高難度物質変換反応の開発を指向した 精密制御反応 …news letter vol. 12...

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 http://precisely-designed-catalyst.jp/

News Letter Vol. 12 December, 2016

Precisely Designed Catalysts

目次：

(1) 研究紹介

• 白金触媒によるＣ‐Ｈボリル化

大阪大学大学院工学研究科・准教授

A01 班 鳶巣 守

• 反応場を意識したバイオインスパイアード触媒の構築と反応特性 九州大学大学院工学研究院・教授

A03 班 久枝 良雄

(2) トピックス

• 新学術領域研究：三領域合同シンポジウム報告 • 業績、報道、活動等の紹介 • 第２回公開シンポジウム開催のお知らせ

「精密制御反応場」

News Letter Vol. 12

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白金触媒によるＣ‐Ｈボリル化

大阪大学大学院工学研究科・准教授

A01 班 鳶巣 守

E-mail: tobisu@chem.eng.osaka-u.ac.jp

１．はじめに

炭素‐水素（C–H）結合のボリル化反応は、C–H 結合の変換反応の中でも、重要かつ有用な

反応の一つである。１）これは、他の多くの C–H結合の変換反応とは異なり以下のような特徴

があるからである：１）配向基が必要ない、２）立体因子により位置選択性が制御可能、３）

ホウ素置換基の高い汎用性。現在、アレーン C–H結合のボリル化反応の最もよい触媒はイリ

ジウム錯体とビピリジン系の配位子を組み合わせた触媒系である。本研究では、白金触媒を

用いる炭素‐水素結合のボリル化反応を見出した。白金触媒を用いることで、従来のイリジ

ウム触媒とは異なる反応性、選択性を達成した。２）、３）

２．白金触媒によるＣ‐Ｈボリル化

われわれは、これまでにニッケル触媒を用いる初めての炭素‐水素結合のボリル化を報告

している。４）、５）１０族金属の炭素‐水素結合のボリル化反応に対する反応性を系統的に調査

したところ、白金錯体が触媒活性を示すことがわかった（Figure 1）。配位子としては、Ｎ‐

ヘテロ環カルベン（NHC）配位子が効果的である。本反応は、炭素‐水素結合のボリル化が

白金触媒により進行した初めての例である。６）

驚くべきことに、本白金触媒系は、メシチレンのような両オルト位にメチル基を持つ、極

めて立体障害の大きな炭素‐水素結合のボリル化にも有効であることがわかった（Figure 2）。

興味深いことに、このような込み合いの大きな基質の場合は、より立体的に大きな 2,6-ジイ

ソプロピルフェニル基を側鎖に持つ IPr配位子が有効であることがわかった。さらに込み合い

の大きな 1,3,5-トリエチルベンゼンの芳香環をボリル化することもできる。官能基許容性に

関しても、エステル、アミン、塩素、フッ素などのハロゲン基が損なわれることなく、炭素

‐水素結合のボリル化が進行する。これらの結果は、従来のイリジウム触媒を用いたボリル

化とは、対照的である。例えば、メシチレンをイリジウム触媒で反応させると、より込み合

N

NPt

Cy

Cy

Me2Si

OSiMe2

Pt(ICy)(dvtms)

B2pin2+Pt(ICy)(dvtms) (2.0 mol%) Bpin

100 °C, 20 h(excess)

Figure 1. Platinum-Catalyzed C-H Borylation

93%

「精密制御反応場」

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2

いの少ないベンジル位の炭素‐

水素結合がボリル化され、ベン

ゼン環上での反応は起こらない。

さらなる検討の結果、アレー

ン基質を過剰量用いずに実施可

能な条件を見出した。３）その条

件を用いることで、込み合いの

大きな複雑なアレーン基質をボ

リル化することができる。応用

例を Figure 3に示す。m-キシレ

ンに対し、C–Hシリル化すれば、

最も立体障害の少ない 5位で選

択的に反応が進行する。得られ

たシリル化体 Aは、従来の触媒

系では sp2 C–H結合のボリル化

は進行しない。しかし、我々の

開発した白金触媒を用いるこ

とで、メチル基に挟まれた位置

の C–H結合をボリル化するこ

とができる。得られた Bは、シ

リル基、ボリル基をそれぞれ独

立して変換可能な有用な合成

中間体である。

３．今後の展望

本ボリル化反応では、NHC 配位子の構造が反応性に大きく影響を及ぼすことがわかってい

るが、単純な電子的、立体的因子だけではその相関は説明できない。このような特異な NHC

の効果を利用することで、多様な不活性結合変換反応へと展開したい。

４．参考文献

(1) Mkhalid, I. A. I.; Barnard, J. H.; Marder, T. B.; Murphy, J. M.; Hartwig, J. F. Chem. Rev. 2010, 110, 890.

(2) Furukawa, T.; Tobisu, M.; Chatani, N. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 12211.

(3) Furukawa, T.; Tobisu, M.; Chatani, N. Submitted

(4) Furukawa, T.; Tobisu, M.; Chatani, N. Chem. Commun. 2015, 51, 6508. (5) Zhang, H.; Hagihara, S.; Itami, K. Chem. Lett. 2015, 44, 779. (6) Takaya, J.; Ito, S.; Nomoto, H.; Saito, N.; Kirai, N.; Iwasawa, N. Chem. Commun. 2015, 51, 17662.

Me

MeEt3SiRh cat.HSiEt3

Me

Me

ArBrPd(OAc)2SPhos

K3PO4 aq.DME100 °C

Br2

Pt(SIPr)(dvtms)B2pin2

Me

MeEt3Si

BpinMe

MeBr

BpinMe

MeEt3Si

OMe

OMe83% 71%B 54%

Figure 3. Successive C-H Silylation/Borylation

CH2Cl2rt

repeatedtwice

A

「精密制御反応場」

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反応場を意識したバイオインスパイアード触媒の

構築と反応特性

九州大学大学院工学研究院・教授

A03 班 久枝 良雄

E-mail: yhisatcm@mail.cstm.kyushu-u.ac.jp

１．はじめに

金属酵素は天然のナノハイブリッド触媒であり、高活性・高選択的であり理想的な触媒系

の１つである。しかし、構造安定性に欠け、そのまま用いるには応用範囲が狭いなどの欠点

も多い。本研究では、酵素の精緻な反応場特性のエッセンスを抽出し、それを反映したナノ

空間材料とモデル錯体の組み合わせによりバイオインスパイアード触媒を構築する。すなわ

ち酵素反応場を意識した触媒系を構築し、天然酵素を凌駕する革新的触媒の開発を目指す。

２．バイオインスパイアード触媒の分子設計

触媒系の設計コンセプトとして、

金属酵素の活性部位の構造から

重要な金属錯体部位を取り出し、

単純化した金属錯体を分子設計

する。生体触媒の妙は活性部位を

取り巻くミクロ環境（反応場）に

あるので、酵素反応場特性をもつ

ナノ空間材料を選択する。金属錯

体とナノ空間材料を組み合わせ

て、バイオインスパイアード触媒

を構築するという戦略をとる。ナ

ノ空間材料を利用する特性とし

ては、反応加速・高選択性・特殊

反応場効果が期待でき、環境適合型の画期的な触媒系の構築（機能イノベーション）が期待

できる。本研究では酵素反応場を反映したナノ空間材料として、酸化チタンナノ粒子・高分

子・金属有機構造体（MOF）を用いることを計画している。これらはタンパク質やアミノ酸を

含まないが、疎水性場・不斉反応場・界面特殊反応場などを与えることができるので、反応

活性点に特異な効果を提供できるであろう。本稿では酸化チタンナノ粒子を用いた触媒反応

について紹介する。

「精密制御反応場」

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4

３．B12-TiO2ハイブリッド触媒による還元・酸化のデュエット反応

TiO2に紫外線照射するとホール

と励起電子が生じるが、ホールが

犠牲還元剤によりクエンチされ

ると、励起電子がビタミン B12 を

還元活性化し、超求核性の Co(I)

種が生じる。この Co(I)種を触媒

として用い、ハロゲン化物との反

応により Co－C 結合を持つアルキ

ル錯体が生じ、脱ハロゲン化反応

が進行する１）。ハロゲンはハロゲ

ンイオンとして脱離するため、有

機ハロゲン化物の安全な分解法と言える。また、Co－C 結合を持つアルキル錯体は光によりホ

モリシス開裂し有機ラジカルを生じ、種々の有機合成反応に利用できる 2）。

更に、酸化チタンにビタミン B12誘導体を共有結合で連結し、光により活性化するハイブリ

ッド触媒系を構築した。この触媒を

用い、有機ハロゲン化物を脱ハロゲ

ン化（還元）し、生成する有機ラジ

カル種と空中酸素の反応（酸化）に

より酸クロリドが生成し、アルコー

ルと反応するとエステル体が、アミ

ンと反応するとアミド体が生成す

る触媒系の構築に成功した３）。本触

媒系を用いることにより、トリクロ

ロメチル基からエステル類やアミ

ド類への一段階変換が可能となっ

た。

３．参考文献

(1) a) Hisaeda, Y.; Tahara, K.; Shimakoshi, H.; Masuko, T. Pure Appl. Chem. 2013, 85, 1415. b) Shimakoshi, H.; Sakumori, E.; Kaneko, K.; Hisaeda Y. Chem. Lett., 2009, 38, 468. (2) a) Shimakoshi, H.; Hisaeda, Y. ChemPlusChem 2014, 79, 1250. b) Izumi, S.; Shimakoshi, H.; Abe, M.; Hisaeda, Y. Dalton Trans. 2010, 39, 3302. c) Shimakoshi, H.; Abiru, M.; Izumi, S.; Hisaeda, Y. Chem. Commun. 2009, 6427. (3) a) Shimakoshi, H.; Hisaeda, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 15439. b) Shimakoshi, H.; Hisaeda, Y. ChemPlusChem 2016, in press.

Cl ClCl

B12-TiO2

Cl

Cl OROHNO R'

Ester AmideReduced products

N N

NN

H

H

H3C HCH3

HH3C

H3C

H CH3

CH3

HCoIII

H3CO2CCH3

CO2CH3 CO2CH3

CH3

H3CO2C

H3CO2CCO2CH3

UV light (365 nm)

TiO2

ON Si

SiO

O

O

OO O

e-

under N2 under air (O2)

Alcohol

Acetal

hVB+

e-CB

1

CN

CN

CoIII

R

Cl!

DDTCl

Cl Cl

Cl

Cl

CoI

CoII

TiO2

UV

+

Cleavage of Co-C bond

e!

h+

e!

Vitamin B12-TiO2 Hybrid Catalyst

Br

Dehalogenated product

Cl!0.3 ~ !0.4 VE1/2 (CoII/CoI) =vs. NHE

Ered = !0.5V vs. NHE

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◆トピックス

【新学術領域研究：三領域合同シンポジウム報告】 新学術領域研究：三領域合同シンポジウムが平成２８年１１月１８日および１９日に大阪

大学シグマホール（豊中キャンパス）にて開催された。本シンポジウムは大阪大学基礎工学

研究科の３名の教授がそれぞれ代表を務める「分子アーキテクトニクス：単一分子の組織化

と新機能創成」、「高次複合光応答分子システムの開拓と学理の構築」、および「高難度物質変

換反応を指向した精密制御反応場の創出」の３つの新学術領域研究間での共同研究のきっか

けや交流の場として開催された。各領域の代表である夛田教授、宮坂教授、真島教授の挨拶

と各領域の紹介の後、班員１０名による公演が行われ、分野の異なる研究者間での活発な質

疑討論が行われた。三領域で班員および学生を含め１００名を超える参加者を得、非常な盛

会であった。

当日のプログラムは以下の通りである。

夛田博一 教授 （阪大院基礎工）

「趣旨説明と領域紹介」

宮坂 博 教授 （阪大院基礎工）

「領域紹介と高次複合光応答について」

真島和志 教授 （阪大院基礎工）

「領域紹介と多核金属錯体の特異な触媒機能」

林 高史 教授 （阪大院工）

「光駆動触媒の構築を目指した人工光捕集系の構築」

田中啓文 教授 （九工大院生命体工）

「SWNT/ポリ酸ランダムネットワークによる脳型パルス発生」

河合 壯 教授 (奈良先端大)

「分子協調による高次複合光応答分子システムの構築」

奥山 弘 准教授 (京大院理）

「分子接合の可逆制御と分子伝導の精密計測」

杉野目道紀 教授 （京大院工）

「キラリティ可換らせん高分子のキラリティ制御と分子機能」

阿部二朗 教授 (青山学院大理工)

「段階的二光子吸収フォトクロミック分子系の創出」

山口和也 教授 （東大院工）

「極微構造固体触媒による高効率酸化反応」

家 裕隆 准教授 （阪大産研）

「分子アーキテクトニクスに向けた機能性ユニットの開発」

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松田建児 教授 （京大院工）

「２次元、３次元に集積化したフォトクロミック化合物の高次光応答」

山田 亮 准教授 （阪大院基礎工）

「単分子ダイオード：外部電界による分子軌道の変形を利用した整流特性の発現」

１８日夜には、懇親会が開かれ、多くの研究者が参加し、共同研究に関する打ち合わせや研

究に関する意見交換などが領域の壁を超えて夜遅くまで活発に行われた。 （真島和志）

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【業績、報道、活動等の紹介】

論文表紙掲載：

• 林 高史氏（A03 班、阪大院工・教授）らの論文（ChemistrySelect, 2016, 1, 5666-5670;

DOI: 10.1002/slct.201601383）が Back Cover に選ばれました。

• 西林仁昭氏（A01 班、東大院工・教授）らの論文（Chem. Eur. J., 2017, 23, in press;

DOI: 10.1002/chem.201604974 ） が Inside Cover に 選 ば れ ま し た 。

http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/chem.201605122/abstract

受賞、表彰：

• 澤村正也氏（A02 班、北大院理・教授）が名古屋メダル（シルバーメダル）を受賞しまし

た。2017 年１月 27 日開催の第２２回名古屋メダルセミナーにて受賞記念講演が行われます。

中日新聞（10 月 15 日夕刊）に記事が掲載されました。

http://www.msd-life-science-foundation.or.jp/banyu_symp/symp/nagoya/nagoya_silver_medal_recipients.html http://www.msd-life-science-foundation.or.jp/banyu/wp-content/uploads/2016/10/20161015nagoya.pdf?2016

アウトリーチ活動：

• 平成２８年５月1０日に，長野県屋代高等学校屋代高校・附属中学校で開催された第2７回

ＳＳＨサイエンスフォーラムin屋代にてイリエシュ ラウレアン氏(A01班、東大院理・准教

授)が「欧州の科学者が日本ではたらく理由 ～国際的な視野から見た日本の研究とは～」と

題する講演を行いました。

「精密制御反応場」

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担当班員：イリエシュ ラウレアン氏(A01班、東大院理・准教授)

イベント名：第2７回ＳＳＨサイエンスフォーラムin屋代

場所：長野県屋代高等学校 第二体育館

開催日：２０１６年５月１０日

対象：高校生、中学生、保護者、高校教師、中学教師

参加者：約１１００名

【新学術領域研究：第２回公開シンポジウム開催のお知らせ】

新学術領域「精密制御反応場」の第２回公開シンポジウムを開催いたします。事前登録の上、

ご参加くださいますようお願いします。

日時：１月２５日（水）１３:００~２６日（木）１５：２０

場所：名古屋大学 ES 総合館１階 ES ホール

プログラム：プログラムは以下のリンクからダウンロードをお願いします。

http://precisely-designed-catalyst.jp/jpn/events/pdf/20170125_2nd-symposium.pdf

参加登録：以下のサイトから事前登録をお願いします（平成２９年１月１１日正午 登録〆

切）。

http://precisely-designed-catalyst.jp/jpn/events/20170125_2nd-symposium.html

発行・企画編集 新学術領域研究「精密制御反応場」http://precisely-designed-catalyst.jp/

連 絡 先 領域代表 真島 和志 （mashima@chem.es.osaka-u.ac.jp）

広報担当 松永 茂樹（smatsuna@pharm.hokudai.ac.jp）