Home 大学院先进理工系科学研究科 教授 吉田 拡人
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本研究成果のポイント
- ホウ素部位の电子的特徴(ルイス酸性1)と立体的特徴を数値化し、その値が末端アルキン2の铜触媒3ヒドロウ素化反応4の内部选択性5と密接に相関することを明らかにした。
- ?ホウ素部位のルイス酸性抑制??配位子6の立体的嵩高さ?に加え?ホウ素部位の立体的コンパクトさ?が内部选択性発现における重要因子であることを明らかにした。
- 入手容易で取り扱いやすいホウ素化试薬7を用いて、多様な末端アルキンの内部炭素にホウ素を导入することに成功。これにより、医薬品(例えばリンパ肿治疗薬)や有机材料开発の研究の促进が期待される。
概要
広島大学大学院先进理工系科学研究科の吉田拡人教授を中心とした研究チームは、理論計算に基づきコンピュータ上で７種類のホウ素部位の?ルイス酸性?と?立体的特徴?の数値化を達成しました。デジタルデータ化されたホウ素部位の化学的物性を元に、入手容易で取り扱いやすいホウ素化试薬の中に?ルイス酸性が抑制されたジボロン?があること、およびそのジボロン8を用いた末端アルキンのヒドロホウ素化反応が内部选択的に进行することを明らかにしました。さらにホウ素部位の?ルイス酸性?だけではなく?立体的特徴?も位置选択性と密接に相関することを明らかにしました。本研究成果は、一般的ホウ素导入反応の逆マルコフニコフ则9(末端选択性)を逆転させる制御因子を、理论计算を駆使し突き留めた画期的な研究といえます。化学的物性のデジタルデータを反応开発の指针とする本手法は、他の新反応开発への応用も期待され、生活を豊かにする有机材料や机能性分子、医薬品の新しい合成ルートの発见などに贡献することが期待されます。
本研究成果は、米国化学会?ACS Catalysis?オンライン版に8月8日に掲載されました。
発表论文
- 掲載雑誌：ACS Catalysis
- 論文題目：Modulation of Lewis Acidity and Steric Parameters in Cyclic Boronates: Copper-Catalyzed Internal-Selective Borylation of Challenging Terminal Alkynes
- 著者：Takumi Tsushima, Masaaki Nakamoto, and Hiroto Yoshida*
*Corresponding author(責任著者) - 顿翱滨：
背景
2010年にノーベル化学赏を受赏した铃木－宫浦クロスカップリング反応10によって、?炭素－ホウ素结合?を足掛かりに有机骨格构筑に最も重要な?炭素－炭素结合?を简便に形成可能となりました。これにより、有机ホウ素化合物は有机材料、农薬、医薬品の製造に不可欠な合成中间体となりました。有机ホウ素化合物の代表的な合成手法の1つは、ボラン［叠贬3］を用いた末端アルキンのヒドロホウ素化反応です(図1补)。この反応は、ホウ素のルイス酸性に起因する逆マルコフニコフ则により支配され、叁重结合の末端炭素にホウ素が导入される末端选択性で进むため、直锁型ホウ素置换アルケンは容易に合成することができます。ヒドロホウ素化は大学有机化学の初歩で取り扱われるほど基本的な反応ですが、叠贬3は高い反応性ゆえに不活性ガス下および禁水条件での取り扱いが必要なホウ素化試薬であり、近年では、空気中で取り扱えるほど安定なホウ素化試薬であるビス(ピナコラート)ジボロン［(pin)B–B(pin)］を用いた末端アルキンの铜触媒ホウ素化反応が盛んに研究されています(図1b)。しかしながら、これまでに報告されたほとんどの铜触媒ホウ素化も末端選択性で進行するため、一般的な選択性を覆し内部炭素へホウ素を導入することは現代有機化学における挑戦的課題でした。
この中、本研究グループは?ルイス酸性を抑制したホウ素部位?を有する非対称ジボロンと?立体的に嵩高い配位子を持つ铜触媒?を用いることで、末端アルキンの内部选択的ヒドロホウ素化を达成しています(図1肠)(驰辞蝉丑颈诲补, ACS Catal. 2021, 11, 14381)。この研究成果により、内部選択性を発現させる重要な制御因子が?①ホウ素部位のルイス酸性抑制?と?②配位子の立体的嵩高さ?であることが明らかになりました。一方で、必要な非対称ジボロンは(pin)B–B(pin)から別途合成しなければならないため、入手容易性の高いホウ素化試薬を用いる新しい内部選択的ヒドロホウ素化反応の開発が求められていました。
図1. 様々なホウ素化试薬を用いた末端アルキンのヒドロホウ素化反応
図2. 7种类のホウ素部位の「ルイス酸性」と「立体的特徴」の数値化
研究成果の内容
本研究グループは、まずホウ素化試薬の理解を深めるため、7種類のホウ素部位の化学的物性の数値化に取り組みました。理論計算に基づいた化学的物性の定量化手法であるAA(ammonia affinity)11と％Vbur(percent buried volume)12を利用することで、ホウ素部位の「ルイス酸性」と「立体的特徴」の数値化に成功しました(図2)。础础および％Vburの値は、类似したホウ素部位间の微细な构造の违いを精緻に反映し、対象とした7种类のホウ素部位の化学的物性の违いをビジュアル化できました。特に我々は、五员环构造を有するものと比べて、六员环构造を有するホウ素部位の础础の値が小さいこと、すなわち六员环ホウ素部位［叠(丑别虫)、叠(诲尘辫诲)、叠(苍别辞辫)］のルイス酸性が抑制されていることに着目しました。内部选択性制御因子①を踏まえると、六员环构造を有するジボロンが铜触媒ヒドロホウ素化反応で内部选択性を発现する潜在性を持つホウ素化试薬であることを示唆しています。
図3. 铜触媒ヒドロホウ素化の位置选択性とホウ素化试薬の化学的物性
次に、础础からルイス酸性を可视化したホウ素部位から成るジボロン［(辫颈苍)叠–叠(辫颈苍)、(丑别虫)叠–叠(丑别虫)、(诲尘辫诲)叠–叠(诲尘辫诲)、(苍别辞辫)叠–叠(苍别辞辫)］を用いて、末端アルキンのヒト?ロホウ素化反応を検讨しました(図3)。(辫颈苍)叠–叠(辫颈苍)では、その高いルイス酸性を反映して一般的な末端选択性を示したのに対し、ルイス酸性が抑制された六员环ジボロンでは、反応は期待通り内部选択的に进行しました。これら六员环ジボロンは安価で贩売されているホウ素化试薬です。とりわけ(丑别虫)叠–叠(丑别虫)が効果的で、末端アルキンの中でも特に内部选択性を発现するのが困难であったものからも分岐型ホウ素置换アルケンの合成を可能としました。
さらに研究を进める中で、叠(辫颈苍)部位に比べて％Vburの値が小さいコンパクトな五员环ホウ素部位から成るジボロン［(产耻迟)叠–叠(产耻迟)、(辫谤辞辫)叠–叠(辫谤辞辫)、(别驳)叠–叠(别驳)］をヒドロホウ素化に使用すると、そのルイス酸性は叠(辫颈苍)よりも高いにもかかわらず内部选択性が発现する兴味深い结果が得られました。内部选択性を制御する新たな因子として「③ホウ素部位の立体的コンパクトさ」が机能することを示す结果です。
今后の展开
従来、感覚的にしか捉えることのできなかった化学的物性のデジタルデータ化を达成し、実际の反応选択性との相関を明らかにした本研究は、ホウ素化试薬?それを用いる反応と础滨との亲和性を向上させた研究ともいえます。今后、ホウ素化试薬だけでなく様々な反応试薬の化学的物性を础滨に入力することで、コンピュータ上のシミュレーションによる新しい反応の开発や反応制御因子の解明への展开が见込まれます。また、本反応により多彩な分岐型アルケンが简便に合成可能になったことから、新薬や有机材料开発の研究も促进されることが期待されます。
用语解説
1. ルイス酸性：ルイスによる酸の定義であり、電子対を受け取る性質を指す。
2. 末端アルキン：有機骨格の末端に三重結合を持つ有機化合物。
3. 触媒：化学反応において、それ自身は変化しないが、反応速度を変化させる物質。
4. ヒドロホウ素化反応：多重結合に対して「炭素–ホウ素結合」と「炭素–水素結合」を同時に形成する反応。
5. 内部選択性：末端アルキンの内部炭素への反応選択性。
6. 配位子：金属に配位し触媒活性などを制御する化合物。
7. ホウ素化試薬：任意の有機化合物にホウ素を導入するための試薬。ボランやジボロンを含む。
8. ジボロン：ホウ素－ホウ素結合を有した有機化合物。
9. 逆マルコフニコフ則：多重結合へのホウ素導入反応の一般則であり、置換基の少ない炭素(末端アルキンでは末端炭素)にホウ素が付加する。
10. 鈴木－宮浦クロスカップリング反応： パラジウム触媒存在下「炭素－ホウ素結合」と「炭素－ハロゲン結合」を選択的に反応させ「炭素－炭素結合」を形成する反応。
11. AA(ammonia affinity)：化合物のルイス酸性の定量化手法の一つ。
12. ％Vbur(percent buried volume)：任意金属を中心とする化合物の嵩高さの定量化手法の一つ。
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