S.;
Pizzotti, M. Inorg. Chem. 1985, 24, 3920.
CO2 と(HCOO)2BH2 に分解する。また，Brown らは，
3) (a) Yoon, N. M.; Pak, C. S.; Brown, H. C.; Krishnamurthy, S.;
HCOOH と BH3·THF を反応させると水素とともに
Stocky, T. P. J. Org. Chem. 1973, 38, 2786. (b) Brown, H. C.;
HCOOBH2 が生成し，最終的に(CH3OBO)3 が得られること
Stocky, T. P. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 8218.
Ni(0)/N-ヘテロ環状カルベン触媒系を用いた高
効率ベンゾオキサシロール合成 A03 班（阪大院工）生越専介当研究室では、Ni(0)/N-ヘテロサイクリックカルベン
を用いた高効率ベンゾオキサシロール合成反応を開発した
(Table 1)。トルエン中室温にて、Ni(cod)2 (1 mol%), IPr (1
mol%), 2-dimethylphenylsilylbenzaldehyde (1a)を混合した結
果、ケイ素上からカルボニル炭素へのフェニル基の移動を
また、本反応はビニル、及びアルキニルベンゾオキサ
シロールの合成にも適用する事が可能である (Table 2)。こ
の際、C=C または C≡C 結合の配位によりベンゾオキサシ
ロールの生成が阻害されてしまうため、反応条件を最適化
する必要があった。即ち、THF 中、60 度にて Ni に対して
二当量の IPr を用いることで、高効率的にベンゾオキサシ
ロール 2g−2j を得ることが出来た。
Table 2. Highly efficient synthesis of vinyl- and
alkynylbenzoxasiloles with Ni0 complex
伴いながらベンゾオキサシロール 2a が収率 99%にて生成
R''
した。電子供与基であるメトキシ基をベンズアルデヒド骨
格に導入した場合(1b)、生成物 2b は高収率で得られたもの
R
R'
の、反応の完結には 3.5 時間を必要とした。一方、電子求
Si
R'
H
F
を導入した場合においても、反応は高効率的に進行しベン
OMe
Si
O
H
Si
O
H
Si
O
2g−j
Et
Et Si
O
H
ゾオキサシロール 2d (97%)、及び 2e (99%) が得られた。
ケイ素上に二つのフェニル基を有する 1f を用いた時、生成
物 2f が収率 99%、ジアステレオマー比 53:47 で得られた。
Table 1. Highly efficient synthesis of arylbenzoxasiloles
H
R
応は速やかに進行し 0.25 時間にて収率 96%で 2c が得られ
た。更にケイ素上に 4-MeO-C6H4 基(1d)、及び C6F5 基(1e)
R'
R' Si
O
THF, 60 °C
O
1g−j
引基であるトリフルオロメチル基を導入した場合(1c)、反
R''
2 mol% Ni(cod)2
4 mol% IPr
H
TMS
2g
2 h, 90%
2h
6 h, 89%
2i
2 h, 91%
2j
3 h, 95%
反応機構に関する知見を得るために、基質 1b と 1d を用い
た交差実験を行った (Figure 1)。その結果、アリール基の交
with Ni0 complex
換を伴って生成するベンゾオキサシロール 2a 及び 2k を含
R
Ar
R
1 mol%
Ni(cod)2/IPr
Si
Si
O
toluene, RT
O
H
1a−f
おけるアリール基の交換が起こらないことは別途確認して
H
Ar
2a−f
CF3
OMe
Si
O
H
Si
O
Si
O
H
H
2c
0.5 h, 99%
3.5 h, 98%
0.25 h, 96%
H
Ph
H
F
F
OMe
2d
3 h, 97%
F
Si
O
H
F
F
2e
0.5 h, 99%
含んでいることが明らかとなった。これらの成果は、学術
誌にて発表予定である(J. Am. Chem. Soc., ASAP, DOI:
の不斉反応への展開に取り組んでいる。
Figure 1. Crossover experiment with 1d and 1j
2b
Si
O
いる。これより、本反応はアリール基の分子間移動過程を
10.1021/ja510089c)。現在、更に詳細な機構研究と本反応
2a
Si
O
む 4 種類の生成物が得られた。基質間、および生成物間に
2f
0.5 h, 99%
(53:47 dr)
トピックス
・生越専介氏（A03 班、阪大院工・教授）らの論文
（Organometallics, 2014, 33 (14), pp 3669–3672）が、ACS
Editor’s Choice に選ばれました。
http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/om5005513
・久枝良雄氏（A03班、九大院工・教授）らの論文
（ChemPlusChem, 2014, 79, 1250-1253）が表紙に選ばれ
ました。また、科学新聞 2014年（平成26年）8月8日
（金）に紹介されました。
~
触媒回転速度：約100/時間
★�光を駆動力
★�水を水素源
・生越専介氏（A03班、阪大院工・教授）らの論文（J. Am.
Chem. Soc. 2014, DOI:10.1021/ja509171a）が C & E News
に紹介されました。
COOH
★�回収可能な不均一触媒
CoIII
=
N
Co
N
HOOC
CO
O
H+
N
N
HOOC
COOH
アルケン還元
UV
HOOC
C
OO
HOOC
H
O
Ti
H+
水素発生
CoII
H2
eO
Ti
O
H
UV
CoIII
CoI
e-
OOC
触媒回転速度：約1/時間
TiO2
Ti
O
O
Ti
O
Ti
SC I E N C E & T EC H N O LO GY CO N C E N T RAT ES
REFIGURING THE
EQUATION FOR [2+2+1]
CYCLOADDITIONS
R2
R4
types of masers using the IRAM 30-meter
telescope in Spain: one formed by silicon monoxide and the other by methanol (Nat. Commun. 2014, DOI: 10.1038/
Chemists in Japan have developed a verncomms6449). Prior to this study, astronsatile variation on the Pauson-Khand
omers had identified only water, hydroxreaction—a type of [2+2+1] cycloaddiide, and formaldehyde masers in space.
tion—leading to the synthesis of new
Natural masers consist of gas clouds in
-lactams (J. Am. Chem. Soc. 2014, DOI:
which a majority of the molecules have
10.1021/ja509171a). These five-membered
been excited by energy from objects, such
cyclic amides are useful intermediates for
as a black holes. As the molecules relax,
synthesizing bioactive molecules for drug
they emit microwave radiation. The two
discovery as well as for ring-opening ponew masers are considered “megamasers”
lymerizations. In a normal Pauson-Khand
because they are at least a million times
reaction, an alkyne and an alkene are
more luminous than masers found in our
coupled via carbon monoxide to form a cyMilky Way galaxy. A supermassive black
clopentenone. By using an imine in place of
hole is likely energizing the molecules in
the newfound SiO megamaser, which is
located in a galaxy roughly 50 million
3
1
–C6H5OH
R
R
light-years from Earth, says study
CO
R1
leader Junzhi Wang, an astronomer
H
OC
H
N
6 5
Ni
at the Shanghai Astronomical ObR4
R2
N
O Phenyl
servatory of the Chinese Academy
formate
+
of Sciences. But the scientists
3
R
Ni(0) catalyst
aren’t yet sure what’s powering
3
1
R
R
the methanol megamaser in the
P(cyclohexane)3
same galaxy and will need higherN(CH2CH3)3
N
R2
R4
resolution observations to confirm its
source.—MD
�-Lactam O
the alkene, the end product is a -lactam.
Sensuke Ogoshi and colleagues at Osaka
University have found that a nickel(0)
phosphine catalyst works best to mediate
-lactam synthesis. But formation of the
key cyclic nickel intermediate is hampered
by formation of catalytically unreactive
nickel carbonyl complexes when using
CO gas. They reasoned that using phenyl
formate in solution as a surrogate for CO
could produce CO in situ, which controls CO concentration to prevent nickel
carbonyl formation and further enables
renewal of the catalytic cycle (shown).
The researchers also discovered that using
norbornene instead of an alkyne leads to
bicyclic -lactams.—SR
CELESTIAL GASES FUEL
A MASING DISCOVERY
Although lasers tend to overshadow their
microwave-emitting counterparts known
as masers, naturally occurring celestial
masers do help scientists learn more
about black holes and galaxies, which
could lead to a better understanding of
hypothetical dark energy. Researchers
from China have discovered two new
MODELING CHEMICAL
EXPOSURE COULD HELP
RANK TOXICITY RISK
other compounds into categories such as
antimicrobials, personal care products, or
pesticides and factored in demographic
data such as age and gender. Their model
led to a list of 7,968 chemicals, ranked from
highest to lowest potential exposure. At the
top of the list were well-known problematic
compounds such as diethyl phthalate and
methylparaben. But the real value of the approach, the researchers say, is that it could
help forecast exposures for thousands of
chemicals on the list that don’t have wellexplored exposure pathways.—EKW
35
METHOD AIDS ARENE
META SUBSTITUTION
Substituents are often added to arenes
by directed metalation, in which an existing substituent helps direct a metalating reagent to abstract hydrogen from
a carbon on the ring. An electrophile
can then be added to form a substituted
product, typically ortho to the directing
group. Meta substitutions, on the other
hand, are difficult and rare. Chemists
have been trying to get beyond this “ortho curse,” and researchers in Scotland
have now made an advance that could
help break the spell (Science 2014, DOI:
10.1126/science.1259662). Robert E. Mulvey, Charles T. O’Hara, and coworkers at
the University of Strathclyde identified
directing groups that allow a disodiummagnesium alkylamide reagent to metalate
two arene sites, at either ortho and meta
A mathematical model that draws on data
from human monitoring studies may
help rank levels of human
exposure to thousands of
DG
DG
DG
Magnesium
household and industrial
metalating
E
[Mg]
chemicals circulating in
reagent
Electrophile
the environment. The
[Mg]
approach could greatly
facilitate efforts to unDG = directing group, E = electrophilic substituent
pack the compounds’
A new synthetic approach adds
toxicities (Environ. Sci. Technol. 2014, DOI:
substituents to arenes at ortho and
10.1021/es503583j). Some 80,000 chemimeta positions (shown) or the two meta
cal substances are registered in the U.S.
positions relative to the directing group.
under the Toxic Substances Control Act.
Gathering comprehensive data on human exposures to each of them for toxicity
positions or at both meta positions relatesting is prohibitive, requiring blood or
tive to the directing group. The approach
urine samples of large populations. John
differs from conventional directed ortho
F. Wambaugh of EPA’s National Center for
metalation in that the reagent instead of
Computational Toxicology, in Research
the directing group exerts primary control
Triangle Park, N.C., and colleagues began
over which ring positions are modified.
instead with a database of exposure levels
“C–H bonds in positions previously inacof just over 100 parent chemicals found
cessible to metalation, and hence to funcin 68 human urine samples. They used
tionalization, should now be accessible,”
that information to group thousands of
O’Hara says.—SB
C E N . ACS.O RG
E
N OV E M B E R 17, 20 14
・柴田高範氏（A01 班、早稲田大先進理工・教授）ら
の論文（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5410-5413）が
Synfacts に紹介されました。
（https://www.thieme-connect.com/products/ejournals/abstr
act/10.1055/s-0034-1378430）
・Muhammet Uyanik氏（A02班、名大院工・助教）らの
論文（High-turnover hypoiodite catalysis for asymmetric
synthesis of tocopherols Science 2014, 345, 291–294.）が、
synfactsに紹介されました。
(https://www.thieme-connect.com/products/ejournals/abstrac
t/10.1055/s-0034-1379094)
・西村貴洋氏（A02 班、京大院理・講師）らの論文（J.
Am. Chem. Soc. 2014, 136, 9284−9287）が Synfacts に紹介
されました。
(https://www.thieme-connect.de/products/ejournals/abstract/
10.1055/s-0034-1378642)
The back cover picture shows a schematic image of the hybrid catalyst composed of titanium oxide
and metal complex derived from naturally occurring B12 (cobalamin). This hybrid catalyst shows catalysis
for hydrogen evolution and alkene reduction under UV irradiation under mild conditions of room temperature, ordinary pressure, and with water or alcohol as solvent. In their Communication on page 1250,
Hisashi Shimakoshi and Yoshio Hisaeda show the synergistic effect of the naturally occurring cobalamin derivative and inorganic TiO2 in unique catalysis of the metal complex–semiconductor hybrid
system.
お知らせ第５回分子活性化国際若手シンポジウム会期：平成 26 年 12 月 19 日（金）～ 12 月 20 日（土）
会場：かんぽの宿阿蘇（〒869-2612 熊本県阿蘇市一
の宮町宮地 5936）
http://www.kanponoyado.japanpost.jp/yado/aso/
連絡先：中尾佳亮
E-mail: [email protected]
発行・企画編集
新学術領域研究「直截的物質変換をめざした分子活性化法の開発」
連
領域代表茶谷直人（[email protected]）
広報担当伊東忍（[email protected]）
絡
先

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