基質認識による触媒活性スイッチを鍵とした位置選択的な炭素―水素結合変換触媒の開発

基于底物识别的催化活性转换的区域选择性碳氢键转化催化剂的开发

• 批准号: 19J23157
• 负责人: 坂井 健太郎
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J23157/
• 关键词: アミン; ゲルマニウム触媒; アルコール; ホウ素触媒; ケイ素触媒; ボレート; シリケート; HAT触媒; 炭素－水素結合官能基化; 光触媒; 水素原子移動触媒; 結合弱化触媒; 位置選択性; ラジカル; 均一系触媒; 有機合成化学; C-H結合官能基化; フォトレドックス触媒; 水素原子移動; 水素原子移動（HAT）触媒; ハイブリッド触媒

申請時の予定とは異なるが、昨年度と同様に結合弱化触媒による特定のC(sp3)-H結合の結合弱化現象を活用した新規触媒反応開発に取り組んだ。昨年度までは、アルコール認識部位としてホウ素やケイ素触媒を用い、基質のアルコールとのボレートおよびシリケート形成による結合弱化現象を利用したアルコールα位C(sp3)-H結合選択的なアルキル化反応を開発していた。結合弱化触媒を開発し、光触媒、HAT触媒と組み合わせ、位置選択的なC(sp3)-H結合官能基化に活用した反応は、前述の私の反応2種類を含め、数例が知られている。しかし、既報の結合弱化触媒はすべてアルコールとの結合形成によってアルコールα位C(sp3)-H結合弱化を引き起こすものであり、他の官能基近傍のC(sp3)-H結合弱化を引き起こす触媒は知られていなかった。そこで、アルコール以外を対象とした結合弱化触媒の開発に取り組むこととした。ここで、アミンはアルコールと同様に医薬品、農薬、天然物中に幅広く見られる構造であり、アミンα位C(sp3)-H結合官能基化はケミカルスペース拡張につながる有用な反応であるため、アミンを対象とした結合弱化触媒開発に取り組んだ。計算化学主導でアミンを対象とした結合弱化現象を探索したところ、アミンがゲルマニウム触媒と複合体を形成した際に、脂肪族1級アミンのアミンα位C(sp3)-H結合弱化が起きることが示唆された。この計算結果を基に条件検討を行った結果、青色LED光照射下、光触媒、HAT触媒、ゲルマニウム触媒からなるハイブリッド触媒系による脂肪族1級アミンα位C(sp3)-H結合選択的なアルキル化反応の開発に成功した。また、C(sp3)-H結合官能基化反応以外に加え、これまでの研究で活用してきた計算化学手法を用い、ラジカル種によるペプチド、タンパク質修飾反応開発にも貢献した。

虽然与申请时的计划有所不同，但与去年类似，我们致力于开发一种新的催化反应，该反应使用键弱化催化剂，利用特定 C(sp3)-H 键的键弱化现象。直到去年，我们开发了一种选择性针对醇α位C(sp3)-H键的烷基化反应，该反应使用硼或硅催化剂作为醇识别位点，并利用硼酸盐形成引起的键弱化现象以醇和硅酸盐为底物。有几个已知的反应实例，其中键弱化催化剂已被开发，与光催化剂和HAT催化剂结合，并用于区域选择性C(sp3)-H键官能化，包括上述两个反应。然而，所有先前报道的键弱化催化剂都是通过与醇形成键来弱化醇α位的C(sp3)-H键，以及导致C(sp3)-H弱化的催化剂靠近其他官能团的键尚不清楚。因此，我们决定开发一种针对酒精以外的物质的键弱化催化剂。与醇一样，胺是广泛存在于药物、农用化学品和天然产物中的结构，胺的 α 位 C(sp3)-H 键的官能化是一种有用的反应，可以导致化学空间的扩展。致力于开发胺的键弱化催化剂。计算化学驱动的针对胺的键弱化现象的研究表明，当胺与锗催化剂形成络合物时，脂肪族伯胺的胺 α 位会发生 C(sp3)-H 键弱化。根据这些计算结果检查条件，我们发现在蓝色 LED 光照射下，使用由光催化剂、HAT 催化剂和锗催化剂组成的混合催化剂系统选择性烷基化 C(sp3)-脂肪族伯胺的α位上的H键成功地发生了化学反应。除了 C(sp3)-H 键功能化反应之外，他还利用他在之前的研究中使用的计算化学技术，为使用自由基物种的肽和蛋白质修饰反应的开发做出了贡献。

项目成果

ホウ素型新規結合弱化触媒を用いたアルコールα位C(sp3)-Hアルキル化

使用新型硼型弱键催化剂进行醇α位C(sp3)-H烷基化

• 发表时间: 2021
• 作者: 坂井健太郎;生長幸之助;金井求
• 通讯作者: 金井求

A Bond-Weakening Borinate Complex for Improved Scope of Photoredox α-C-H Alkylation of Alcohols

一种用于改善醇光氧化还原 α-C-H 烷基化范围的弱键硼酸酯络合物

• 发表时间: 2019
• 作者: Kentaro Sakai;Kounosuke Oisaki;Motomu Kanai
• 通讯作者: Motomu Kanai

Site-selective α-C(sp3)－H Alkylation of Alcohols and Primary Amines Promoted by Photoredox, HAT, and Bond-Weakening Hybrid Catalysis

光氧化还原、HAT 和弱键混合催化促进醇和伯胺的位点选择性 α-C(sp3)－H 烷基化

• 发表时间: 2022
• 作者: Kentaro Sakai;Kounosuke Oisaki;Motomu Kanai
• 通讯作者: Motomu Kanai

SYNTHESIS Best Paper Award Winners 2020

2020 年 SYNTHESIS 最佳论文奖获得者

Identification of Bond-Weakening Spirosilane Catalyst for Photoredox α-C-H Alkylation of Alcohols

• DOI: 10.1002/adsc.201901253
• 发表时间: 2019-12-04
• 期刊: ADVANCED SYNTHESIS & CATALYSIS
• 影响因子: 5.4
• 作者: Sakai, Kentaro;Oisaki, Kounosuke;Kanai, Motomu
• 通讯作者: Kanai, Motomu