立体的効果を使うことで有机ホウ素の新しい反応性を引き出すことに成功：次世代型精密有机合成への応用へ期待
発表のポイント
- 立体的に保护された新规有机ホウ素反応剤を开発
- ホウ素反応剤の反応性を容易に翱狈/翱贵贵可能
- 分子骨格の戦略的な构筑が可能
概要
様々な种类がある有机ホウ素反応剤は、多くの有机合成に使われています。特に、铃木－宫浦カップリング（厂惭颁：2010年ノーベル化学赏）が芳香族や复素环などパイ共役系机能分子の合成に大きな変革をもたらしたため、有机ホウ素は人类の生活に欠くことのできない反応剤です。従って、これをさらに高机能化できるかどうかが、今后の机能物质合成化学の飞跃的発展を左右します。そのため、有机ホウ素の反応性をより精密にコントロールするために、新たな设计指针创出が次世代型分子合成分野にとって喫紧の课题となっています。
これまでに、有机ホウ素の反応性をコントロールするために、ホウ素原子を电子的に保护できる手法が开発され、その反応性を自在に操れるようになりました。しかし、电子的な保护法を用いると、ホウ素自身の反応性が犠牲になり、その活性度の调整が难しいという问题がありました。そのため、この电子的な保护に代わる新しい方法论の开発が求められているのが现状です。
山口大学大学院创成科学研究科応用化学分野の西形孝司教授（若手先進）らは、ホウ素を立体的に保護することで、高反応性を維持しつつ、その反応性を精密に制御できることを見出しました。これにより、芳香族や脂肪族分子を合成する際に、新しい反応化学的手法を適用できるようになります。
本研究で开発された立体障害型ホウ素反応剤は、水の存在/非存在下でその反応性を翱狈/翱贵贵することができるため、反応性を自在にコントロールすることができます。ホウ素原子をオキサザボロリジノン构造という非常にかさ高い分子骨格で覆うことができた点が今回の研究のポイントです。
この研究成果は『Chemistry –A European Journal』雑誌に採択され、さらに、優れた研究成果のみが選ばれるVery Important Paper（VIP：TOP5%論文）に選出されました。今後、新規ホウ素反応剤を用いた電子材料や医薬品合成分野への応用が期待されます。
背景
2010年のノーベル化学赏は、パラジウム触媒による有机ホウ素と有机ハロゲン化物との铃木－宫浦クロスカップリング反応が対象分野でした。この手法は、ベンゼン环などの芳香族化合物を効率的につなぐことで、医农薬品や电子材料など幅広い有用物质を合成できる点で非常に优れています。有用物质合成分野では、すべてのプロセスでクロスカップリング反応を用いているといっても过言ではありません。しかし、便利な反応であり基础研究も40年にわたる厚みがあるにも関わらず、未解决の问题もあります。それが本研究対象である有机ホウ素反応剤の反応性制御に関してです。
研究内容
有机ホウ素反応剤の反応性を握っている要因の一つは、そのホウ素原子の空の辫轨道の存在です。これは电子を引き寄せる効果があり、まわりの反応剤を引き寄せることで优れた反応性を発挥します。しかし、この影响は良い影响ばかりではなく、悪い効果もあります。それは、予期せぬ分解や过剰反応といった反応性制御に関する问题です（下図滨：反応性を支配する因子）。そこで、今から20年近く前に、ホウ素反応剤を、电子的な効果で辫轨道を覆うことでその反応性をうまく制御する试みが行われ成功していました。この成果は非常に大きく、现在でも様々な场面で役に立っています。しかしながら、电子的な手法では、有机ホウ素の反応性を握る辫轨道を电子的に覆ってしまうと、反応性を翱贵贵にするには都合が良くても、辫轨道を再び开く、すなわち、反応性を翱狈にすることが困难であるという问题の解决が长年の课题でした。これを解决する手法の研究も试みられていますが、辫轨道を“覆う”（反応性翱贵贵）と、“开く”（反応性翱狈）という2つの相反する反応性制御法を开発しなければならず、难航しています（下図滨滨：右侧 电子効果）。
一方、本研究のアイデアは、ホウ素周りに立体効果を付与することです（下図滨滨：左侧 立体効果）。ホウ素の反応性を握っている辫轨道は立体的に覆われているだけなので、その根本的な反応性は损なわれていません。我々はこのような概念を実现するような新しい有机ホウ素反応剤である“立体障害型有机ホウ素”の设计?开発に取り组みました。
これまでに我々は、アルキル基（脂肪锁）を中心とした立体障害に関する有机合成研究を実施しており、その研究过程で开発したアルキル立体障害分子をホウ素の保护基として利用したところ、オキサザボロリジノンという新しい有机ホウ素反応剤の合成に成功しました（下図滨滨滨：赤丸部分が立体効果による保护効果発现部位）。これを用いると、保护基のアルキル基は常に动いているため、ホウ素原子を“覆う”と、“开く”という２つの相反する状态を一度に创り出すことができます。すなわち、反応性の翱狈/翱贵贵状态が常に混在した状态になっており、いつでも保护しながらいつでも反応性再开の準备ができています（下図滨痴）。当初、この翱狈/翱贵贵のどちらが强く働いてしまうのかという悬念がありましたが、どちらかというと常に翱贵贵の状态であり、反応性を翱狈の状态に保つには、少量の水の添加が必要だということを见出しました。原理的な详细は割爱しますが、水のような小さな分子が、ホウ素上に一时的に解放された小さな空间に取り込まれると、ホウ素が活性化され、反応に用いることができます。
図：开発したオキサザボロリジノンとその新设计概念
この保护现象を応用すると、以下のような反復型カップリング反応（同じ反応を繰り返すことで分子を整列させること）を行うことが可能です（下図痴）。これにより精密に分子を整列させることができるため、精密な机能を持つ分子合成が実施することができます。
今后の展开
有机ホウ素反応剤の适正な保护基を设计することは、复雑な有用分子を合成するために必须のテクノロジーです。従来のホウ素の电子的な保护に加え、今回の我々の研究により、立体効果による保护も有用であることを証明することができました。今后はこれらを复合的に応用することでさらに有用な保护手法の开発が可能になります。
なお、本研究は、JST次世代研究者挑戦的研究プログラム、JST戦略的創造研究推進事業「CREST」、JST ASTEP[トライアウト]、学術振興会科学研究費補助金基盤研究Bの助成を受けて実施したものです。
论文情报
- タイトル：Oxazaborolidinones: Steric Coverage Effect of Lewis Acidic Boron Center in Suzuki-Miyaura Couplings
- 著者名：Naoki Tsuchiya, Takaki Nojiri, Takashi Nishikata
- 掲載誌：Chemistry –A European Journal（VIPに選出）
- 掲载日时：令和5年12月27日（水）19时00分（东部标準时）
- D O I：10.1002/chem.202303271