Catch Key Points of a Paper ~0229~

論文のタイトル: Direct conversion of esters to imines/enamines and applications to polyester waste upcycling（エステルのイミン/エナミンへの直接変換とポリエステル廃棄物アップサイクルへの応用）

著者: Rebecca A. Kehner, Weiheng Huang, Liela Bayeh-Romero*

雑誌名: Chemical Science

巻: Volume15, 16947

出版年: 2024

DOI: https://doi.org/10.1039/D4SC05160B

背景

1: 研究の背景

• エステルのセミ還元変換は、未開発だが重要な官能基変換である。
• エステルからイミンやエナミンへの直接変換は、ステップ数と酸化還元効率の面で優れた代替手段となる。
• エステルは安定性が高く、商業的に広く入手可能であるため、この変換は非常に有用である。
• エステルからアルデヒドへの部分還元は、有機合成で広く求められている変換である。
• 従来のDIBAL-H還元は、取り扱いに注意が必要で、低温を維持する必要がある。
• 代替手法として、Weinrebアミド、ローゼンムント還元、福山還元などが用いられる。

2: 未解決の問題点と研究目的

• 従来、ジルコノセンヒドリド（ZrH）触媒はエステルをアルコールまで完全還元していた。
• これまでのZrH試薬の利用では、アルデヒド中間体は観察されなかった。
• 本研究では、ZrH触媒を用いたエステルの部分還元で、イミン、エナミン、アルデヒドを生成する新しい方法を開発する。
• アミンによるジルコノセンヘミアセタール中間体の捕捉を利用し、アルデヒド酸化レベルを保持する。
• これにより、エステルから窒素含有化合物への直接変換が可能になる。

3: 研究の具体的な目的と期待される成果

• ZrH触媒とヒドロシラン、単純な非保護アミンを用いるプロトコルを開発する。
• 様々なアリール、ベンジル、脂肪族エステルから、高収率でイミン、エナミン、アルデヒドを得る。
• 副生成物であるアルコールへの還元を抑制する。
• ポリエステルプラスチック廃棄物の直接触媒化学アップサイクルへの応用を示す。
• 単一フラスコ多成分反応やエステルの還元的アミノ化など、窒素含有生成物の効率的な調製を提示する。

方法

1: 研究デザインの概説

• 本研究では、ZrH触媒を用いたエステルのセミ還元変換の新しい手法を開発した。
• 反応条件の最適化を行い、触媒、還元剤、アミンを調整して、目的の生成物への選択性を高めた。
• 触媒として二塩化ジルコノセン（Cp₂ZrCl₂）や塩化水素化ジルコノセン（Cp₂ZrHCl）を使用し、還元剤としてヒドロシランを用いた。
• 各種アミンを添加し、イミン、エナミン、アルデヒドの生成を制御した。
• 反応は窒素雰囲気下、トルエン中で実施した。

2: 基質の選定基準

• 様々なエステル（アリール、ベンジル、脂肪族）を基質として使用し、反応の一般性を確認した。
• ポリエステルプラスチック廃棄物（PETボトル、ポリエステル繊維）を試料として使用し、アップサイクルへの応用を検討した。

3: 主要な評価項目と測定方法

• 主要な評価項目は、イミン、エナミン、アルデヒドの収率と選択性である。
• 収率は、内部標準としてメシチレンを用いた核磁気共鳴分光法（¹H NMR）により決定した。
• ポリエステル廃棄物の分解生成物は、同様の方法で定量した。
• 反応の進行は、薄層クロマトグラフィー（TLC）で追跡した。

結果

1: セミ還元的イミン化

• アリールエステルから、対応するイミンへの直接変換に成功。
• 触媒としてCp₂ZrCl₂、還元剤としてDEMS、アミンとしてn-ブチルアミンを用いたとき、82％の収率でイミンが得られた。
• 反応時間を21時間とした場合、収率は91％に向上した。
• 各種アミンを用いることで、様々なイミン誘導体を合成した。
• 芳香族エステルは、第一級アミンを用いてイミンに変換し、シンナメートはフェニルヒドラジンを用いてヒドラゾンに変換した。

2: セミ還元的エナミン化

• 脂肪族エステルから、対応するエナミンへの直接変換に成功。
• 触媒としてCp₂ZrCl₂、還元剤としてDEMS、アミンとしてピペリジンを用いたとき、定量的にエナミンが得られた。
• 触媒量を減らすことで、収率は低下したが、依然として合成的に有用なレベルであった。
• 各種環状アミンを用いることで、様々なエナミン誘導体を合成した。

3: アルデヒドへのセミ還元

• エステルから、対応するアルデヒドへの直接変換に成功。
• メチル安息香酸エステル、エチル安息香酸エステルから、高収率でベンズアルデヒドが得られた。
• より立体的にかさ高いエステルは、変換率が低くなるか、アミド化が起こった。
• シンナメートからα,β-不飽和アルデヒドを得ることもできた。
• 脂肪族アルデヒドも中程度の収率で得られた。

考察

1: 主要な発見の解説

• ZrH触媒を用いることで、エステルからイミン、エナミン、アルデヒドへの選択的なセミ還元が可能となった。
• アミンを添加することで、アルデヒド中間体が捕捉され、目的の生成物への選択性が向上した。
• この手法は、従来の還元法よりも、より環境に優しいアプローチである。

2: 主要な発見の重要性

• この触媒システムは、多様な官能基を持つエステルに対応可能である。
• ポリエステル廃棄物を、有用な化学物質に変換できる可能性を示した。
• 単一フラスコで、多段階反応を連続的に行うことができ、合成効率が向上する。
• この触媒反応により、α-アルキル化アルデヒドやアミンにアクセスできるようになる。

3: 先行研究との比較

• 従来のZrH触媒を用いたエステル還元は、アルコールへの完全還元が一般的であった。
• 本研究では、アミン添加による中間体の捕捉により、この問題を解決した。
• 先行研究では、DIBAL-Hなどを用いたセミ還元法が用いられていたが、これらの試薬は危険性や低温での反応が必要であった。
• 本研究では、より安全で扱いやすい触媒と還元剤を使用している。

4: 研究の限界点

• 高温下では、ニトリルの還元が競合的に起こる可能性がある。
• 立体的にかさ高いエステルは、還元が困難である。
• 触媒の活性種に関する詳細なメカニズムは、現在研究中である。
• ジルコニウムの「X」配位子の特定と影響についての研究がまだ進行中である。

5: 反応メカニズムの仮説

• 反応メカニズムは、ジルコノセンヘミアセタール中間体を経由すると仮定。
• この中間体が、外部アミンによって捕捉されることで、イミンまたはエナミンが生成する。
• あるいは、アルデヒドが生成後、アミンとの反応が継続的な還元よりも早く進行することで、アルデヒドが保護される。
• 活性触媒には、ZrH錯体（X = Cl）が関与している可能性がある。

結論

• ZrH触媒を用いたエステルのセミ還元変換は、新しい触媒的戦略を提供する。
• アミン添加による中間体の捕捉により、高い選択性と収率を実現した。
• ポリエステル廃棄物の化学的アップサイクルへの応用が可能となる。

将来の展望

• 将来の研究では、触媒メカニズムの解明と触媒活性のさらなる向上を目指す。
• また、より広範な基質への応用と、より効率的な反応系の開発が期待される。

用語集

• セミ還元: 部分的な還元反応
• ジルコノセンヒドリド（ZrH）: ジルコニウムを中心とする触媒
• ヒドロシラン: 還元剤として用いられるケイ素化合物
• イミン: C=N結合を持つ化合物
• エナミン: C=C-N結合を持つ化合物
• DIBAL-H: ジイソブチルアルミニウムヒドリド、還元剤
• PET: ポリエチレンテレフタレート、ポリエステルの一種
• Cp₂ZrCl₂: 二塩化ジルコノセン
• Cp₂ZrHCl: 塩化水素化ジルコノセン
• DEMS: ジエトキシ(メチル)シラン
• PMHS: ポリメチルヒドロシロキサン
• TMDS: テトラメチルジシロキサン

TAKE HOME QUIZ

1. この論文で開発された手法は、どのような変換を可能にするか？ * (a) エステルからアルコールへの変換 * (b) エステルからエーテルへの変換 * (c) エステルからイミン/エナミン、アルデヒド、アミンへの変換 * (d) エステルからカルボン酸への変換

2. エステルからアルデヒドへの直接変換で、従来の有機化学者が最も頻繁に頼る試薬は？ * (a) 水素化ホウ素ナトリウム * (b) 水素化ジイソブチルアルミニウム (DIBAL-H) * (c) リチウムアルミニウムヒドリド * (d) パラジウム触媒

3. この論文で用いられているZrH触媒を用いた場合、これまでの研究ではエステルは何に還元されていたか？ * (a) アルデヒド * (b) アルコール * (c) ケトン * (d) アミン

4. この研究で、ZrH触媒によるエステルの部分還元を可能にした重要な要素は何か？ * (a) 水素化ホウ素ナトリウムの使用 * (b) 光照射 * (c) アミンの存在によるヘミアセタール中間体の捕捉 * (d) 高温反応

解答

1. (c)
2. (b)
3. (b)
4. (c)