有機金属化学 (http://www.scc.kyushu-u.ac.jp/yuki/classes/orgmet.html) 講義内容 (1) 有機典型金属化合物の調製法 (2) 有機典型金属化合物の反応 (3) 有機金属錯体の反応 (4) 触媒的不斉水素化 (5) クロスカップリング (6) 溝呂木 ヘック反応 (7) オレフィンメタセシス (8) 石油化学工業での均一系触媒反応 置換基の略号略号 略号 略号 C 3 t-am C 2 5 (C 3 ) 2 C Ts 4-C 3 C 6 4 2 Et C 3 C 2 ex C 3 (C 2 ) 5 Tf CF 3 2 Pr C 3 (C 2 ) 2 Cy cyclohexyl T 3 i i-pr (C 3 ) 2 C C 6 5 Bn C 2 Bu C 3 (C 2 ) 3 o-tol 2-(C 3 )C 6 4 Bz C() i-bu (C 3 ) 2 CC 2 p-anis 4-(C 3 )C 6 4 s-bu C 2 5 (C 3 )C 1-p 1-naphthyl t-bu (C 3 ) 3 C Ac C 3 C() 参考書 (1) 有機金属化学 ( 山本明夫著 ) 東京化学同人 (IB978-4-8079-0857-8) (2) 有機金属化学 ( 植村榮 大嶌幸一郎 村上正浩著 ) 丸善 (IB978-4-621-08199-0) (3) 有機合成のための遷移金属触媒反応 ( 辻二郎著 ) 東京化学同人 (IB978-4-8079-0681-9) (4) ヘゲダス遷移金属による有機合成第 3 版 ( 村井眞二訳 ) 東京化学同人 (IB978-4-8079-0736-6) (5) 有機遷移金属化学 ( 上 )( 下 ) (John artwig 著 訳本 ) 東京化学同人 (IB978-4-8079-0850-9, IB978-4-8079-0851-6) (6) Comprehensive rganometallic Chemistry III Elsevier (http://www.sciencedirect.com/science/referenceworks/9780080450476) 周期表 e Be B C F e a g Al i P Cl Ar K Ca c Ti V Cr n Co i Cu Zn Ga Ge As e Kr b r Y Zr b o Tc u h Pd Ag Cd In n b Te I e Cs Ba f Ta W e s Ir Pt Au g Tl Pb Bi Po At n Fr a f Db g Bh s t Ds g Cn 1
1. 有機典型金属化合物の調製法 有機典型金属化合物 (, g など ) の特徴 炭素 金属結合をもつ 炭素アニオンとして求電子的な化合物と反応する ( 求核剤 ) 金属の電気陰性度により反応性が大きく変化する, g, Cu 水や酸素に対して不安定であり 空気中での単離が困難である 反応が暴走する可能性がある アリル (C 2 =CC 2 ) 体 ベンジル (C 2 ) 体の合成は難しい B, i, n 水や酸素に対して比較的安定である (1) 直接法 空気中で単離できる 有機ハロゲン化物と金属単体とを反応させる = etc. 注意点 2 = g, Zn etc. 溶媒の選択が重要 (TF, Et 2, toluene, hexane, etc.) 金属の形状 ( 柱状 削状 ワイヤー 粉末 ) 粒径 不純物に注意 反応前に活性化すると良い の場合 a の含有量で反応性が変わる Zn の場合 Zn Cu 合金を使うことが多い 反応機構 直接法の特殊な方法 (a) 金属ナフタレニド [ ] [ ] TF 金属を有機溶媒に可溶化する 低温 (0 以下 ) で有機リチウムを発生できる = I,, Cl ナフタレン以外に 次の化合物も利用できる 2 t-bu t-bu (b) ieke 法 n n a or K = 金属 = ハロゲン Tetrahedron, 53, 1925 (1997). ナフタレニドにより n が還元され 活性な金属微粒子 ( ) が生成 大抵の金属ハロゲン化物が利用できる 低温で は と有機ハロゲン化物と反応し を与える を ieke metal とよぶ (c) Knochel 法 Et 2 C Cl によって亜鉛が活性化される エステルを共存させて有機金属反応剤を発生できる 参考 ). Uchiyama et al., Chem. Eur. J., 16, 1780 (2010). (2) ハロゲン 金属交換反応 有機ハロゲン化物と有機金属化合物との反応 平衡反応である I cat. n a or K Zn, Cl TF Angew. Chem. Int. Ed., 45, 6040 (2006). pk a が < の ( が安定な ) とき 反応がうまく進行する "" ( = C 2 Et) ' ' ZnI Cl CuC 2 Cl 比較的よく利用される ( 直接法がうまくいかないとき スケールが小さいとき ) Bu Bu (pk a = 50) (pk a = 43) 94% =, g = I,, e, Te etc. 2
ターボ Grignard 反応剤 (i-prgcl Cl) i-pr i-pr g Cl g Cl g と Cl の混合物に i-prcl を滴下して調製する ただの i-prgcl よりも反応性が高く 低温で反応する エステルやニトリルをもつ Grignard 反応剤が調製できる (3) 金属 金属交換反応 (a) 有機金属 有機金属 TF, r.t. i-prgcl Cl TF, 50 C 2 h Angew. Chem. Int. Ed., 43, 3333 (2004). 特殊な有機金属 ( 例. アリルリチウム ) の合成以外 ほとんど用いられない 平衡反応であり カルボアニオンの安定性によって平衡が支配される 上のような反応 ( 電気陰性度 : 小 : 大 ) の場合 pk a が < のとき 反応がうまく進行する (b) 有機金属 金属ハロゲン化物 g i-pr ( ) i-prgcl Cl 有機亜鉛 スズ ホウ素 ケイ素の合成に広く利用されている 鈴木 宮浦カップリング 根岸カップリングをする際には必須 と の安定性により平衡が支配される ( 電気陰性度 : 大 : 小 ) はアルコキシ基も利用できる ( 特に B の場合 ) gcl Cl ' ' ' ' n 4 t-buc 89% = a,, g etc. ' = n 3, B 2 4 4 4 n ' n n 1 ' t-bu n = ZnCl 2, 3 ncl, 2 B etc. ' =, g (4) 金属 水素交換反応 比較的酸性度の高い (pk a 40 以下 )C 結合の水素原子を強塩基で引き抜く ' ' 主に有機リチウムの合成に利用される 芳香族複素環 α- ヘテロ置換の有機リチウムの優れた調製法になる 酸 塩基反応であり 有機リチウムの安定性によって平衡が支配される pk a が < のとき 反応がうまく進行する C(sp) ルイス塩基性官能基を近傍にもつ C(sp 2 ) ヘテロ原子の α 位にあ る C(sp 3 ) のメタル化に利用可能 よく利用される塩基 Bu, s-bu, t-bu, Etg, i-pr 2, a etc. ( 市販されている ) しばしば利用される塩基 Bu K(t-Bu) (chlosser 塩基 ), i-pr 2 g Knochel auser 塩基 (1) Bu / TEDA i-prgcl Cl 1 TF 55 to 40 C 2 h 金属 水素交換反応で Grignard 反応剤が合成できる C 結合は反応しない TF gcl Cl gcl Cl 1 I 2 67% I Angew. Chem. Int. Ed., 45, 2958 (2006). 3
1,3- ジチアンのリチオ化 Bu (pk b = 50) (pk a = 31) オルトリチオ化 (5) ヒドロメタル化 J. Am. Chem. oc., 118, 685 (1996). J. Am. Chem. oc., 92, 5389 (1970); Bull. Chem. oc. Jpn., 53, 1138 (1980). 金属水素化物のアルケンやアルキンへの付加 (i-pr) 2 2 or 有機ホウ素 スズ化合物の合成に頻繁に利用される 位置選択性の制御を行う必要がある n-bu, ( )-parteine Bu 1. C 2. Ag 3 アルキンの反応では 立体選択性 (E/Z) の制御も必要である 2 (i-pr) 2 up to 99% ee Bu / TEDA or 2 (a) ヒドロホウ素化 (hydroboration) Bu B 2 Bu B 2 Bu B 3 TF ( 2 CC) 2 B B シン付加 反マルコフニコフ選択的 ( 見かけ上 ) ホウ素上の置換基によって 位置選択性が変化する 9-BB- が利用されることが多い アルケンだけでなく アルキンも反応する (b) ヒドロスタニル化 TP (9-BB-) nbu 3 AIB AIB = C 94 : 6 99 : 1 99.9 : 0.1 TP 触媒量のラジカル開始剤 (AIB) の存在下で ラジカル機構で反応する 熱力学的に安定な生成物が主生成物になる C B 2 E/Z > 9/1 nbu 3 4
2. 有機典型金属化合物の反応 (1) カルボニル化合物への求核付加 (a) ケトン アルデヒドへの求核付加 " ' (i) が通常の置換基の場合 =, g 無触媒で反応が進行する 塩基性が高く 脱プロトン化をおこす可能性があるので 要注意 = Ce 2 (?) 無触媒で反応が進行する J. Am. Chem. oc., 111, 4392 (1989); rg. ynth., 76, 228 (1999). 塩基性が低く エノール化しやすいカルボニルへの求核付加に利用できる or g と CeCl 3 ( 無水 ) を混合して調製する LaCl 3 2Cl Bug 3 TF ' Bug CeCl 3 (1:1) " Bu 18 36% 98% = B() 2 ' B() 2 h 触媒が必要 触媒的不斉反応が可能 = Zn ( 触媒的不斉求核付加 ) ( )-DAIB cat. Et 2 Zn toluene 0 C, 6 h ( )-DAIB = 2 h cat. Angew. Chem. Int. Ed., 37, 3279 (1998). J. Am. Chem. oc., 111, 4028 (1989); 117, 4832 (1995). ジエチル亜鉛 (Et 2 Zn) がアルデヒドに求核付加するためには触媒が必要 DAIB と Et 2 Zn から生じる亜鉛錯体が触媒になる DAIB は光学活性なので 光学活性な生成物が生成する (: = 99:1) (ii) = C 2 =CC 2 -( アリル ) の場合 アリル金属化合物の特徴 (σ π 平衡 ) 0 mol % 2 mol % 100 mol % ' ( )-DAIB yield, % ee, % 0 97 0 Et 98 LnCl 3 6 2 2Cl LnCl 3 2Cl (0.3 0.5 solution in TF) (Ln = La, Ce, d) σ- アリル金属 π- アリル金属 gcl Cl with LaCl 3 2Cl (1.0 eq) without LaCl 3 2Cl TF 0 C, 0.5 h 93% 0% 77% Angew. Chem. Int. Ed., 45, 497 (2006). LaCl 3 の 6 水和物と塩化リチウムを水中で反応後 真空加熱乾燥して調製 基質のエノール化や還元を抑制できる イミンへの求核付加の場合 触媒量の添加で効果がある = K, π-アリルが安定 = g, B 2, i 3, n 3 σ-アリルが安定 = i 3, n 3 平衡でない (π-アリルにならない) アリル金属反応剤の反応の特徴 α-attack 'C ' α- vs γ- γ-attack ' ' ' E- vs Z- anti- vs syn- 5
位置選択性 (α- vs γ-) 立体選択性 = アリル金属は ieke 法で調製 アリル Grignard 反応剤 γ 選択的 アリルバリウム反応剤 α 選択的 L 2 = pinacol etc. アリルホウ素反応剤 γ 選択的 Bu, t-buk C Bu, t-buk C i 3 EtC E 100% C 78 C gcl CaCl BaCl CeCl 2 α-adduct α/γ 47/53 <1/99 12/88 92/8 72/28 γ-adduct E/Z (α) >99/1 98/2 98/2 >99/1 J. Am. Chem. oc., 111, 4028 (1989); 117, 4832 (1995). K K TiCl 4 78 C BL 2 BL 2 BL 2 E : Z = 93 : 7 anti : syn = 94 : 6 BL 2 E : Z = 5 : >95 Et syn : anti = 95 : 5 anti : syn = 4 : 96 J. rg. Chem., 46, 1309 (1981). Et Et syn : anti = 69 : 31 Tetrahedron Lett., 17, 1295 (1976); 24, 2865 (1983). ルイス酸 (TiCl 4 ) によって反応が促進される (osomi akurai 反応 ) アリルケイ素反応剤は γ- 選択的に反応する (b) α,β- 不飽和カルボニル化合物への求核付加 特徴 1 EtC 1,2- 付加と 1,4- 付加が競争する ( 選択性を制御することが重要 ) 選択性を支配する因子 電荷 軌道係数 立体反発 (1 つの目安 ) i 3 E : Z = 3 : 97 a 3 2 b hard な求核剤 (pk a > 25) 1,2- 付加 ( 電荷による ) soft な求核剤 (pk a < 25) 1,4- 付加 (LU の軌道係数による ) 参考アクロレイン (2-propenal) の電荷と LU の軌道係数 (i) α,β- 不飽和アルデヒドの場合 0.366 0.616 TiCl 4 78 C 0.327 0.427 0.489 0.598 0.365 0.533 Bu g Bu 2 Cu TCl 3 1 3 2 1 2 1,2-addition 1,4-addition (path a) (path b) 上段 : 電荷密度 下段 : LU の係数 1,2-addition 1,2- : 1,4- >99 : 1 >99 : 1 1 : >99 1,4-addition Tetrahedron, 36, 2305 (1980). 6
基本的に 1,2- 付加で反応する 3 icl( ルイス酸 ) の存在下 有機銅反応剤は 1,4- 付加で反応する 3% h(acac)(c) 2 DPPB B() 2 / 2 rganometallics, 16, 4229 (1997). 有機ホウ素反応剤の場合 触媒が必要 (h 触媒の場合 1,2- 付加 ) (ii) α,β- 不飽和ケトンの場合 DPPB = 2 P(C 2 ) 4 P 2 1,2-addition J. Am. Chem. oc., 111, 4392 (1989); rganometallics, 16, 4229 (1997). K gcl CaCl BaCl CeCl 3 g g CeCl 3 B() 2 cat. h DPPB 1,2-addition 1,2- : 1,4- >99 : 1 38 : 62 95 : 5 72 : 28 <1 : 99 2 Cu 59% 1,2- : 1,4-85 : 15 98 : 2 <1 : 99 91 : 9 <1 : 99 1,4-addition 1,4-addition J. Am. Chem. oc., 116, 6130 (1994). 基質の形状 金属によって選択性が変わる 通常 1,2- 付加の場合 有機リチウム反応剤を 1,4- 付加の場合 有機銅反応剤 (or g CuI 触媒 ) を用いる その他 有機セリウム反応剤 1,2- 付加 有機ホウ素反応剤 h 触媒 1,4- 付加 (iii) 3 成分カップリング 1,4- 付加の反応機構 1 3 2 3 3 1 2 enolate El 有機金属の 1,4- 付加により直接生成する化合物は エノラートである このエノラートは求電子剤と反応するか? T 4 n PA TB CuI, 2.6 Bu 3 P I C 2 C 2 T C 2 El (electrophile) 1 1 TB T TB J. Am. Chem. oc., 107, 3348 (1985); 110, 4718 (1988). C Al ALB 10% ALB 3 3 2 2 C 2 C 2 64%, 91% ee C 2 Angew. Chem. Int. Ed., 35, 104 (1996). 7
Ar B 2 C 1 (c) カルボン酸誘導体との反応反応機構 1.5% [h()(cod)] 2 1 2 toluene, 20 C Ar ca. 90% syn/anti = ca. 10/1 J. Am. Chem. oc., 124, 10984 (2002).,-ジメチルホルムアミド (DF) (DF) Bu C 2 TEDA C 70% J. rganomet. Chem., 412, 381 (1991). 有機リチウム化合物からアルデヒドを合成できる (d) ニトリルとの反応 ' = " (ester), Cl (acid chloride), (acid) 通常は 1 が反応溶液内で分解してケトン 2 が生じ 3 が生成する 1 の段階で反応を止め 酸で加水分解すれば 選択的に 2 が得られる (i) アルコールとケトンの作り分け 1 第 3 級アルコールの合成は エステル g ケトンの合成には 酸塩化物 有機銅 Weinreb アミド 2 ' 1 () Cl ' ' 3 Al 3 = g, ' Weinreb amide Tetrahedron Lett., 18, 4171 (1977); ynth. Commun., 12, 989 (1982). Tetrahedron Lett. 22, 3815 (1981). カルボン酸誘導体からケトンを合成したいときに有用 Cl 有機金属反応剤の代わりに Al 4 を用いると アルデヒドが生成する 2 ' g g 2 2Cu ' 3 ' ' ' ' product 2 1 2 1 2 3 C ' g ケトンの合成法として有用 (2) 有機ハロゲン化物への求核置換 (a) Wurtz 反応 a Wurtz Fittig 反応 (b) 有機銅反応剤の反応 (Gilman 反応 ) (i) Diorganocuprate 2 CuI 特徴 Bu Cu 上の は一つだけ反応 求電子剤の反応性 ( 利用されることはほとんどない ) a Et 2 J. rg. Chem., 17, 1630 (1952). C > C > Ts, epoxide > I > ketone > C 2 > C の反応性 C(sp 3 ) (alkyl) > C(sp 2 ) (aryl, alkenyl) > C (sp) (alkynyl) の反応性 1 alkyl > 2 alkyl > 3 alkyl, alkenyl, aryl = allyl, propargyl の場合 (α- va γ-) 2 Cu g 3 ' ' Bu 70% ' ' 8
' ' 2 Cu (ii) igher rder Cyanocuprate 特徴 diorganocuprate よりも安定で 使いやすいことが多い 第 2 級アルキルハロゲン化物とも反応する Cu 上の は一つだけ反応 (iii) ixed gand Cuprate 特徴 ' 2 Cu =, Cl = Ac cuprate の発生に必要な は 1 当量で K チオフェンは求電子剤と反応しない α-attack α-selective γ-selective γ-selective ' γ-attack 2 CuC 2 Cu(C) 2 igher rder Cyanocuprate Bu Cu(C) 2 Cu(C) CuC ' C Cu(C) (commercially available) Cu(C) 2 82% C J. rganomet. Chem., 285, 437 (1985). (3) エポキシドの求核的開環反応 (a) =, g エチレンオキシドとの反応には有用 (2 炭素の増炭反応 ) 置換エポキシドとの反応では 副反応がおこりやすい ( 脱プロトン化など ) BF 3 Et 2 の添加により収率が改善することがある (b) = Cu Pr Cu igher rder Cuprate のほうが良い 立体障害が小さな炭素と反応 Cu 上の置換基の反応性 C(sp 3 ) > C(sp 2 ) > C(sp) (4) ハロゲン化 Pr (a) 有機リチウム Grignard 反応剤のハロゲン化 ハロゲンカチオン ( ) を発生する化合物と反応し 有機ハロゲン化物を与える = I の場合 I 2, IC 2 C 2 I Cu(C) 2 Bn = の場合 2, C 2 C 2, CCl 2 CCl 2, 2 CC 2, C = Cl の場合 C (B の塩素類縁体 ) 金属 水素交換反応で調製した有機金属化合物を基質にする Pr Pr =, g, Al, Cu PrCu(C) 30% Pr 2 Cu(C) 2 86% 99% Bn [ ] =, g 9
(b) 有機ホウ素 スズ ケイ素化合物のハロゲン化 ヒドロメタル化とセットで利用する ( 通常 反 arkovnikov 選択的 ) 基質がアルケン 基質がアルキン ハロアルカンが生成 ハロアルケンが生成 ヒドロホウ素化 ハロゲン化 9-BB ヒドロスタニル化 ハロゲン化 ハロアルケンの合成に頻繁に利用される 生成したヨウ化アルケニルを利用して 炭素 炭素結合の形成に利用する 有機ケイ素化合物のハロゲン化 nbu 3 cat. PdCl 2 (P 3 ) 2 i 3 1. 2 icl 3 2. a 2 B J. Am. Chem. oc., 102, 3267 (1980); Tetrahedron Lett., 33, 7185 (1992). ハロゲン化によって立体化学は反転する 光学活性ハロゲン化物の合成にも応用可能 nbu 3 I 2 cat. ()-P [Pd] icl 3 1. KF 2. B I (5) 一酸化炭素の挿入反応 (i) 有機リチウム Bu C 110 C Bu Bu ' J. rg. Chem., 48, 1144 (1983); Tetrahedron Lett., 24, 4907 (1983). 炭素 金属結合への一酸化炭素の挿入により アシルアニオン等価体が生成 ( 潜在的に ) 様々なケトンの合成に有用である (ii) 有機ホウ素化合物 B C ホウ素上の は一つずつ C へ転位し A, B を経て C が生成する 中間体 A, B の段階で転位を止めて そこから分子変換できる 中間体 A からの反応 B ヒドリド還元剤の存在下で反応を行う 発生した中間体 A はすぐに D に還元されるので B は生成しない 第 1 級アルコール ( 加水分解 ) アルデヒド ( 酸化 ) が得られる ' Bu ' B C B C B C slow B C A B C C Al() 3 B C A C B D 2 2, C 2 C 10
中間体 B からの反応 B C 2 水の存在下で反応を行う 発生した中間体 B は水によって求核置換され E に変換される B から C への転位は加水分解より遅いので C は生成しない 第 2 級アルコール ( 加水分解 ) ケトン ( 酸化 ) が得られる 中間体 C からの反応 C B アルコールを溶媒にする ( 中間体 B は加溶媒分解されない ) 第 3 級アルコール ( 酸化 ) が得られる (6) その他の反応 B C B B C C B C E 2 2 a aq. (a) 有機リチウム Grignard 反応剤の官能基化 P 2 Cl 2 P(') 2 =, g C 2 2 2 2, C C 2 (b) 有機ホウ素化合物の反応 C 1 2 2 Cl 2 C Et 3 C 1 2 Cl 2 3 (c) Peterson オレフィン化 C 3 ic 2 B エノール化しやすいケトンやアルデヒドのオレフィン化に有用 (Wittig 反応では難しい場合がある ) 2 2, C 3 C 2 D ' 3 ケイ素の脱離の反応条件を選ぶことにより E 体 Z 体の作り分けが可能 " 3 i ' gcl 3 K " 3 i ' 2 " 3 i ' 2 i 3 C 2 D ' 3 or a anti-elimination syn-elimination ただし 原料の立体選択的な合成は ' ' C 2 PCl 3 2 Cl 2 P 3 2 Cl 有機リン化合物やカルボン酸の合成などにも利用される 11