有機ゆうき分子ぶんし触媒しょくばい

有機ゆうき分子ぶんし触媒しょくばい（ゆうきぶんししょくばい、organocatalyst）は、金属きんぞく元素げんそを含ふくまず、炭素たんそ・水素すいそ・酸素さんそ・窒素ちっそ・硫黄いおうなどの元素げんそから成なる、触媒しょくばい作用さようを持もつ低てい分子ぶんし化合かごう物ぶつのことである。単たんに「有機ゆうき触媒しょくばい」と呼よばれることもある。2000年ねんにデイヴィッド・マクミランによって提唱ていしょうされた。

この定義ていぎでは、例たとえばアシル化か反応はんのうに用もちいるDMAPのような単純たんじゅんな化合かごう物ぶつも有機ゆうき分子ぶんし触媒しょくばいの範疇はんちゅうに入はいることになるが、一般いっぱんには精密せいみつな分子ぶんしデザインによって、エナンチオ選択せんたく的てき反応はんのうなど高度こうどな反応はんのう制御せいぎょを行おこなう触媒しょくばいを指さすケースが多おおい。

概要がいよう

20世紀せいき後半こうはんに急速きゅうそくに発達はったつした不ふ斉ひとし触媒しょくばいは、そのほとんどが金属きんぞく元素げんそに不ふ斉ひとし要素ようそを持もった配はい位い子こを配はい位い結合けつごうさせたものであった。しかし2000年ねんにマクミランは金属きんぞく元素げんそを持もたない二に級きゅうアミン誘導体ゆうどうたいによって不ふ斉ひとしディールス・アルダー反応はんのうが行おこなえることを示しめし^[1]（マクミラン触媒しょくばい）、「有機ゆうき分子ぶんし触媒しょくばい」の概念がいねんを提唱ていしょうした。それ以前いぜんにもこうした分子ぶんしはなかったわけではないが、特とくに同年どうねんにベンジャミン・リストらがプロリンのアルドール反応はんのう触媒しょくばい能のうを報告ほうこくした^[2]ことから一挙いっきょに大おおきな注目ちゅうもくを受うけることとなった。

有機ゆうき分子ぶんし触媒しょくばいはそれまで用もちいられてきた金属きんぞく含有がんゆう触媒しょくばいに比くらべて一般いっぱんに安価あんかである。廃棄はいき物ぶつの毒性どくせいが低ひくいなど環境かんきょう負荷ふかが小ちいさいと見みられるものが多おおくあるが選択せんたく的てき毒性どくせい反応はんのう性せいがある場合ばあいや廃棄はいきした場合ばあいの自然しぜん分解ぶんかい性せいの低ひくいものもあり、グリーンケミストリーの観点かんてんから高たかい有用ゆうよう性せいが期待きたいされながら普及ふきゅうが進すすまない現状げんじょうがある。また水みずや空気くうきに対たいして安定あんていであるため、実験じっけん技術ぎじゅつ的てきな面めんからも大おおきなメリットを有ゆうする。現在げんざい世界せかい的てきに問題もんだいとなっている、レアメタルの不足ふそく・高騰こうとうを解決かいけつする技術ぎじゅつの一ひとつとしても注目ちゅうもくを集あつめている。

有機ゆうき分子ぶんし触媒しょくばいのいろいろ

プロリン及およびその誘導体ゆうどうたい

1970年代ねんだい初頭しょとうに、プロリンを触媒しょくばいとして不ふ斉ひとしロビンソン環たまき化か反応はんのうを行おこなう手法しゅほうが複数ふくすうのグループから報告ほうこくされていたが（ヘイオス-パリッシュ反応はんのう）^[3]、しばらくこの反応はんのうの原理げんりが大おおきく発展はってんすることはなかった。

ところが2000年ねん、リスト、バルバス、ラーナーらにより、プロリンによるアルドール反応はんのうは非常ひじょうに一般いっぱん性せいの高たかいものであり、多おおくの単純たんじゅんなカルボニル化合かごう物ぶつの分子ぶんし間あいだ反応はんのうに対たいして適用てきよう可能かのうであることが示しめされた。この反応はんのうでは、単たんにケトンとアルデヒド、触媒しょくばい量りょうのプロリンをDMSO中なかで撹拌かくはんするという極きわめて単純たんじゅんな操作そうさにより、高こう収おさむ率りつ・高こうエナンチオ選択せんたく的てきに目的もくてきのアルドール付加ふか体たいを与あたえる。このことは世界せかいの化学かがく者しゃに大おおきな衝撃しょうげきを与あたえ、急速きゅうそくにプロリン触媒しょくばいの化学かがくが開花かいかすることとなった^[4]。

プロリン触媒しょくばいアルドール反応はんのうのメカニズムは以下いかのようであると考かんがえられている。まずプロリンとカルボニル化合かごう物ぶつが酸さん触媒しょくばいによってイミニウムカチオンを生成せいせいし、エナミンへと異性いせい化かする。ここにもう一いち分子ぶんしのカルボニル化合かごう物ぶつが付加ふかするが、この際さいプロリンのカルボキシル基もととの間あいだに水素すいそ結合けつごうを介かいした環状かんじょうの遷移せんい状態じょうたいを経由けいゆし、立体りったい選択せんたく的てきに反応はんのうが進すすむ。プロリンは付加ふか体たいと離はなれ、再ふたたび触媒しょくばいサイクルに戻もどる。

このエナミン中ちゅう間あいだ体たいはアルドール反応はんのう以外いがいの反応はんのうにも有用ゆうような中なか間あいだ体たいとなりうる。その後ごアルドール反応はんのうの他ほかにも、マンニッヒ反応はんのう、マイケル反応はんのう、アルデヒドのαあるふぁ位くらい官能かんのう基もと化かなど多数たすうの不ふ斉ひとし反応はんのうへと展開てんかいされ、プロリン触媒しょくばいの化学かがくは大おおきな成果せいかを挙あげている。プロリンは極きわめて安価あんかで毒性どくせいもなく、反応はんのうにも難むずかしい操作そうさを必要ひつようとしないため、理想りそう的てきな触媒しょくばいのひとつと見みなされている。また最近さいきんではプロリンを適当てきとうに修飾しゅうしょくした誘導体ゆうどうたいの触媒しょくばい反応はんのうも検討けんとうされ、さらに応用おうよう範囲はんいが広ひろがっている。

マクミラン触媒しょくばい

二に級きゅうアミンはαあるふぁ,βべーた-不ふ飽和ほうわカルボニル化合かごう物ぶつとイミニウムカチオンを形成けいせいし、LUMOを下さげることによってディールス・アルダー反応はんのうを促進そくしんする。この二に級きゅうアミンとしてフェニルアラニン由来ゆらいのイミダゾリジノン化合かごう物ぶつを用もちい、不ふ斉ひとしディールス・アルダー反応はんのうを行おこなえるようにしたものをマクミラン触媒しょくばいと呼よぶ。有機ゆうき分子ぶんし触媒しょくばいの概念がいねんの先駆さきがけとなった。

不ふ斉ひとし相あい間あいだ移動いどう触媒しょくばい

四よん級きゅうアンモニウム塩しお構造こうぞうを持もつ相あい間あいだ移動いどう触媒しょくばいに不ふ斉ひとし要素ようそを持もたせることにより、不ふ斉ひとしアルキル化か反応はんのうなどを行おこなえる触媒しょくばいが報告ほうこくされている。触媒しょくばいとしては丸岡まるおか啓二けいじらによって開発かいはつされたビナフチル骨格こっかくを持もつもの、キニーネなどシンコナアルカロイド類るいに手てを加くわえたものなどが用もちいられる^[5]。ビナフチル骨格こっかくがある不ふ斉ひとし相あい間あいだ移動いどう触媒しょくばいは丸岡まるおか触媒しょくばい（登録とうろく商標しょうひょう）と命名めいめいされている。

環状かんじょうケトン誘導体ゆうどうたい

糖とうから誘導ゆうどうしたケトンを触媒しょくばいとし、オキソンなどを酸化さんか剤ざいとして不ふ斉ひとしエポキシ化かを行おこなうもの。ジオキシランが活性かっせい中間なかま体たいとなる。史し一いち安やすらが報告ほうこくした。史ふみ不ふ斉ひとしエポキシ化かと呼よばれ、近年きんねん進展しんてんが著いちじるしい^[6]。

チオ尿素にょうそ

チオ尿素にょうそ誘導体ゆうどうたいは、2つの窒素ちっそに結合けつごうしている水素すいそ原子げんしが水素すいそ結合けつごうする際さい、キレートするようにカルボニル酸素さんそを挟はさみ込こむため、弱よわいルイス酸さんとして作用さようする。これを利用りようして不ふ斉ひとしディールス・アルダー反応はんのうなどを触媒しょくばいするチオ尿素にょうそ誘導体ゆうどうたいが報告ほうこくされている。

N-ヘテロサイクリックカルベン

チアゾリウム塩しお、イミダゾリウム塩しおなどに強つよ塩基えんきを作用さようさせて発生はっせいさせるN-ヘテロサイクリックカルベン誘導体ゆうどうたいによって、不ふ斉ひとしステッター反応はんのう、不ふ斉ひとしベンゾイン縮ちぢみ合あいなどが行おこなえることが報告ほうこくされている^[7]。

その他た

シンコナアルカロイドによる不ふ斉ひとし森田もりた・ベイリス・ヒルマン反応はんのう、4-ジメチルアミノピリジン誘導体ゆうどうたいによる不ふ斉ひとしアシル化か反応はんのうなども研究けんきゅうされている。また最近さいきんでは分子ぶんし内ないにルイス酸さん・ルイス塩基えんき部分ぶぶんを併あわせ持もった分子ぶんしによって金属きんぞくを用もちいない触媒しょくばい的てき水素すいそ化か反応はんのうが達成たっせいされ^[8]、注目ちゅうもくを集あつめている。

ノーベル化学かがく賞しょう

有機ゆうき分子ぶんし触媒しょくばいを研究けんきゅうした功績こうせきとして、ベンジャミン・リスト及およびデイヴィッド・マクミランが2021年ねんノーベル化学かがく賞しょうを受賞じゅしょうした^[9]。

参考さんこう文献ぶんけん

^ K. A. Ahrendt et al J. Am. Chem. Soc., 122, 4243 (2000)
^ B. List et al. J. Am. Chem. Soc., 122, 2395 (2000)
^ Z. G. Hajos et al. J. Org. Chem. , 39, 1615 (1974)
^ B. List Tetrahedron, 58, 5573 (2002)
^ K. Maruoka et al. Chem. Rev., 103, 3013 (2003)
^ Y. Shi 有機ゆうき合成ごうせい化学かがく協会きょうかい誌し, 60, 342 (2002)
^ D. Enders et al. Chem. Rev., 107, 5606 (2007)
^ P. A. Chase et al. Angew. Chem. Int. Ed., 46, 8050 (2007)
^ “ノーベル化学かがく賞しょうに米べい独どく2氏し「不ふ斉ひとし有機ゆうき触媒しょくばいの開発かいはつ」”. 毎日新聞まいにちしんぶん. 2021年ねん11月7日にち閲覧えつらん。