著者: Feng An, Jan Brossette, Harish Jangra, Yin Wei, Min Shi, Hendrik Zipse, Armin R. Ofial*
雑誌名: Chemical Science
巻: Volume 15, 18111-18126
出版年: 2024
DOI: https://doi.org/10.1039/D4SC04852K
背景
1: ホスフィンとマイケル付加
- 第三級ホスフィン (PR3) のマイケルアクセプターへの付加は、多くのルイス塩基触媒反応において重要なステップである
- ホスフィン触媒反応では、電子不足π系へのホスフィン付加により、双性イオン中間体が生成される
- この中間体は、直接捕捉されるか、様々な求電子試薬との異性化を経て炭素-炭素結合形成反応に利用される
- キラルホスフィン触媒は、これらの変換の不斉バージョンを可能にした
2: 既存の速度論的研究
- ホスフィンとマイケルアクセプターとの付加反応におけるPR3反応性の体系的な比較は、これまで行われていない
- ホスフィンとマイケルアクセプターとの付加は一般的に可逆反応であるため、速度論的研究が困難だった
- 従来の速度論的研究では、プロトン性溶媒中でのカルボン酸によるプロトン移動が律速段階となり、三次の反応速度を示すことが多かった
3: 本研究の目的
- 本研究では、様々な種類のマイケルアクセプターに対するPR3反応性の速度論的比較を行うことを目的とする
- 特に、アレン系、アセチレン系、ビニル系マイケルアクセプターに対する10種類のホスフィンの付加反応の速度論を調査する
- これらの知見は、PR3触媒反応の制御因子を理解し、有機触媒反応の開発に役立つと期待される
方法
1: 実験方法の概要
- 10種類のホスフィンと、5種類のマイケルアクセプター（アクリル酸エチル、アレン酸エチル、プロピオール酸エチル、エテンスルホニルフルオリド、2-ブチン酸エチル）を用いる
- ジクロロメタン中、20℃で反応を行い、分光光度計またはNMR分光法により反応速度を追跡
- 反応中間体の双性イオンを効率的に捕捉するために、適切なプロトン源（コリジニウムトリフラートなど）を用いる
2: プロトン源の選択
- 中間体の双性イオンを捕捉するプロトン源として、コリジニウムトリフラート (CT) を選択
- CTは、研究対象のホスフィンの塩基性度範囲をカバーできるほど酸性度が低く、ホスフィンやマイケルアクセプターの反応性に影響を与えない
- NMR分光法による検討により、CTがジクロロメタン溶液中でホスフィンやマイケルアクセプターと相互作用しないことを確認
3: 速度論的測定
- 反応速度は、擬一次反応条件下で、過剰な反応パートナーを用いて測定
- 吸光度またはNMRシグナル強度の時間変化を、単一指数関数または一次速度式にフィッティングすることで、擬一次速度定数 (kobs) を求める
- 異なる濃度の過剰な反応パートナーを用いてkobsを測定し、kobsと反応パートナー濃度の線形関係から、二次速度定数 (k2) を算出
結果
1: 相対反応性
- アクリル酸エチル (1) は、ホスフィンに対して比較的弱い求電子剤であることがわかった
- アレン酸エチル (2) とプロピオール酸エチル (3) に対するホスフィンの反応性はほぼ同程度であり、一般的にアクリル酸エチル (1) よりも1～2桁高い
- エテンスルホニルフルオリド (4) は、非常に強い求電子剤であり、1-3よりもはるかに速くホスフィンと反応した
2: ホスフィン反応性の相関
- ホスフィンの反応性は、それらのブレンステッド塩基性度 (pKaH)、ヨウ化エチルとのSN2反応における求核性、鉄錯体安定化カルボカチオンに対する求核性 (NFe) と相関関係があった
- これらの相関関係は、本研究で得られたホスフィン反応性のデータが、他の求電子剤に対しても一般的に適用可能であることを示唆
3: ホスフィンの求核性と求核脱離能
- ホスフィンのマイケルアクセプターに対する反応速度定数は、ホスフィン-ボラン錯体におけるキヌクリジンによるPR3置換反応の速度定数 (kFB) とも相関関係があった
- これは、最も弱い求核剤であるP(pfp)3が最も反応性の高い求核脱離基であり、求核性の高いPMe3やPBu3ではその逆の関係にあることを示唆
考察
1: DFT計算による解析
- 量子化学計算を用いて、PR3付加反応の活性化障壁 (ΔG‡calc) と反応エネルギー (ΔGadd) を計算した
- 実験的に得られたギブズ活性化エネルギー (ΔG‡exp) は、計算されたΔG‡calcと良い相関を示した
- これらの結果は、実験で測定された二次速度定数k2が、電子不足反応パートナーへの初期ホスフィン付加を反映しているという解釈を裏付けている
2: 反応エネルギーと活性化障壁
- ホスフィンのビニル系、アレン系、アセチレン系求電子剤への付加の活性化障壁は、熱力学的駆動力 (ΔGadd) の増加に伴い系統的に減少する
- しかし、これらのホスファ-マイケル付加の遷移状態 (TS) では、生成物安定化効果の30～40%しか反映されていない
- これは、ホスフィン付加反応の速度が、熱力学的安定性だけでなく、反応の固有障壁にも影響されることを示唆
3: 遷移状態の解析
- 遷移状態 (TS) ジオメトリの解析から、PPh3とマイケルアクセプター間のP–C結合形成は、アクリル酸エチル (1) への付加において、アレン酸エチル (2) やプロピオール酸エチル (3) よりもわずかに進んでいることがわかった
- これは、1へのPPh3の付加では、2や3との類似の反応よりも遅いTSを示唆
4: 研究の限界点
- 計算では、実験的に得られたΔG‡expの20 kJ mol-1の幅が、DFT計算ではわずか10 kJ mol-1の幅に圧縮されている
- これは、計算モデルが実験で観察される反応速度のわずかな違いを完全には再現できていないことを示唆
結論
- 本研究では、様々な第三級ホスフィンとマイケルアクセプターとの付加反応の速度論を詳細に調べた
- ホスフィンの反応性は、その構造、ブレンステッド塩基性度、求核性、求核脱離能と密接に関係していることが明らかになった
- これらの知見は、ホスフィン触媒反応の設計と最適化に役立つ可能性がある
将来の展望
- 今後、ホスフィン触媒反応の全サイクルに関する更なる量子化学的研究が必要である
- 特に、実験ではアクセスが困難なステップを計算によって解析することで、これらの多用途反応の系統的な改善に必要な因子を理解することができる
用語集
- マイケル付加: 電子不足オレフィンなどのマイケルアクセプターに対する求核剤の付加反応
- ルイス塩基: 電子対供与体
- ホスフィン: リン原子を中心とする有機化合物
- 双性イオン: 正電荷と負電荷の両方を持つ分子
- 速度論: 化学反応の速度を研究する分野
- ブレンステッド塩基性度: プロトンを受け取る能力の尺度
- 求核性: 電子対を提供して結合を形成する能力の尺度
- 求核脱離能: 結合電子対とともに脱離する能力の尺度
- DFT計算: 分子の電子状態を計算する理論化学的手法
- 遷移状態: 化学反応におけるエネルギーが最大となる状態
0 件のコメント:
コメントを投稿