炭素－水素結合を利用する触媒的分子変換反応は、本申請者が世界に先駆けて開発に成功した後、この20年以上にわたり世界規模で研究が行われています。これらの反応では、パラジウムやロジウムといった貴金属を触媒に用いることがほとんどであり、長きにわたって利用可能な鉄等のベースメタルを用いる触媒反応の開発が求められています。本研究では、将来にわたり持続的に利用可能な新規触媒的官能基導入法として炭素－水素結合を利用する手法の開発を目指しました。特に、遷移金属の中で地殻中に最も多く存在し、安全・安価な鉄を触媒に用いる有機合成手法に注目して研究を実施しました。合成・単離可能なFe(PMe3)4錯体を触媒に用いて芳香族ケトンをメチレンシクロプロパン類の反応により、炭素－水素結合切断と炭素－炭素結合切断を経るカップリング反応を行い、既存法では導入が困難なホモアリル基の導入を可能とする合成手法を開発することに成功しました。
この反応は、これまで報告されている炭素－水素結合の炭素－炭素不飽和結合への付加反応では達成が困難な位置選択性で芳香環にホモアリル基を導入することができる画期的な合成手法です。反応の適用範囲を検討したところ、芳香族ケトンを基質に用いた場合に効率的に反応が進行することを見出だしました。メチレンシクロプロパン類としては、３員環のsp3炭素上にアリール基やアルキル基をもつ基質でも効率的に反応が進行することを明らかにしました。生成物の更なる分子変換として、ケトンカルボニル基と導入したホモアリル基のアルケン部位の間でのメタセシス反応により、６員環骨格を構築できることも明らかにしました。
この様に、本研究で開発した合成手法は、安価な鉄触媒を用いて達成できるだけでなく、分子変換法としても新規性が高いものです。
Over the past 20 years, transition-metal-catalyzed functionalization of unreactive carbon-hydrogen bonds has been widely studied. So far, many studies regarding this research subject have been reported. Unfortunately, however, most of these reactions need to use noble metals, such as rhodium, palladium, platinum, and ruthenium, which are expensive and somewhat toxic, as a catalyst to accomplish the reactions. From the point of the necessity of developing sustainable organic synthetic methods, the use of base metals such as iron, nickel, and cobalt as a catalyst is strongly demanded because of their cost-effectiveness and low toxicity. Among the base metals, iron is highly attractive because it is available cheaply and facilely.
The reaction of aromatic ketones with methylenecyclopropanes was performed using isolable Fe(PMe3)4 complex as a catalyst. When the reaction of p-trifluoromethylpivalophenone with 2-phenyl-1-methylenecyclopropane was carried out using 5 mol % Fe(PMe3)4 in THF at 70 °C in a sealed tube, C-H homoallylation reaction took place at the ortho position in good yield. Even though this homoallylation reaction might provide regioisomers, the phenyl group is selectively installed at the 2-position of the homoallyl group. Various aromatic ketones such as pivalophenones, acetophenones, propiophenones, fused-bicyclic ketones benzophenones are applicable for this C-H homoallylation reaction. The C-H homoallylation reaction was applied to the convenient synthesis of a 1,2-dihydro naphthalene derivative using a molybdenum mediated metathesis reaction.