高難度物質変換反応の開発を指向した
精密制御反応場の創出
文部科学省科学研究費補助金
新学術領域研究（平成 27−31 年度）
領域略称名「精密制御反応場」
領域番号 2702
News Letter Vol. 23
November, 2017
目次：
(1) 研究紹介
• フッ素脱離過程を活用する炭素−フッ素結合活性化
筑波大学数理物質系・教授
A01 班 市川 淳士
• 機能性メタロリガンドの創出に基づく金属錯体反応場の構築と新反応の開発
大阪府立大学大学院理学系研究科・准教授
A02 班 竹本 真
(2) トピックス
• 業績、報道、活動等の紹介
ヨーロッパ講演旅行報告、論文表紙掲載、受賞、新聞報道、ハイライト記事
フッ素脱離過程を活用する炭素−フッ素結合活性化
筑波大学数理物質系・教授
A01 班 市川 淳士
[email protected]
１．緒言 炭素−フッ素結合は、炭素を含む共有結合の中で最も強力であるため、その切断を経る分子 変換は極めて困難とされる。例えば sp2炭素−フッ素結合の活性化は、古くから芳香族求核置 換反応が知られ、最近では遷移金属錯体への酸化的付加を利用して行われるものの、今なお 制約がある。我々は、炭素−フッ素結合の切断手法として (i) 遷移金属による酸化的付加では
なく、(ii) α-フッ素脱離と(iii) β-フッ素脱離に着目した (Figure 1)。こうしたフッ素脱離では、
酸化的付加に比べてはるかに穏和な条件で炭素–フッ素結合を切断できる。そこで、これまで 合成反応にあまり用いられてこなかったフッ素脱離過程を活用することで、炭素−フッ素結合 を切断し新たな結合を生成する分子変換（炭素−フッ素結合活性化）を展開している。ここで は、新たな結合を形成しながら、いかに α-あるいは β-フッ素脱離が進行する含フッ素有機金 属中間体(フッ素脱離前駆体)へ導くかが鍵となる。そこから脱離によって炭素−フッ素結合を 切断し、一連の結果として炭素−フッ素結合の活性化が達成できる。以下に、我々が最近行っ たアリル位炭素、ビニル位炭素、芳香族炭素−フッ素結合の活性化法を紹介する。 ２．アリル位炭素−フッ素結合活性化: フルオロシクロペンタジエンの簡便合成法 上述したフッ素脱離前駆体へ誘導する手段として、(トリフルオロメチル)アルケンとアル キンの酸化的環化を採用した。これによる炭素−炭素結合形成と、ニッケラサイクルからのβ-フッ素脱離による炭素−フッ素結合切断を組合せ、トリフルオロメチル置換アルケンのアリル 位炭素−フッ素結合活性化を達成した。すなわち、0 価ニッケル錯体存在下、CF3-アルケン 1 に対しアルキンを作用させることにより、二本の炭素−フッ素結合の切断を伴う[3+2]環化が 進行し、フルオロ シクロペンタジエ ン2 を高選択的に 得た(式１)。さら !-Fluorine Elimination 1 R3 R2 F R1 R1 CF3 R3 R2 B2(nep)2, t-BuOK MgF2 1,4-Dioxane, 80 ºC, 3 h cat. Ni(cod)2 PCy3 + NiII R3 R2 F3C R1 2 (1) M F ! F M R " M R F
(iii) !-Fluorine Elimination
(ii) "-Fluorine Elimination
Figure 1. C–F Bond Cleavage
F M M F M' R R
(i) Oxidative Addition
– M'F, M
M F
３．ビニル位炭素−フッ素結合活性化: フルオロアレーンとフルオロインドールの簡便合成法 同じく 0 価ニッ ケル触媒 の酸化的 環化と挿入によって、ジフルオロエチレン(3) 1 分子とアルキン２分子から７員環の α-フル オロニッケラサイクルを調製後、ここからの α-フッ素脱離を利用することでビニル位炭素− フッ素結合を活性化し、多置換フルオロアレーン4 の選択的な簡便合成を達成した(式２)2。 フッ素脱離前駆体へ誘導する手段として、フルオロアルケンへのヘテロメタル化も使える。 つまり、分子内に求核部位を有するジフルオロスチレン 5 に対して、銀触媒と N,O-(ビスト リメチルシリル)アセトアミド(BSA)を作用させたところ、ジフルオロアルケン部の求電子的 活性化と求核付加を経て β-フッ素脱離が進行し、フルオロインドール 6 が生成した(式３)３。 ４．芳香族炭素−フッ素結合活性化: ベンゾトリフェニレンの位置選択的合成法 フッ素脱離前駆体へ誘導する手段としてさらに、フルオロアレーンへのカルボメタル化を 採用した。ここでは、フルオロ(ビフェニル)ナフタレン7 に対してアルミニウム Lewis 酸（塩 化アルミニウムと γ-アルミナ）を選んで作用させることにより、芳香環上のフッ素置換基の α 位および γ 位でそれぞれ選択的に炭素−炭素結合を生成し、フッ素脱離を伴うことでベンゾト リフェニレンの異性体 8 と 9 の作り分けに成功した４ (式４,５)。後者では、フッ 素原子がアルミニウムに配 位することでアリールカチ オンに近い遷移状態を経て、 フッ素の α 炭素上で結合が 生成したと考えている。 ５．参考文献
(1) (a) Ichitsuka, T.; Fujita, T.; Arita, T.; Ichikawa, J. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 7564. (b) Fujita, T.; Arita, T.; Ichitsuka, T.; Ichikawa, J. Dalton Trans. 2015, 44, 19460.
(2) Fujita, T.; Watabe, Y.; Ichitsuka, T.; Ichikawa, J. Chem. Eur. J. 2015, 21, 13225.
(3) Fujita, T.; Watabe, Y.; Yamashita, S.; Tanabe, H.; Nojima, T.; Ichikawa, J. Chem. Lett. 2016, 45, 964. (4) (a) Suzuki, N.; Fujita, T.; Ichikawa, J. Org. Lett. 2015, 17, 4984. (b) Suzuki, N.; Fujita, T.; Amsharov, K.;
Ichikawa, J. Chem. Commun. 2016, 52, 12948.
N F F Ag R2 NHTs CF2 R2 cat. AgSbF6 BSA N CF2 R2Ag+ H Ts N F R2 Ts (3) 5 Ts (CF3)2CHOH, reflux 4–6 h ! R1 R1 R1 R1 6 !-Fluorine Elimination (4) F PhCl 60 °C, 3 h R ! R AlCl3 (1.5 eq) 7 8 !-Al2O3 (5.0 x 103 wt%) 250 °C, 1 h Sealed under vacuum
9 R " (5) ! " cat. Ni(cod)2 PCy3 BEt3, i-PrOLi Toluene, 40 °C 12–18 h 4 R R R R F 3 R R F F NiII F F R R R R R R R R NiIIF F !-Fluorine Elimination (2)
機能性メタロリガンドの創出に基づく金属錯体
反応場の構築と新反応の開発
大阪府立大学大学院理学系研究科・准教授
A02 班 竹本 真
E-mail: [email protected]
１．はじめに：メタロリガンドは、金属原子を配位原子またはその置換原子として含有する 配位子であり、配位子骨格内の金属中心と主たる基質変換部位となる金属中心との協同的な 働きにより高難度の分子変換反応を可能にすることが期待される。我々は、遷移金属ユニッ トを置換基とするカルベン(メタロカルベン)の初め ての例となる2 核 Ru カーバイド錯体 L1 や1、光触 媒反応への応用が期待されるRu(bpy)2部位を有する メタロホスフィン L2 などの新規メタロリガンドを 創出するとともに、それらを配位子とする遷移金属 錯体の合成と反応性に関する研究を行っている。 ２．メタロカルベンL1 を支持配位子とする遷移金属錯体の合成と性質：L1 のようなメタロ カルベンを配位子とする遷移金属錯体の例は、メチレン配位子のC−H 結合切断により得られ るRu2Pt 錯体に限られていた（Scheme 1, eq 1）2。最近、より合理的な合成手法として、L1 の前駆体であるカチオン性2 核 Ru メチリジン錯体を金属塩存在下に KN(SiMe3)2と反応させ る手法を開発した（Scheme 1, eq 2）。本手法により L1 を配位子とする一連の 11 族金属錯体
。Cu および Au 錯体について単結晶Ｘ線構造解析を行った結果、 1 価の 11 族金属に特徴的な直線二配位構造が確認された。L1-Cu 錯体と類似の N-ヘテロサイ クリックカルベン（NHC）Cu 錯体との HOMO のエネルギーの比較により、L1 が NHC より も高い電子供与性を示すことがわかった。また、NBO 計算の結果、L1 の高い電子供与性は、 Ru ユニットの強い σ 供与性に起因することが示唆された。11 族金属上のジシラジド配位子は プロトン性基質との反応により他の配位子に置換することが可能であり、現在、これらの錯 体を反応場とする触媒反応の開発に取り組んでいる。 ３．メタロホスフィン L2 を支持配位子とする遷移金属錯体の合成と性質：RuCl3-3H2O から 二段階で容易に合成でき、空気中でも安定な二級ホスフィン錯体 cis-[(bpy)2Ru(PHPh)2][BF4]2 を塩基存在下、種々の配位不飽和金属種前駆体と反応させることにより、L2 を配位子とする 遷移金属錯体を合成した。以下にRh および Ir 錯体の例を示す。Rh については、水素化触媒 としてよく知られた[(diphosphine)Rh(cod)]+型の錯体を合成した。Rh(CO) 2誘導体の赤外吸収波 数の比較により、L2 がアルキルジホスフィン But 2PCH2CH2PBut2や bis-NHC 配位子よりも高 い電子供与性を有することがわかった。一方、Ir の場合、P−H 結合の酸化的付加を伴って Ir(III) ヒドリド錯体が得られた。このIr 錯体は、アルキンの E-選択的部分水素化反応に高い触媒活 性を示すことがわかった。これらのほか、L2 を配位子とする Pd 錯体および Cu 錯体の合成に も成功しており、それらの触媒活性についても調査を行っている。
Scheme 2. Synthesis and catalytic application of L2-Rh and L2-Ir complexes.
４．参考文献
(1) Takemoto, S.; Ohata, J.; Umetani, K.; Yamaguchi, M.; Matsuzaka, H. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15889. (2) Takemoto, S.; Morita, H.; Karitani, K.; Fujiwara, H.; Matsuzaka, H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 18026. (3) Takemoto, S; Tsujita, M.; Matsuzaka, H. Organometallics 2017, 36, 3686.
【業績、報道、活動等の紹介】
ヨ ー ロ ッ パ 講 演 旅 行 報 告 ： 新学術領域で若手研究者の海外講演旅行をサポートしていただけるという話を真島先生、 野崎先生から頂戴してから講演終了までの約半年間、受け入れていただく先生方とのメール のやり取りから旅程の計画と実際の講演まで、毎月のように新しい経験をさせていただく貴 重な機会となった。まずどの国を回るかであるが、昨年の河内先生がアメリカ西海岸であっ たことも鑑みてヨーロッパか中国で悩み、最終的に野崎先生と相談の末ヨーロッパをめぐる ことにさせていただいた。大変ありがたかったことに、訪問先として最初に希望したところ にこころよく受け入れていただくことができた。この時どのホストの先生からコンタクトを とりスケジュールを確定していくかなど普段まったく使わない知恵を絞るのも、最終的に正 解であったかどうかはともかく、大変よい経験となった。次に講演タイトルの設定であるが、去年あたりから国内でもタイトルとして使っている Pursuit of Catalyst Designs にした。
海外講演ということもあり、日本の大学と比して博士課程の学生とポスドクが多く年齢層が 高めだと考え、理論的な考え方を極力丁寧に説明するパワーポイントを作るよう心がけた。 これは発表後の質疑を盛り上げる一助にもなり、結果的に正解であったように思う。 最初の訪問先は９月２７日 Max Planck Institute für Kohlenforschung (Mülheim)で、List 先生にホストしていただいた。日本からドイツについた次の日の訪問で List 先生が直々ホテ ルに出迎えにきてくださった。今回の講演旅行で唯一個人的にお話ししたことがない先生で、 超有名人ということもあり緊張したが、驚くほど気さくに話しかけてこられ安心した。 Institute を一時間ほどかけて案内していただき、その後１１時から講演という形であった。 昼からは Ritter 先生をはじめ若手のグループリーダーである Tredwell 博士、Cornellá 博士 にディスカッションの時間を取っていただいた。その後 List 研の学生と雑談混じりのディス カッションをしたが、その中で辻君という京都大学薬学研究科で修士号を取得後に Max Planck で博士課程をやっている学生に会うことができた。他のヨーロッパの学生たちも交え た話であったが、彼は完全に馴染んでおり大変頼もしく見えた。このような日本人学生が増 えてほしいような、優秀な学生には日本で博士課程の研究をやってほしいような複雑な気持 ちとなった。 翌日は丸岡研究室でポスドクをしていたアレックス君（Fürstner 研出身）のご厚意で、Bayer Crop Science (Monheim)の見学と社員を前にした研究発表をさせていいただく機会を頂戴し た。まずは世界のトップの研究所の設備のすごさに圧倒された。日本の会社を実際に見たこ とがないので比較できないが、広大な敷地に数十の研究施設が立って２０００人あまりの従 業員が自由な雰囲気で働いている様子はいまだにこの世のものとは思えていない。またテク ニシャン制度も間近で見ることができて、その合理的（すぎる）システムにも感心した。研 究発表では、うすうす感じてはいたが、触媒的不斉合成が興味対象ではないという事実を突 き付けられることとなった。基礎化学と実用性のある化学とのギャップを埋めていくことも 今後大事にしなければならないと考える絶好の機会でもあった。 ９月３０日にはスペインに移動し、その翌日に ICIQ のある Tarragona へ移動した。ホスト をしていただいたのは Mũniz 先生である。講演前日の夜には古代ローマ都市である市内を案 内していただき、Mũniz 先生の博識に驚かされることとなった。余談ではあるがこの１０月 １日がちょうどカタローニャ独立投票の日であったため、いつもと街中の雰囲気が違うと教
はスペインらしいお昼１２時からで、時間を問わず必要な時に集中力を発揮する必然性を感 じた。 翌１０月３日 ICIQ を後にし、チューリッヒへと向かった。その日の夜には丸岡研究室で国 費留学生として修士号をとり、Bode 研で博士課程の学生をしているスペイン人のアルベルト 君と食事にいった。相変わらず楽しそうにしていて、ETH に送り出した側としては大変ほっ とした。次の日は一日休みとなったので、夜には ETH にいる日本人学生とポスドクにお願い して晩御飯をご一緒する機会を作っていただいた。９人もの方々に集まってくださり、貴重 な情報交換の機会となった。ちゃんと皆様の名前を覚えておこうと心に誓う。 最終日１０月５日に ETH でホストいただいたのは Wennemers 先生で、いつものエネルギッ シュな感じで迎えてくださった。午前中に Bode 研と Wennemers 研の学生たちとディスカッシ ョンの時間をいただいた。Max Planck Institute でも感じたことだが、海外の学生にはディ スカッションが楽しいものだという意識が強い。学生がきっと考えているであろうことを指 摘してあげると喜ぶし、意外な提案にも興味を持ってちゃんと意見を返してくれる。この旅 行最後となった午後２時からの講演でのハイライトは Seebach 先生が来られたことであった。 講演終了後の質疑では Seebach 先生に共有結合をどう定義するかなど本質的な有機化学の考 え方についてお教えいただいた。講演後は先生方とのディスカッションで、中でも計算化学 の Chen 先生のストーリーテラーとしての才能が印象に残った。1960 年代のドイツでの Wittig 教授と若手研究者のとある撤回された論文について論文の再現実験をしながら当時の関係者 の証言を交えて検証し、浮かび上がった実験と人間関係の裏側を詳らかにしていただいた。 なおこの内容は昨年 Israel Journal of Chemistry で発表されている（Isr. J. Chem. 2016, 56, 53）。
以上のように、この１０日間はこれまでの研究生活で最も密度高く経験をつめた日々とな った。本講演旅行は新学術領域「精密制御反応場」のご支援を賜って実現したものであり、 真島先生、野崎先生をはじめ関係諸先生方に改めて感謝申し上げます。また多忙にも関わら ず快くホストしていただいた List 先生、Mũniz 先生、Wennemers 先生にも再度御礼の意を表 させていただきます。最後になりましたが、丸岡先生ならびにこの十年間研究の中心であっ たすべての研究室の学生に感謝して本文を終わらせていただきます。
Max Planck での晩御飯後 ICIQ での講演終了後 ETH で講演後 Seebach 先生と
(千葉大学グローバルプロミネント研究基幹・特任准教授 A04 班 橋本卓也)
•水野哲孝氏（A01班、東大院工・教授）と野崎京子氏（A01班、東大院工・教授）らの共同研 究論文（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13821-13829）がCoverに採用されました（左上図）。 •西林仁昭氏（A01 班、東大院工・教授）らの研究論文（Bull. Chem. Soc. Jpn., 2017, 90, 1111）が「BCSJ Award」を受賞しました。同時に Front Cover に採用されました（右上図）。 •久枝良雄氏（A03 班、九大院工・教授）らの研究論文（Chem. Commun. 2017, 53, 10878-10881） が Back Cover に採用されました（左下図）。
•山口潤一郎氏（A01 班。早大先進理工・准教授）らの総説（Chem. Soc. Rev. 2017,46, 5864-5888） が Inside Back Cover に採用されました。
新 聞 報 道 ： •藤田健一氏（A01 班、京大院人環・教授）らの研究成 果（ACS Catal. 2017, 7, 7226-7230）が化学工業日報 紙（2017 年 10 月 4 日付）で報道されました（右図）。 •神川 憲氏（A02 班、阪府大院理・教授）らの研究成 果 （J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, ASAP; DOI: 10.1021/jacs.7b07113）が化学工業日報紙（2017 年 10 月 12 日付）で報道されました（下図）。
• 鳶巣 守氏（A01 班、阪大院工・教授）が 2018 年度 Mukaiyama Award を受賞することにな りました。
https://www.ssocj.jp/award/mukaiyama/2018/announcement2018.pdf 学 会 、 雑 誌 、 ジ ャ ー ナ ル 等 で の ハ イ ラ イ ト 記 事 ：
•藤枝伸宇氏（A03 班、阪府大院生命・准教授）らの研究論文（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139,
5149-5155 ） が ACS の Virtual Issue （ Engineered Biomolecular Catalysts; DOI:
10.1021/jacs.7b09896）に選ばれました（左図）。
• 熊谷直哉氏（A02 班、微化研・主任研究員）らの研究成果(Nat. Chem. 2017, 9, 571-577) が SYNFORM (Synform 2017/10, A165‒A168; DOI: 10.1055/s-0036-1590315)でハイライトさ れました（右図）。 https://www.thieme.de/en/thieme-chemistry/unique-properties-dictated-by-the-datb-ring-system-117285.htm
