論文のタイトル: Hyperstable alkenes: are they remarkably unreactive?(超安定アルケン：それらは著しく非反応性なのか？)
著者: HMatthew D. Summersgill, Lawrence R. Gahan, Sharon Chow, Gregory K. Pierens, Paul V. Bernhardt, Elizabeth H. Krenske, and Craig M. Williams*
雑誌名: Chemical Science
巻: Volume15, Issue46, 19299-19306
出版年: 2024
DOI: https://doi.org/10.1039/d4sc06697a
背景
1: 研究の背景
- 1980年代初頭、MaierとSchleyerはケージ型二環式アルケン（オレフィン）を「超安定」と提唱。
- これらのアルケンは、理論的に「著しく非反応性」と予測された。
- 当時、抗がん剤タキソールのような天然物にもケージ型アルケンが含まれており、二重結合の安定性を理解する重要性があった。
- 超安定アルケンの定義を明確化する必要性が指摘されていた。
2: 未解決の問題点と研究の目的
- 理論的に予測された超安定アルケンの合成が困難で、その特性を十分に検証できていなかった。
- 過去に合成された例はごくわずかであり、予測された安定性と反応性の関係が不明確だった。
- 本研究の目的は、新たな超安定アルケンを合成し、その反応性を詳細に調査すること。
3: 期待される成果
- 効率的な合成法を開発し、複数の超安定アルケンを合成する。
- 合成した超安定アルケンの水素化反応に対する抵抗性を評価する。
- 様々な酸化剤に対する反応性を調べ、「超安定」の定義を再検討する。
- 計算化学的アプローチにより、実験結果を裏付け、より深い理解を得る。
方法
1:
研究デザインの概要- Brown–Mattesonホモロゲーション法を最適化し、ケージ型二環式アルケンを合成。
- ワンポット合成法を用いることで、効率的な合成を実現。
- 合成したアルケンの特性を評価するために、水素化反応、酸化反応を実施。
- 密度汎関数理論(DFT)計算を行い、アルケンの安定性と反応性を理論的に検証。
2:
対象となる化合物と合成- シクロオクタジエンを出発物質とし、ボラシクランを中間体として用いて環拡大を行う。
- ブロモメチルリチウムを反応試薬として使用。
- ジクロロメチルリチウムを用いて、炭素骨格の形成とホウ素原子の除去。
- 得られたアルコールを脱水し、対応するアルケンを得る。
3:
主要な評価項目と測定方法- 水素化反応: パラジウム炭素触媒（Pd/C）と白金酸化物触媒（PtO2）を用いて、様々な条件下で水素化反応を実施。
- 酸化反応: 四酸化オスミウム（OsO4）、メタクロロ過安息香酸（mCPBA）、ジメチルジオキシラン（DMDO）を用いて酸化反応を実施。
- 核磁気共鳴分光法（NMR）とガスクロマトグラフィー質量分析法（GC/MS）: 反応の追跡と生成物の構造決定。
- X線結晶構造解析: 生成物の結晶構造を決定。
4:
計算化学的手法- M06-2X/def2-TZVPPレベルのDFT計算を用いて、アルケンの安定性と反応性を評価。
- 水素化の自由エネルギー（ΔGhydrog）を計算し、アルケンの水素化反応に対する耐性を評価。
- オレフィンひずみエネルギー（OSE）を計算し、水素化エネルギーとの相関性を確認。
結果
1:
合成された新たな超安定アルケン- bicyclo[5.3.3]tridec-1-ene (10)、bicyclo[4.3.3]dodec-1-ene (13)、およびE-bicyclo[4.4.3]tridec-1-ene (6) など、複数の超安定アルケンを合成。
- bicyclo[4.3.3]dodec-6-ene (25)も合成され、より安定な異性体であることが示された。
- 合成法は、ワンポットで効率的であることが示された。
2:
水素化反応の結果- 合成された超安定アルケン(10, 6)は、通常の条件下では水素化されなかった。
- より過酷な条件下（PtO2/H2、50 psi）でも水素化への抵抗性を示した。
- 過去に合成された超安定アルケンと比較して、水素化に対する抵抗性が非常に高いことが判明。
- bicyclo[4.3.3]dodec-6-ene (25)は、より過酷な条件下で僅かながら水素化された。
3:
酸化反応の結果- 合成された超安定アルケンは、オスミウムテトロキシド（OsO4）とTMEDAを用いた反応により、対応するオスメートエステルを生成。
- mCPBAやDMDOを用いて、対応するエポキシドを生成。
- 超安定アルケンは、酸化反応に対して抵抗性がないことが示された。
考察
1:
主要な発見- 計算化学的結果と実験結果が一致し、超安定アルケンの水素化に対する抵抗性が確認。
- OSEとΔGhydrogの間に線形相関が見られた。
- 超安定アルケンの「超安定」は、水素化への抵抗性に限定されることが示唆された。
2:
反応性の考察- 超安定アルケンは、酸化反応に対しては通常のアルケンと同様に反応することが判明。
- 以前の定義である「超安定」は、水素化に対する抵抗性を意味するにすぎないと結論付けられた。
- これらのアルケンが持つ独特なケージ構造が安定性に寄与していると考えられる。
3:
先行研究との比較- 過去に報告された超安定アルケンの水素化条件と比較して、本研究で合成されたアルケンはより強い抵抗性を示した。
- 以前の研究における理論的予測と、今回の実験的結果が一致していることが確認された。
- 天然物においても、ケージ構造を持つアルケンが報告されており、その安定性について理解が深まった。
4:
研究の限界点- 水素化反応のメカニズムについては、異なる触媒や溶媒の影響を考慮する必要がある。
- 計算化学的アプローチは、熱力学的なエネルギーのみを扱っており、反応の障壁の高さについては言及していない。
- 実験的に水素化反応の速度を測定するのが困難であり、計算値で代用した。
5:
反応経路の補足- ホモロゲーション反応における環拡大の制御が難しい場合がある。
- 反応条件によって、過剰ホモロゲーションや炭素-ホウ素結合の転位が起こりうる。
- 脱離反応でアルケンを生成する際に、より安定な異性体に変化することがある。
結論
- 新たな超安定アルケンの合成に成功し、その特性を詳細に評価した。
- **「超安定」**という用語は、水素化反応に対する抵抗性に限定されることが明確になった。
- 酸化反応に対しては、他のアルケンと同様に反応性があることがわかった。
- 計算化学が、超安定アルケンの安定性と反応性の理解に役立つことが示された。
将来の展望
- 今後の研究では、水素化反応のメカニズムや他の反応における反応性についてさらに詳細な研究が求められる。
TAKE HOME QUIZ
-
本研究で合成された超安定アルケンが、水素化反応に対して抵抗性を示す主な理由は何ですか？
- a) 立体障害
- b) π結合の強さ
- c) ケージ構造による特別な安定性
- d) 電子的な安定性
-
本研究で使用された主な合成手法は何ですか？
- a) Grignard反応
- b) Diels–Alder反応
- c) Brown–Matteson ホモロゲーション法
- d) Wittig反応
DFT計算によって評価された、アルケンの安定性を表す指標は何ですか？
- a) オレフィンひずみエネルギー（OSE）
- b) 水素化の自由エネルギー（ΔGhydrog）
- c) 分子量
- d) 沸点
記述問題
- 本研究における「超安定アルケン」の定義を、実験結果に基づいて説明してください。
- 本研究で合成された超安定アルケンの中で、特に水素化に対する抵抗性が高いものはどれですか？
- 本研究で用いられた「ワンポット合成」とはどのような合成法ですか？
解答
選択問題
- c
- c
- b
記述問題
- 本研究では、「超安定アルケン」とは、水素化反応に対して高い抵抗性を持つアルケンと定義されました。以前の研究では、理論的な予測に基づいて「著しく非反応性」とされていましたが、本研究の結果から、酸化反応など他の反応に対しては通常のアルケンと同様に反応することが明らかになりました。したがって、「超安定」という用語は、水素化反応に対する抵抗性を指すに過ぎません。
- 本研究で合成された超安定アルケンのうち、特に水素化に対する抵抗性が高いのは、bicyclo[5.3.3]tridec-1-ene (10)とE-bicyclo[4.4.3]tridec-1-ene (6)です。これらのアルケンは、白金酸化物触媒を用いた加圧条件下でも水素化されませんでした。
- ワンポット合成とは、反応容器内で複数の反応を連続して行う合成法です。本研究では、シクロオクタジエンから出発し、ボラシクランを経由して超安定アルケンを合成する過程を、一つの容器内で連続して行いました。この手法により、反応中間体を単離する必要がなくなり、効率的な合成が可能になります。