Catch Key Points of a Paper ~0224~

論文のタイトル: Mn(I)-catalyzed sigmatropic rearrangement of β, γ-unsaturated alcohols（Mn(I)触媒によるβ,γ-不飽和アルコールのシグマトロピー転位）

著者: Can Yang, Xiaoyu Zhou, Lixing Shen, Zhuofeng Ke, Huanfeng Jiang* & Wei Zeng*

雑誌名: Nature Communications 

巻: Volume14, 1711

出版年: 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-37299-x

背景

1: 研究の背景

• 分子の再配列は、複雑な構造を効率的に変換する強力な手法である。
• 古典的な転位反応（ベックマン転位、コープ転位など）は、天然物や医薬品合成に広く利用されている。
• しかし、1,2-シグマトロピー転位（1,2-STR）や1,3-シグマトロピー転位（1,3-STR）は未開拓であった。
• この研究は、新しいタイプの炭素骨格再配列反応の開発を目指す。

2: 未解決の問題点と研究の目的

• C-C結合の活性化は困難であり、従来の反応ではC-C結合の開裂により別の炭素成分が失われることが多い。
• 効率的な炭素-炭素活性化に基づく官能基移動には、多量の試薬が必要となる。
• 本研究の目的は、触媒量のマンガン(I)を用いて、α-アリール-β,γ-不飽和アルコールのC-C結合活性化に基づくシグマトロピー転位を開発することである。
• この反応は、高い原子経済性とステップ経済性を実現することを目指す。

3: 研究の具体的な目的と期待される成果

• 多様なα-アリール-アリルアルコールやα-アリール-プロパルギルアルコールを、対応するカルボニル化合物に変換する。
• 1,2-STRおよび1,3-STRを、単一触媒系で実現する。
• この触媒モデルを、分子内および分子間カップリング反応に応用し、マクロ環状ケトンを合成する。
• この新しい骨格転位反応は、従来の分子転位反応を補完する有用なツールとなることが期待される。

方法

1: 研究デザインの概要

• 本研究では、マンガン触媒を用いた炭素骨格転位反応を開発するため、実験室での反応条件検討と基質適用範囲の調査を行った。
• 反応機構を解明するために、対照実験とDFT計算を実施した。
• マンガン触媒（Mn(CO)₅Br）を使用し、様々な反応条件（温度、溶媒など）を検討した。

2: 試薬の選定基準

• この研究は、様々なα-アリール-β,γ-不飽和アルコールを基質として用いた。
• α-(2-インドリル)-置換された二次アリルアルコール、α-アリール三次アリルアルコール、α-(2-インドリル)プロパルギルアルコールなどの様々な基質を評価した。
• 反応の適用範囲を広げるために、様々な置換基を持つ基質を使用した。

3: 主要な評価項目と測定方法

• 反応の収率を、分離された生成物の量から決定した。
• 生成物の構造は、NMR、HR-MS、IRスペクトル、およびX線結晶構造解析により確認した。
• 反応機構を解明するため、D₂Oを用いた同位体標識実験を実施した。
• DFT計算により、反応経路のエネルギープロファイルを分析した。

4: 使用した統計手法

• 本研究では、反応条件の最適化と収率の評価に重点を置いており、統計的な手法は主にDFT計算において使用された。
• DFT計算の結果は、反応の遷移状態の安定性や反応経路を解釈するために使用された。
• 生成物の収率データは、反応の効率を比較するために用いられた。

結果

1: 1,3-STR反応の最適化

• 様々なマンガン塩を用いた検討の結果、Mn₂(CO)₁₀とMn(CO)₅Brが触媒として有効であることが判明した。
• 反応温度を75℃に上げたところ、収率が向上した。
• 溶媒スクリーニングの結果、1,2-ジクロロエタン（DCE）が最適な溶媒であることが確認された。
• Mn(CO)₅Brを触媒とし、DCE中で75℃で反応させることで、80%の収率で目的の1,3-STR生成物を得た。

2: 二次アリルアルコール基質適用範囲

• 様々な置換基を持つα-(2-インドリル)-置換二次アリルアルコールが、効率的に1,3-STR反応を起こし、対応する2-カルボニルエチルインドールを良好な収率で生成した。
• 電子供与性基、電子吸引性基を持つ基質も、同様に反応が進行した。
• N-電子豊富なピリジル置換基を持つ基質も、良好な変換率で反応が進行した。
• 内部アリルアルコールでも、同様の転位反応が進行した。

3: 三次アリルアルコールとプロパルギルアルコール基質適用範囲

• 三次アリルアルコールにおいても、選択的に1,3-アリール転位が進行し、対応するケトンを良好な収率で生成した。
• α-(2-インドリル)プロパルギルアルコールは、1,2-STR反応を起こし、α-インドリル-α-ビニルアルデヒドを生成した。
• 末端プロパルギルアルコールは、1,3-STR生成物と1,2-STR生成物の両方を与える場合がある。
• 様々な置換基を持つプロパルギルアルコールでも、この反応が適用できることを示した。

考察

1: 主要な発見

• マンガン(I)触媒を用いて、β,γ-不飽和アルコールのC-C結合活性化に基づくシグマトロピー転位反応を開発した。
• 1,2-STRおよび1,3-STRが、同一触媒系で実現可能であることを示した。
• 多様な基質に対して、この転位反応が有効であることを明らかにした。

2: 発見の意義と重要性

• この反応は、複雑な炭素骨格を効率的に再編成できる。
• 高い原子経済性とステップ経済性を実現し、環境に優しい合成法を提供する。
• この触媒モデルを、マクロ環状ケトンの合成や多様な分子構造の構築に応用できる可能性を示唆した。

3: 先行研究との比較

• 従来のC-C結合活性化反応では、多量の試薬が必要であったり、他の炭素成分が失われることが多かった。
• 本研究で開発した反応は、触媒量のマンガン(I)を用いて、効率的にC-C結合活性化に基づくシグマトロピー転位を実現した。
• 従来は未開拓であった1,2-STRおよび1,3-STRを同一系で実現した点が、先行研究と比較して大きな進歩である。
• Knowlesらによる光触媒反応と比較して、本研究はより広い基質範囲をカバーできることを示した。

4: 研究の限界点

• この反応は、特定の構造のβ,γ-不飽和アルコールに限定される可能性がある。
• 反応機構については、DFT計算に基づく提案にとどまっており、さらなる詳細な実験的検証が必要である。
• この研究は主に基礎研究であり、実用化に向けては、さらなる最適化や応用研究が必要である。

結論

• マンガン(I)触媒を用いた、新しい炭素骨格転位反応を開発した。
• 1,2-STRと1,3-STRを効率的に実現し、多様なカルボニル化合物を合成した。

将来の展望

• より複雑な分子の合成や、反応機構の詳細な解明が期待される。

用語集

• シグマトロピー転位: 分子内で結合が移動する反応。
• 1,2-STR: 1,2位間で結合が移動するシグマトロピー転位。
• 1,3-STR: 1,3位間で結合が移動するシグマトロピー転位。
• DFT: 密度汎関数理論。量子化学計算の一種。
• Mn(I): 1価のマンガンイオン。

TAKE HOME QUIZ

問題1: この研究で主に焦点を当てている2つのタイプのシグマトロピー転位は何ですか？ 

* a)-STRと-STR * b)-STRと-STR * c) 1,2-STRと1,3-STR * d)-STRと-STR

問題2: この研究で開発された反応は、主にどのような種類の基質に適用されましたか？ 

* a) アルカン * b) アルケン * c) α-アリール-β,γ-不飽和アルコール * d) アルキン

問題3: この研究で、反応機構を解明するために行われた実験は何ですか？ 

* a) 質量分析 * b) D₂Oを用いた同位体標識実験 * c) NMR分析 * d) UV-Visスペクトル測定

問題4: この研究で、分子内[n+1]環拡大反応を起こす基質の例は何ですか？ 

* a) α-アリールアリルアルコール * b) α-アリールプロパルギルアルコール * c) α-アルキニルシクロアルカノール * d) α-アリール第三級アルコール

解答: 1:c, 2:c, 3:b, 4:c

解説:

• この研究は、C-C結合の活性化に基づく新しいシグマトロピー転位反応を扱っています。触媒として、マンガン(I)化合物（具体的にはMn(CO)₅Br）が使用され、1,2-STRと1,3-STRという二つの異なるタイプのシグマトロピー転位を調査しています。 この反応は主に、α-アリール-β,γ-不飽和アルコールを基質として使用し、反応の主な利点は、高い原子経済性とステップ経済性です。
• D₂Oを用いた同位体標識実験により、反応機構に関する洞察が得られ、DFT計算は、反応のエネルギープロファイルを理解するために不可欠なツールでした。
• α-アルキニルシクロアルカノールは、[n+1]環拡大反応を起こすことが示されました。