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. 8 August, 2016

Precisely Designed Catalysts

目次：

(1) 研究紹介

• 高活性容積可変反応場での分子変換反応

大阪大学大学院工学研究科・教授

A02 班 生越 專介

• らせん高分子を用いた新キラル反応場の創出 京都大学大学院工学研究科・教授

A04 班 杉野目 道紀

(2) トピックス

• 業績、報道、活動等の紹介 論文表紙掲載、新聞記事掲載、アウトリーチ活動（１０件）

「精密制御反応場」

News Letter Vol. 8

1

高活性容積可変反応場での分子変換反応

大阪大学大学院工学研究科・教授

A02 班 生越 專介

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

１． Lewis 酸・塩基錯体の熱刺激感応性を利用した Frustrated Lewis Pair の発生制御

ルイス酸(LA)とルイス塩基(LB)の反応では一般的に酸・塩基付加体(LA･LB, CLA) が生成

する(図 1A)。CLA の多くは単離・保存が可能であり LA、LB 双方の反応性が失われている。

一方、嵩高い置換基を有する LA と LB はその立体障害のために CLA を形成することができな

い。この様な LA と LB の組み合わせには水素結合やp-p相互作用などの二次的な相互作用を

介して frustrated Lewis pair ([LA･･･LB], FLP)と呼ばれる分子対を形成するものが知ら

れている(図 1B)｡1 FLP は水素分子の強固な H‒H 結合を不均一開裂させる程高い反応性を示

すが、その高い反応性のために単離・保存が難しく、しばしば容易に分解してしまうことか

らその利用には大きな制限があった。本研究は CLA の取扱い易さと FLP の高い反応性に着目

し、外部刺激により CLA から FLP を望んだタイミングにおいて自在に発生させるための手法

を確立させることを目的とした。置換基の回転により活性部位周辺の立体障害が大きく変化

する LB を用いることで、CLA と FLP の両方を単一の Lewis 酸・塩基の組合せを用いて発生さ

せられると考えた。この様な LB として、窒素に結合する原子(RC)に立体障害の大きな置換基

(RL)と小さな置換基(RS)を導入した N-ヘテロ環状カルベン(NHC)を開発し、これを用いること

で CLA と FLP の相互変換を外部刺激により制御する手法を開発した (図 1C)。

Figure 1. Reaction of Lewis acid (LA) and Lewis base (LB), giving (A) classical Lewis adduct (CLA) and (B) frustrated Lewis pair (FLP). (C) Frustration revival strategy in this work.

「精密制御反応場」

News Letter Vol. 8

2

活性部位周辺の立体環境を劇的に変化させることが出来るルイス塩基として、立体障害を容

易に調節可能な NHCを母骨格とし、窒素上に O=P(tBu)2部位を導入した PoxIm (1a)を合成した(図 2A)。1aにおいて N-P結合を軸とした O=P(tBu)2部位の回転が 25 ℃において容易に起こり、それに伴いカルベン炭素周辺空間の体積が最大で 20%程変化することを理論化学計算により明らかとした。また、固体状態及び溶液中にて 1aにおけるホスフィンオキシドはカルベン炭素とアンチ配座をとっていることを X 線結晶構造解析及び理論化学計算により明らかと

した(図 2B)。

1aとB(C6F5)3を 25 ℃にて混合し2時間反応させるとCLAである 2aが収率95%で得られた (図2A)。2a は単離、空気中での長期保存が可能であった。構造は X 線結晶構造解析により決定しており、2a におけるホスフィンオキシドは 1a から約 170°回転している(図 2B)。すなわち、ホスフィンオキシドの回転により、B(C6F5)3と錯形成出来る十分に広い空間が用意された。

2aと水素との反応において、25 ℃では反応は進行せず原料回収となったが、60 ℃においては水素の活性化が進行し 3aが定量的に得られた(図2C)。本結果は熱刺激により2a からFLPが再生したことを示唆している。また、窒素上置換基の立体により FLP の再生温度を制御し

た。FLP 再生温度の違いは 2における PoxIm 部位と B(C6F5)3部位の間の立体的反発による分子全体の構造的歪みの大きさに起因する。実際、2a-2cの X 線結晶構造解析により、FLP の再生温度が低い順に歪みが大きい(2a>2b>2c)ことを確認した。本研究にて得られた知見は今後の分子設計において有効な設計指針になると考えられる。

２．参考文献

(1) Stephan, D.; Erker, G. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 6400. (2) Hoshimoto, Y.; Kinoshita, T.; Ohashi, M.; Ogoshi, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11666. (Front Cover Picture) (3) Highlighted (a) Atlas of Science (Nov., 2015) (b) 現代化学 (東京化学同人、2016年 3月号)

Figure 2. (A) Synthesis of 2a. (B) Molecular structure of 1a (left) and 2a (right). (C) Thermally induced revival of FLPs and controlling revival conditions. (D) FLP revival process in this work.

「精密制御反応場」

News Letter Vol. 8

3

らせん高分子を用いた新キラル反応場の創出

京都大学大学院工学研究科・教授

A04 班 杉野目 道紀

E-mail: suginome@sbchem.kyoto-u.ac.jp

１．はじめに

当研究室では、光学活性側鎖により完全な片巻きらせん構造を形成するポリ（キノキサリ

ン-2,3-ジイル）に、様々な触媒活性部位を導入することで、活性、選択性、再利用効率など

多くの点で従来の低分子キラル触媒を凌駕する新キラル触媒を開発することを目的として研

究を進めている。ポリキノ

キサリンのらせん高分子骨

格は極めて大きな立体障壁

として働き、エナンチオ選

択性のみならず触媒の活性

や安定性を大きく向上させ

ることが期待される。以下

に、我々が開発したキラル

ら せ ん 高 分 子 配 位 子

PQXphos（Figure 1）の触媒

的不斉合成への利用につい

て紹介する。

２．キラルらせん高分子配位子 PQXphosを用いた不斉パラジウム触媒反応

右巻きらせん構造を有する (P)-(R)-PQXphos を、不斉パラジウム触媒反応に適用した

（Scheme 1）。スチレンの不斉ヒドロシリル化反応においては、高エナンチオ選択的に反応が

進行し、パラジウムも含めた全キラル触媒を少なくとも 8 回再利用することにも成功した 1。

不斉鈴木–宮浦クロスカップリング反応においても高いエナンチオ選択性で軸不斉ビアリー

ルが得られた 2。メチレンシクロプロパンの不斉シリルホウ素化反応においては、従来の低分

子触媒を上回る高いエナンチオ選択性のみならず、顕著な触媒活性の向上が見出された 3。嵩

高いポリキノキサリン主鎖により触媒不活性なビスホスフィンパラジウムの生成が抑制され、

触媒活性種であるモノホスフィンパラジウムが安定化されることが触媒活性の向上に寄与し

ているものと考えられる。また、(P)-(R)-PQXphosと酢酸パラジウムから調製したキラルパラ

ダサイクル触媒が、アリールボロン酸を用いた 1,4-エポキシ-1,4-ジヒドロナフタレンの不斉

Figure 1. Structure of PQXphos

「精密制御反応場」

News Letter Vol. 8

4

開環アリール化反応において、対応する低分

子キラルパラダサイクル触媒よりも高い光

学純度で生成物を与えることを見出した 4。

これらの機構の異なる不斉反応において高

いエナンチオ選択性が発現したことは、ポリ

キノキサリンのキラルらせん構造がホスフ

ィン部位近傍に優れた不斉反応場を構築し

ていることを示している。

PQXphos の大きな特徴としては、溶媒に

より主鎖のらせんキラリティを制御できる

ことが挙げられ、1,1,2-トリクロロエタンを

溶媒として用いて左巻きらせん構造を誘起

した(M)-(R)-PQXphos を用いることで、逆の

エナンチオマーを高選択的に合成すること

ができた 1–3。また、光学活性側鎖をチュー

ニングすることでエーテル溶媒 5やアルカン

溶媒間 6での単一のキラル配位子からの両エ

ナンチオマーの高選択的作り分けを達成し

た。

３．今後の展望

以上の結果を踏まえ、現在は PQXphosの他の不斉遷移金属触媒反応への応用を展開してい

る。また、キノキサリン骨格上にアキラルな触媒活性部位を導入することで、不斉求核触媒

や不斉 NHC配位子等の開発を行っている。既に 90% ee以上で生成物を与える触媒系を確立

するとともに、高分子構造に由来する独特の反応選択性の発現を見出している。今後、二次

的相互作用部位の導入や外部刺激応答性の付与により、低分子キラル触媒では実現困難な反

応を、高い選択性で進行させる新しい触媒を開発したい。

４．参考文献

(1) Yamamoto, T.; Yamada, T.; Nagata, Y.; Suginome, M., J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 7899.

(2) Yamamoto, T.; Akai, Y.; Nagata, Y.; Suginome, M., Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8844.

(3) Akai, Y.; Yamamoto, T.; Nagata, Y.; Ohmura, T.; Suginome, M., J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11092.

(4) Yamamoto, T.; Akai, Y.; Suginome, M., Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 12785.

(5) Nagata, Y.; Kuroda, T.; Takagi, K.; Suginome, M., Chemical Science 2014, 5, 4953.

(6) Nagata, Y.; Nishikawa, T.; Suginome, M., J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15901.

Scheme 1. PQXphos/Pd-catalyzed Asymmetric Reactions

「精密制御反応場」

News Letter Vol. 8

5

◆トピックス

【業績、報道、活動等の紹介】

論文表紙掲載：

• 依光英樹氏(A01 班、京大院理•教授)らの論文(ChemCatChem 2016, 8, 2317-2320)が Back

Cover に選ばれました。

記事掲載：

• 西林仁昭氏（A01 班、東大院工・教授）らによる研究成果が、日本経済新聞 電子版で紹介

されました。(2016.07.04 掲載)

• 西林仁昭氏（A01 班、東大院工・教授）らにより Nature Communications誌へ報告した研

究成果が、日本経済新聞朝刊で紹介されました。(2016.08.01)

「精密制御反応場」

News Letter Vol. 8

6

アウトリーチ活動：

新学術領域研究「精密制御反応場」のアウトリーチ活動の一環として、以下１０件の活動を

行いました。概要を以下にまとめます。

(1) 担当班員：真島和志氏（A04 班、阪大院基礎工•教授）

イベント名：大阪大学基礎工学部 一日体験入学

場所：大阪大学基礎工学部

開催日：２０１６年８月１日

対象：高校生、高等専門学校生、予備校生、引率教師

参加者：４１名

(2) 担当班員：神川 憲氏（A02 班、阪府大院理•教授）

イベント名：大阪府立大学生命環境科学域自然科学類

学域学類体感イベント

場所：大阪府立大学生命環境科学域自然科学類

開催日：２０１６年８月５日

対象：高校生、市民

参加者：２８４名

(3) 担当班員：石原一彰氏（A04 班、名大院工•教授）

イベント名：名古屋大学工学部化学・生命工学科

オープンキャンパス

場所：名古屋大学工学部化学・生命工学科

開催日：２０１６年８月８日

対象：高校生

参加者：２００名

(4) 担当班員：西林仁昭氏（A01 班、東大院工•教授）

イベント名：平成２８年度東京大学—熊本県高校生

交流会

場所：東京大学

開催日：２０１６年８月１日

対象：高校生、引率教師

参加者：６０名

「精密制御反応場」

News Letter Vol. 8

7

(5) 担当班員：網井秀樹氏（A01 班、群大院理工•教授）

イベント名：群馬大・理工学部オープンキャンパス

場所：群馬大学

開催日：２０１６年７月２３日、２４日

対象：高校生、市民

参加者：３４８名（２日間の合計）

(6) 担当班員：斎藤 進氏（A01 班、名大院理•教授）

イベント名：２０１６年名古屋大学オープンキャンパス

理学（化学科）懇話会

場所：名古屋大学野依記念学術交流館２階

カンファレンスホール

開催日：２０１６年８月１０日

対象：高校生が主体

参加者：３００名（研究紹介３回の合計）

(7) 担当班員：荘司長三氏（A03 班、名大院理•准教授）

イベント名：２０１６年名古屋大学オープンキャンパス

場所：名古屋大学理学部化学科生物無機化学研究室

開催日：２０１６年８月１０日

対象：高校生

参加者：２０名（研究室見学者数）

(8) 担当班員：松尾貴史氏（A03 班、名大院理•准教授）

イベント名：奈良先端科学技術大学院大学見学会

場所：奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科

開催日：２０１６年８月９日

対象：高校生（名城大学付属高校）

参加者：３０名

「精密制御反応場」

News Letter Vol. 8

8

(9) 担当班員：武田洋平氏（A01 班、阪大院工•准教授）

イベント名：大阪大学 工学部オープンキャンパス

場所：大阪大学工学部

開催日：２０１６年８月９日

対象：高校生

参加者：３３０名（応用化学専攻来場者）

(10) 担当班員：松永茂樹氏（A02 班、北大院薬•教授）

イベント名：平成２８年度北海道大学オープンキャンパス （札幌キャンパス）

場所：北海道大学薬学部

開催日：２０１６年８月７日、８日

対象：高校生、市民

参加者：３４３名（研究室見学者数 ２日間合計）

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）