Research | 研究

有機遷移金属錯体は、新しい分子変換を可能にしうる重要な分子触媒として今もなお注目を集めています。「遷移金属」と「配位子」から構成される遷移金属錯体に所望の触媒活性を発現させるためには、適切な遷移金属を選択し、金属近傍の反応場の電子的・立体的環境を緻密に制御する必要があります。そのためには、精緻に分子設計された配位子が革新的な触媒機能の創出に不可欠となります。

有機元素化学研究室では、有機化学を基盤とする「配位子の精密設計」と錯体化学に立脚した「特異な遷移金属錯体反応場の構築」の双方を駆使し、新たな機能性分子触媒を創り出すことを目指して研究を進めています。具体的には、ユニークな性質を示す元素として知られている『フッ素』が導入された新奇配位子と、地球上に遍在し多様な電子状態を取りうる『第一遷移元素』を中心金属とする錯体分子の創製に取り組んでいます。

● 電子受容性 N-ヘテロ環状カルベン － 配位子の電子的チューニング －

N-ヘテロ環状カルベン (通称 NHC) は比較的安定な一重項カルベンであり、カルベン上の占有sp2軌道に起因して、その開発当初から長きにわたり、「強力な電子供与体」と捉えられてきました。しかし、隣接する窒素による共鳴安定化を受けた空のカルベン2p軌道が無視できないほどの電子受容性を持つことが近年明らかにされ、この性質を敢えて強化した「電子受容性 NHC」の開発が活発に進められています。我々は電気陰性度が最大のフッ素を多数盛り込んだ「電子受容性含フッ素NHC」の創出と応用研究に取り組んでおり、これを支持配位子とする遷移金属錯体が基質の求電子的な活性化に有用であることが明らかになっています。
現在、含フッ素NHCの分子構造と物性・電子状態・反応性との関係を様々な方面から調査しており、触媒、配位子、材料ライブラリー構築およびマルチに活躍し得るツールへの展開を目指しすべく、検討しています。

● Ni 触媒による立体選択的プロパルギル位置換反応 － プロパルギル化合物の触媒的不斉合成 －

アルキンは不飽和度の高い炭素官能基であり、様々な分子変換の起点となります。なかでも、アルキンに不斉炭素が直結した「キラルプロパルギル基」は複雑分子を立体選択的に合成する足場となることから有機合成において特に重要な官能基です。我々は、これをエナンチオ選択的に導入する強力な方法の一つである「触媒的不斉プロパルギル位置換反応」に着目し、キラル Ni 触媒による本反応の鍵中間体とされるアレニルニッケル錯体を世界に先駆けて単離・構造決定することに成功するとともに、本反応の反応機構と立体選択性の起源を錯体化学と理論計算化学の観点から明らかにしました。
現在は、独自に見出した知見をもとに、本触媒系をフラットフォームとした様々なキラルプロパルギル化合物の不斉合成を志向し、研究に取り組んでいます。

● Pd 触媒によるアシル基C－O結合切断 － カルボン酸のクリーンな触媒的変換反応 －

カルボン酸は有機合成化学、創薬化学、材料化学といった多岐にわたって有用な化合物ですが、これをアシル化剤として利用するためには化学量論量の試薬を用いて活性化させる必要があります。その試薬に由来する化学廃棄物が大量に産生されることが問題視されており、カルボン酸をクリーンに変換する技術の開発が強く求められています。我々は、アルキンへの触媒的なカルボン酸の付加反応により調製できるエノールエステルのアシル基C－O結合を効率良く切断する触媒系の開発に取り組み、N-ヘテロ環カルベン (NHC) を配位子とする0価パラジウム錯体が高い活性を示すことを見出しました。本触媒系はエステル側のC－O結合を残しつつアシル基C－O結合を選択的に切断します。これをエノールエステルの合成反応と組み合わせると、カルボン酸とアルキンを100%の原子効率で1,3-ジカルボニル化合物へと変換することができます。
本反応を活用し、有機廃棄物を最小限に抑えつつ様々な機能性化合物を合成する方法論の確立を目指し、現在検討を行っています。

● キラルリン酸-Au(I)複合錯体触媒の創製

新たなキラルリン酸-ホスフィン複合配位子を設計し、これを支持配位子とする光学活性Au(I) 錯体を合成するとともに、得られたAu(I) 錯体の不斉触媒としての機能発現に取り組んでいます。本研究で創出した複合配位子の分子設計の鍵は、良好な不斉場を提供するBINOLを基本骨格とするキラルリン酸に、Au(I) の配位サイトとなるジフェニルホスフィノ基をリン酸部位と直接干渉しない位置に導入した点にあります。開発したAu(I) 錯体はキラルリン酸由来のBrønsted酸部位とLewis塩基部位に加え、π系を活性化するLewis酸部位を有することから、多点認識型不斉分子触媒としてユニークな反応様式を示すことが期待されます。これまでに、インドールとエニノールとの反応に、銀塩共存下、多点認識型不斉分子触媒として開発したAu(I) 錯体を触媒として用いたところ、インドール縮環シクロへプタトリエンを収率44%、鏡像体過剰率80% eeで与える事を見出しました。

有機遷移金属錯体は、新しい分子変換を可能にしうる重要な分子触媒として今もなお注目を集めています。「遷移金属」と「配位子」から構成される遷移金属錯体に所望の触媒活性を発現させるためには、適切な遷移金属を選択し、金属近傍の反応場の電子的・立体的環境を緻密に制御する必要があります。そのためには、精緻に分子設計された配位子が革新的な触媒機能の創出に不可欠となります。

● フッ素官能基を含む新規蛍光団

フルオロアルキル基は強いσ－電子求引性を持つだけでなく、フッ素を介した水素結合やハロゲン結合、n-π*相互作用などにも寄与します。フルオロアルキル基を蛍光団に導入すると、その性質が化合物の物性や発光性に反映され、新たな機能性を獲得する可能性があります。しかしながらフルオロアルキル基がもたらす効果は深く検証されていません。我々は最近、複数のトリフルオロメチル基を備えたシアノアリール基を新たなπ系アクセプター置換基として見出し、これを窒素上に持つアミジナートアニオンが特定の条件下、90%以上の高い量子収率にて蛍光を発することを明らかにしました。なお、このアニオンを含むアルカリ金属塩は空気に対して安定ですが、トリフルオロメチル基を持たない類縁体は空気中不安定で取扱いに注意を要します。
フルオロアルキル基の置換様式が分子構造や物性、発光性におよぼす影響を系統的に精査するとともに、様々な機能性発光材料への応用を通じて分子設計に役立つツールへと昇華させるべく検討を進めています。

● C60 フラーレン誘導体の新機能開拓

60個の炭素からなるπ電子共役系球状分子であるC₆₀フラーレンは、高い電子受容性を示すため、有機薄膜太陽電池におけるn型半導体材料の一つとして注目されています。また、フラーレンに対し有機化学的手法を用いて官能基を導入することにより、有機溶媒への溶解性向上やLUMOエネルギーレベルの制御などが可能であることから、より高性能な半導体材料の開発を目指したフラーレン誘導体の合成研究が世界中で行われています。我々もこれまでに有機薄膜太陽電池への応用を目指し、新規フラーレン誘導体の合成手法の開発に取り組んできました。以下に、我々がこれまでに開発してきたフラーレン誘導体の合成例を示します。
現在は、これらの独自に開発したフラーレン誘導体の新機能開拓を目指し、様々な分野での応用を検討しています。

医農薬品や機能性材料など幅広い分野で利用されている含フッ素有機化合物は、我々の日々の生活をより豊かにする上で欠かせないものであり、これらを効率よく合成しうる手法の開発が今もなお盛んに進められています。特に近年では、複数のフッ素原子が導入された複雑な有機化合物を簡便かつ安価に合成しうる新手法の創出が望まれています。このような背景の下、我々の研究グループでは、工業的に入手容易なパーフルオロ化合物の誘導体化を基盤とする「含フッ素有機化合物の高効率合成法の創製」を着想し、含フッ素樹脂の基幹工業原料である四フッ化エチレン (TFE; CF₂=CF₂) の分子変換反応の開発に取り組んできました。TFE のオゾン層破壊係数 (ODP)、地球温暖化係数 (GWP) はいずれもほぼゼロであることから、環境調和性の観点からも TFE を出発原料とする反応は理想的であるといえます。

● TFE の炭素－フッ素結合切断 － トリフルオロビニル誘導体の自在合成 －

機能性高分子材料の原料モノマーである多様なトリフルオロビニル化合物を直接合成できる革新的な反応の創出が強く求められています。そこで我々は、TFE の炭素－フッ素結合を温和な条件下で切断しうる活性種の開発に取り組んだところ、0価パラジウムとヨウ化リチウムの混合系が高い活性を示すことを見出すとともに、これを鍵活性種とするTFE と有機亜鉛試薬とのクロスカップリングを創出しました。
一方、本系にトリアルキルホスフィンを支持配位子として加えると、ヨウ化リチウムを添加せずとも TFE の炭素－フッ素結合切断が可能となります。得られた活性種を触媒として用いることにより、TFE と官能基許容性に優れた有機ホウ素試薬、および、有機ケイ素試薬とのクロスカップリング反応へと展開しました。これらの反応において従来必須とされてきた外部塩基が不要な理由は、系中で生じるフルオロパラジウム中間体自身が炭素求核剤とのトランスメタル化に対して高い活性を有しているためです。

● TFE のカルボキュプレーション － TFE に2種の炭素官能基を導入する －

機能性高分子材料の原料モノマーである多様なトリフルオロビニル化合物を直接合成できる革新的な反応の創出が強く求められています。そこで我々は、TFE の炭素－フッ素結合を温和な条件下で切断しうる活性種の開発に取り組んだところ、0価パラジウムとヨウ化リチウムの混合系が高い活性を示すことを見出すとともに、これを鍵活性種とするTFE と有機亜鉛試薬とのクロスカップリングを創出しました。
一方、本系にトリアルキルホスフィンを支持配位子として加えると、ヨウ化リチウムを添加せずとも TFE の炭素－フッ素結合切断が可能となります。得られた活性種を触媒として用いることにより、TFE と官能基許容性に優れた有機ホウ素試薬、および、有機ケイ素試薬とのクロスカップリング反応へと展開しました。これらの反応において従来必須とされてきた外部塩基が不要な理由は、系中で生じるフルオロパラジウム中間体自身が炭素求核剤とのトランスメタル化に対して高い活性を有しているためです。

● Ni(0)上での TFE の酸化的環化 － TFE に炭素官能基と水素を導入する －

TFE は、種々の不飽和化合物の共存下、Ni(0)上での酸化的環化により環状錯体を与えることが知られています。しかしながら、生じた錯体は自身のフルオロアルキル基によって過度に安定化されてしまうため、これを中間体とする触媒反応は一例に限られていました。我々は、このような環状ニッケル錯体を鍵中間体とする触媒反応の創製には、不飽和化合物のさらなる挿入による環拡大とβ水素脱離を触媒サイクルに組み込む必要があると考え、Ni(0)触媒存在下、TFE とエチレンとの反応に着手しました。
その結果、支持配位子として PCy₃ を用いると、TFE と2分子のエチレンから成る鎖状共三量化体が得られました。一方、本系にアルデヒドを加え、支持配位子を PCy₃ から IPr に変えたところ、TFE、エチレン、アルデヒドの鎖状交差三量化が進行し、フルオロアルキル基を有するケトンが単一の生成物として得られました。後者の反応において高い生成物選択性が発現する理由は、電子豊富なエチレンと電子不足な TFE との組合せで起こる酸化的環化が最も速度論的に有利であることに加え、生じた環状ニッケル錯体の電子豊富なα-CH2位がアルデヒドのカルボニル炭素へ速やかに求核攻撃するためです。