サレンルテニウム錯体を触媒とする高選択的酸化反 応の開発

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九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

サレンルテニウム錯体を触媒とする高選択的酸化反 応の開発

入江, 亮

九州大学大学院理学研究院化学部門

香月, 勗

九州大学大学院理学研究院化学部門

https://doi.org/10.15017/11061

出版情報:九州大学極低温実験室だより. 4, pp.11-18, 2003-06. Cryogenic Laboratory, Faculty of Science, Kyushu University

バージョン:

権利関係:

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督レンルテニウム錯体を触媒とする

    高選択的酸艦齢旛の開発

大学院理学研究院化学部門 入江 亮、香月 筋

要旨

 キラルな第二世代サレンルテニウム錯体(IRg(sa旦磯)C塁(NO)1)が、各種不斉酸化反 応の優れた触媒であることを見出した。 共役オレフィンの不遜エポキシ化では、2,6一 ジクロロピリジンN一オキシドを共酸化剤に用いることにより基質の二重結合の置換 様式に関わり無く高エナンチオ選択性を達成した。 また、ラセミ第二級アルコー ルの酸化を検討したところ、共酸化剤を用いることなく空気雰囲気下。室温にて効 率良くかつ良好なエナンチオマー区別性(藍,。無品20)をもって反応が進行すること

を見出した。 同じ条件下で2一ナフトール類の酸素酸化的不斉カップリング反応を 行ったところ、2,2 一ビナフトール誘導体を最高79%の不慮収率で得ることができた。

さらに、この空気酸化の手法を利用して第二級アルコール存在下で第一級アルコー ルの化学選択的酸化反応を検討し、かさ高いサレンルテニウム錯体を触媒として用 いることにより対応するアルデヒド及びラクトールが高収率で得られることを見出 した。 これらの反応は全て。可視光照射下でのみ円滑に進行する。 この光加速 効果は、アピカル位のニトロシル基の光解離による配位不飽和種の形成に起因する

と考えられる。

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璽。はじめに

 酸化酵素チトクロムP−450は、アルケンのエポキシ化やアルカンのヒドロキシル 化を立体選択的に触媒することが知られている。 有機合成の立場から、この酵素 の機能を合成化学的に再現することは興味深い。 現在この酵素反応の機構がほぼ 解明され、その反応中心にはポルフィリン鉄錯体が存在し、触媒活性種として高原 子価鉄一オキソ錯体の生成が定説化している。 一方オキソ錯体は、鉄以外にも種々 の遷移金属錯体から適当な共酸化剤を用いて化学的に発生させることが可能である

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(Schetwe 9)。 筆者らは、その中の一つ、サレン錯体に着目した。 酵素の直接的な モデルであるポルフィリン錯体と比較して、中心金属の近傍に、しかも簡単に不斉 要素を導入できる点が魅力的であったからである。 筆者らはこれまでに、キラル なサレン金属錯体を用いる触媒的不斉酸化反応の開発を行ってきた1。 ここでは、

最近の研究成果の中からサレンルテニウム触媒を用いるオレフィンの不斉エポキシ 化及び高選択的酸素酸化について紹介したい。

2.第二世代サレン触媒

 キラルなサレン錯体を用いる不斉酸化反応で高エナンチオ選択性を達成するため には、基質がオキソ種と反応する際のその接近方向と配向を同時にしかも高度に制 御しなければならない。 筆者らは基質の配向を制御する立体及び電子的効果を明

らかにすると共に、様々なサレンマンガン錯体を用いたエポキシ化の立体化学の解 析から、オキソーマンガン錯体のサレン配位子が非平面構造韓epped伽fb翻癬鋤を

有しておりその折れ曲がりのセンスが基質の接近方向を規制していることを提唱し た(Figure 9)。 これらの立体制御因子を考慮して設計した軸不斉ビナフチル骨格を 有するサレンマンガン錯体(筆者らは第二世代錯体と呼んでいる)は、各種共役オレ フィンの不斉エポキシ化において従来にない高い不斉誘起を示した1。 X線単結晶 構造解析から、第二世代サレン配位子の配座がマンガンージアミン5員環キレートの

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に、第二世代サレン触媒は中心金属のサイズや軸配位子の種類に応答してその配座 を変化させることになる。 これらの知見は、新たな不斉反応場の構築に向けて重 要な指針となった。

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3.第二世代サレンルテニウム触媒を用いる不斉エポキシ化

 マンガン等の第一一周期遷移金属と比べて、第二周期遷移金属イオンは半径が大き くまた特異な電子的性質を有している。 筆者らは、これらの金属と第二世代サレ ン配位子の特徴を生かせればこれまでにない不斉酸化反応を開発できるものと期待 し、第二世代サレンルテニウム錯体9を合成した。 まず手始めに、錯体9のX線 構造解析を行ったところ、驚いたことにそのサレン配位子がマンガン錯体のそれと

は異り非対称に折れ曲がっていることが分かった(Fig雛e 3)3。 よく見ると、 aでは 長いルテニウムー酸素結合(Ru一・0:約2.⑪A、 Mn−0:約し8 A)を反映してC3(3 )位の

置換基問の距離が長くなり、マンガン錯体で見られるような両置換基問のCH一π相 互作用が働いていない。 また、0聾π相互作用による制約もない。 このため9 はより柔軟な不斉反応場を形成し、広範囲の基質に適応できるものと推察された。

上に述べたサレンマンガン触媒は、共役シスー二及び三置換オレフィンの不斉エポキ        3

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反応条件を種々検討した結果、2,6一ジクロロピリジンN一回キシドを共酸化剤として 用いると4、マンガン触媒とは異なりシス..オレフィンのみならずトランスや末端オ レフィンのエポキシ化を三三ナンチオ選択的かつ立体特異的に触媒することを見出 した(Scheggke 2)5。 さらに興味あることに、本反応は可視光照射下でのみ円滑に進 行する6。 これは、この種のルテニウム錯体は置換不活性であり、ルテニウムオキ

ソ種を得るためにはまずアピーカル配位子の光解離を誘発して配位不飽和種Aとした 後に。ピリジンN一オキシドを捕捉する必要があるからである(S伽me 3)。事実、筆 者らの研究が報告された後、Ferdらによってサレンルテニウム錯体の光反応性が詳 細に調べられ、ニトロシル基が光解離することが証明されている7。 このように筆 者らは、第二世代サレンルテニウム錯体を用いて、オレフィンの置換様式に関わら ない共役オレフィンの一般的な触媒的不斉エポキシ化を初めて開発することができ

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4。不二酸素酸化

 触媒的不二酸素酸化は、有機合成が目指す大きなテーマの…つである。 前述の 不斉エポキシ化の研究の展開として第二級アリルアルコールの反応を検討していた とき、目的のエポキシドに優先して対応するケトンが生成することに気が付いた。

そこでこの反応を詳細に調べたところ、驚いたことに、共酸化剤を用いなくてもケ トンへの酸化が空気中の酸素を利用して円滑に進行することが分かった。 さらに、

エポキシ化とは異なり、・ (R,R)一錯体2を用いた時に効率的な速度論的分割が起こり、

キラルな第二級アルコールを高い光学純度で得るごとができることが明らかとなっ た(Schetwe 4)。 本反応は基質の適用範囲も広く、ベンジルアルコールやアリルア ルコール等の活性アルコールのみならずジアルキルカルビノールの酸化にも適用で きる(輪=ag−20)8。 詳細な反応機構については現在検:海中であるが、エポキシ化と 同様に光照射が不可欠であることおよび配位性溶媒中では反応が全く進行しないこ とから、現在のところ本反応は次のように進行していると考えている(Sc紀me 5)。

まず、配位不飽和種Aが酸素分子と反応してオキソ錯体とは異なる高原子価錯体B が生成し、これにアノレコールが配位する。 その後、配位したアルコールからルテ ニウムイオンへの電子移動(ET)を経由してケトンを与えるとともに、 Aが再生して 次の触媒サイクルを駆動する。 そこで本触媒系を、同じく電子移動を鍵反応とし

て進行することが知られている2一ナフトール類の酸化的不斉カップリング反応に適 用してみた。 期待通り、アルコールの酸化と同様な条件下で2一ナフトールから対 応するキラルなビナフトールが良好な不斉収率で得られた9。 尚改善の余地が残さ れているが、従来困難とされていた単純な2一ナフトール類の不斉酸化的カップリン グ反応を初めて達成することができた(ScheWte 6)。 以上の反応は、光活性化され たキラルな金属錯体と分子状酸素の組み合わせを用いた触媒的不斉酸素酸化反応の 最初の例である。

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5.第一級アルコールの高化学選択的酸素酸化

 複雑な構造をもつ天然有機化合物などの合成では、第二級アルコールの存在下に 第…級アルコールを選択的にアルデヒドに酸化することがしばしば求められる。 こ の目的のためにこれまでに多くの手法が開発されてきたが、それらの大部分は量論 量の化学的酸化剤を必要としており、原子効率の低さ、環境への負荷が問題となっ ている。 この両者を解決する酸化法として、分子状酸素を用いる触媒的酸化が注 目されている。 前述の通り、最近筆者らは可視光照射下で活性化されるキラルな サレンルテニウム錯体がアルコールの酸素酸化を触媒することを見出し、ラセミ第 二級アルコールの効率の良い速度論的分割を達成した。 この反応では、アルコー ル酸素がルテニウムイオンに配位してからケトンに酸化される。 一方、サレン錯 体では金属イオンとエチレンジアミン部からなる5員環キレートが半イス型もしく

はエンベロープ型の配座をとることが知られている。 これらの点から、キレ・一ト

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ンジァミンと3,S一一ジーt一ブチルサリチルアルデヒドからアキシアルメチル基を持つサ レンルテニウム錯体躍を新たに合成し、これらを用いて第二級アルコールの存在論 で第一級アルコールの選択的酸素酸化を検討した。 その結果、第一級アルコール の酸化が優先して進行し、対応するアルデヒドが定量的に得られることを明らかに することができた且。。 特にベンジルアルコールと9一フェニルーa一エタノール及び9一 デカノールと2一デカノールの競争反応実験では、いずれもケトンは全く生成せず、

アルデヒドのみが得られた(Sc輪醗e 7)。 さらに、9,4一一一及び9,S一一ジオール類の反応

では、サレンルテニウム錯体4あるいはSを用いることにより立体障害の小さい第 一級水酸基の酸化が高選択的に進行して対応するラクトールが高収率で得られた

(Sc麹me 8ゾ。 興味深いことに、これらの反応では生成したアルデヒド及びラクト ールからカルボン酸及びラクトンへの酸化は全く進行しない。 また本反応は、ニ

トロ基、エステル基、及びメトキシ二等の官能基を持つアルコールの酸化にも適用 でき、対応するアルデヒドを定量的に与えた。 このように本反応は化学選択性が 高く、空気中で室温という温和な条件下で円滑に進行するため、幅広い応用が期待

される。

6.おわ鞠に

 以上述べたように、筆者らはサレンルテニウム錯体を触媒として、新しい反応性 や選択性を獲得することができた。 今後は得られた知見を基に響第三世代evあるい ば噺世代 と呼ぶにふさわしい触媒の開発をさらに行うと共に、酵素反応に匹敵す る環境調和性に優れた高選択的反応の開発を目指したい。

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 最後に。努力を共にした共同研究者の方々にこの場を借りて感謝の意を表します。

また,、核磁気共鳴装置ならびにX線単結晶構造解析装置の運用にあたり、寒剤の安 定供給にご尽力下さいました極低温実験室の方々に深謝申し上げます。

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