[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

リガンド革命

[スポンサーリンク]

革命在る時、戦あり

 

様々な活性種の安定化・単離や触媒能の飛躍的向上に貢献してきた数々の立体保護基や配位子。一通り、出揃った感のある立体保護基や配位子、その大半は炭素骨格を主としています。

ところがここ最近、このリガンド開発業界に大きな変化が起こりつつあること、お気づきでしょうか?

活性種の安定化に欠かせない速度論的安定化効果を持つ立体保護基。また、触媒サイクルにおいて基質及び遷移状態の選択性や還元的脱離段階の促進に貢献する嵩高い配位子。置換基や配位子として使えそうな骨格はほぼ出尽くしたかのように思えた近年、まこと密やかに徐々に勢力を伸ばしつつあるあらたな骨格群があります。
それはずばり、「カルボラン!」。

まずは簡単にカルボランについて。カルボランとは、ホウ素を主とする20面体構造を持つクラスター。電荷を持たないカルボランは炭素原子二つとホウ素原子10個から骨格が成り、炭素の位置によって、オルト、メタ、パラ、が存在します(下図)。

rk03312013-1.gif
炭素原子上のHは、塩基で脱プロトン化することでカルボアニオンを発生させることができるため、様々な官能基を容易に導入することができます。一方、ホウ素上も種々のアプローチで官能基化することが可能です [1]-[3]。

まずはNature Chemistryからこの論文。

A. M. Spokoyny, C. W. Machan, D. J. Clingerman, M. S. Rosen, M. J. Wiester, R. D. Kennedy, C. L. Stern, A. A. Sarjeant, C. A. Mirkin
Nature Chemistry, 2011, 3, 509. doi:10.1038/nchem.1088.

この論文中で著者らは、m-カルボランの炭素もしくはホウ素原子上をチオエーテル(RS-)で置換した配位子 1a及び1bを合成し、それらを用いた白金錯体を合成することで、カルボラン置換配位子の電子的性質を明らかにしています(下図)。
rk03312013-2.gif
2015-08-01_10-16-23
カルボランのホウ素頭頂部位がチオエーテルに置換した配位子1aの場合、Pt(cod)Cl2との反応においてリン・硫黄原子両方が白金上に配位した錯体2aが得られています。そこへさらに当量の配位子2aを加えると、自発的に一つの塩素がフリーなカウンターアニオンとなった錯体3aが得られます。さらに二つの塩素をBF4で置換すると、二つの1aが二座配位した錯体4aを与えます。

一方、カルボランの炭素頭頂部位がチオエーテルに置換した配位子1bの場合、Pt(cod)Cl2との反応ではリン側のみが白金に配位し、二つの1bが単座で配位した錯体2bが得られてきます。白金上の塩素をより配位性の低いB(C6F5)4やBF4で置き換えることによってのみ、キレート型の錯体3b及び4bを得ることができます。

これら配位力の差は、結合するカルボラン頭頂原子の違いによって、硫黄部位の電子的性質が大きく変化したことに起因します。すなわち、炭素頭頂部位で置換するよりも「ホウ素頭頂部位で置換するとより電子供与性になる」ことを実証しています。同じカルボラン骨格でも、置換部位によって電子的性質がことなることを示す、興味深い成果です。

次にこの論文

N. Fey, M. F. Haddow, R. Mistry, N. C. Norman, A. G. Orpen, T. J. Reynold, P. G. Pringle,
Organometallics, 2012, 31, 2907. doi:10.1021/om201198s.

こちらでは、o-カルボランを直接リン上に置換した配位子を用いて、PdとRu錯体を合成しています。
いずれの場合も立体的な嵩高さから、カルボラン上の一つのB-H結合が金属中心と反応してしまい、LX型の二座配位子を持つ錯体が得られています。

om-2011-01198s_0012

 

実はこの結果、とても重要なポイントを示していると思います。
まず、カルボラン骨格が、金属周りの空間まで立体的インパクトを与えているということ。そして、どんなに精密設計された置換基や配位子を開発したところで、それらを用いて実際に合成した化合物が、リガンドそのものを壊してしまう可能性があるということ。経験ありませんか?遷移金属錯体を用いた触媒サイクルにおいて、配位子を巻き込んだ失活過程をよく目にすることと思います。高酸化/電子不足状態もしくは低配位の金属へのC-H挿入や置換基の転移などがその一例。その過程を防ぐことができれば、より優れたリガンドたり得ることは間違いありません。

さて。二十面体骨格を持つカルボランは、電子的にも立体的にも特徴的なクラスターであるということがわかると思いますが、カルボランと言えば、忘れはいけないのが「最強の酸を生み出す共役塩基 !」[4] そう、カルボランは、骨格に含まれる炭素の数によって、電気中性(炭素二つ)、モノアニオン性(炭素一つ)、ジアニオン性(炭素ゼロ)となる性質をも持っています。
そこで最後に紹介したいのが、この論文

V. Lavallo, J. H. Wright II, F. S. Tharm, S. Quinlivan, Angew. Chem. Int. Ed. 2013 ASAP doi:10.1002/anie.201209107.

著者らはアニオン性のパークロロカルボランをリン配位子に組み込み、それを用いた金触媒の開発を行っています。

特徴を何点か。
(1)まず、でかい!パークロロカルボランのファンデルワールス体積は350Å3とアダマンチル基(136Å3)の二倍以上!
(2)表面が塩素原子のブランケットで覆われているため、求核・求電子攻撃に対し非常~に安定 上述の論文のようなリガンドの分解(=触媒の失活)を抑制できる。
(3)アニオン電荷を保持しているため 通常のように金属上からのハロゲン引き抜きにより活性化する必要がないのと同時に、金属上からの配位子の乖離を防ぐ(カチオンを安定化する)ことができる。

2015-08-01_10-20-51配位子の嵩高さ及び安定性と、分子内電荷分離により金まわりがカチオン性(ルイス酸として触媒活性)であることを活かして、0.001 mol%といった極めて少量の錯体を用いて、アルキンのヒドロアミノ化触媒反応を達成しています。その触媒回転率、なんとTON = >95000!。

これまでは、主に活性カチオン種のカウンターアニオンとしての利用が常識だったハロゲン化カルボランですが、カルボランそのものを分子に組み込むことで、非常に安定かつ活性種によって分解されない化合物の合成が可能であることを実証しています。

またハロゲン化カルボランはなにも塩素置換だけではなく、フッ素や臭素置換、そして二種ハロゲン混合体も存在します。つまり、サイズを思い通り変えることができるんですね。しかも導入するカルボランのタイプ(o-/m-/p-、中性/アニオン性)とその組み合わせ、分子デザインによっては中性・アニオン性・ジアニオン~マルチアニオン性といった電子的性質を幅広く展開でき、カチオン種を安定化(もしくはこれまで不可能であった低配位化合物・高酸化状態金属中心等を安定化)し得る新規な置換基・配位子群を開発できる可能性を示していると思います。

史上最強の酸を生み出す化合物の新たな展開。究極のリガンド革命が起こりつつある、そんな気がします。

 

参考文献

  1.  Matthias Scholz, Evamarie Hey-Hawkins, Chem. Rev. 2011, 111, 7035, doi:org/10.1021/cr200038x.
  2. C. Reed, Account of Chemical Research, 2010, 43, 121, doi:10.1021/ar900159e.
  3. Stefanie Korbe, Peter J. Schreiber, Josef Michl, Chem. Rev. 2006, 106, 5208, doi:10.1021/cr050548u.
  4.  (1) 有機化学美術館: 「史上最強の酸」、合成さる。(2) 化学よもやま話

 

参考図書

[amazonjs asin=”4882319551″ locale=”JP” title=”ホウ素・ホウ化物および関連物質の基礎と応用 (新材料・新素材シリーズ)”]

 

関連記事

  1. 累計100記事書きました
  2. 高い分離能のCOF膜が作製可能な二段階構築法の開発
  3. GFPをも取り込む配位高分子
  4. ナノチューブを引き裂け! ~物理的な意味で~
  5. ジアゾニウム塩が開始剤と捕捉剤を“兼務”する
  6. 塩基が肝!シクロヘキセンのcis-1,3-カルボホウ素化反応
  7. 採用面接で 「今年の日本化学会では発表をしますか?」と聞けば
  8. Carl Boschの人生 その5

注目情報

ピックアップ記事

  1. Independence Day
  2. Carl Boschの人生 その2
  3. 二刀流センサーで細胞を光らせろ!― 合成分子でタンパク質の蛍光を制御する化学遺伝学センサーの開発 ―
  4. オリンピセン (olympicene)
  5. 丸岡 啓二 Keiji Maruoka
  6. ポンコツ博士の海外奮闘録 〜コロナモラトリアム編〜
  7. 核酸医薬の物語1「化学と生物学が交差するとき」
  8. ホウ素と窒素で何を運ぶ?
  9. 第32回「生きている動物内で生理活性分子を合成して治療する」田中克典 准主任研究員
  10. Retraction watch リトラクション・ウオッチ

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2013年4月
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
2930  

注目情報

最新記事

MEDCHEM NEWS 34-1 号「創薬を支える計測・検出技術の最前線」

日本薬学会 医薬化学部会の部会誌 MEDCHEM NEWS より、新たにオープン…

医薬品設計における三次元性指標(Fsp³)の再評価

近年、医薬品開発において候補分子の三次元構造が注目されてきました。特に、2009年に発表された論文「…

AI分子生成の導入と基本手法の紹介

本記事では、AIや情報技術を用いた分子生成技術の有機分子設計における有用性や代表的手法について解説し…

第53回ケムステVシンポ「化学×イノベーション -女性研究者が拓く未来-」を開催します!

第53回ケムステVシンポの会告です!今回のVシンポは、若手女性研究者のコミュニティと起業支援…

Nature誌が発表!!2025年注目の7つの技術!!

こんにちは,熊葛です.毎年この時期にはNature誌で,その年注目の7つの技術について取り上げられま…

塩野義製薬:COVID-19治療薬”Ensitrelvir”の超特急製造開発秘話

新型コロナウイルス感染症は2023年5月に5類移行となり、昨年はこれまでの生活が…

コバルト触媒による多様な低分子骨格の構築を実現 –医薬品合成などへの応用に期待–

第 642回のスポットライトリサーチは、武蔵野大学薬学部薬化学研究室・講師の 重…

ヘム鉄を配位するシステイン残基を持たないシトクロムP450!?中には21番目のアミノ酸として知られるセレノシステインへと変異されているP450も発見!

こんにちは,熊葛です.今回は,一般的なP450で保存されているヘム鉄を配位するシステイン残基に,異な…

有機化学とタンパク質工学の知恵を駆使して、カリウムイオンが細胞内で赤く煌めくようにする

第 641 回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院理学系研究科化学専攻 生…

CO2 の排出はどのように削減できるか?【その1: CO2 の排出源について】

大気中の二酸化炭素を減らす取り組みとして、二酸化炭素回収·貯留 (CCS; Carbon dioxi…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー