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オレフィンメタセシス Olefin Metathesis

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概要

金属アルキリデン錯体触媒存在下、２種のオレフィンの結合の組み替えが起こり、新たなオレフィンが生成する反応。原則として平衡反応なので、生成系に進行させるためには工夫が必要となる（発生するエチレンガスを追い出すなど）。

歴史的経緯

1990年代に入りRobert H.Grubbsらが有効かつ実用性の高い触媒の開発に成功した。これによりオレフィンメタセシスは有機合成化学において頻繁に用いられる反応の一つとなった。

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（Classics in Total Synthesis II より抜粋）

その後さまざまなグループによって触媒の改良が施された。以下に示す触媒が汎用的なものとして知られている。
モリブデンを中心金属とする Schrock触媒は、活性が大変高い一方で、水、プロトン性化合物、空気に不安定であり取り扱いが難しい。
Ru-ベンジリデン型Grubbs第一世代/第二世代触媒は、オレフィン以外の化合物との反応性は低く、官能基受容性や取り扱いの容易さにおいてきわめて優れた性質を備える。ただしSchrock触媒よりも活性の面で劣り、四置換オレフィン合成などへの適用は難しい。

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一人名反応ではあるものの、各方面へ与えたインパクトは測り知れないものがある。2005年ノーベル化学賞は本触媒系の開発に多大な貢献をしたY.Chauvin、R.H.GrubbsおよびR.R.Schrockに与えられた。

基本文献

Calderon, N.; Chen, H. Y.; Scott, K. W. Tetrahedron Lett. 1967, 8, 3327. DOI: 10.1016/S0040-4039(01)89881-6
Calderon, N. Acc. Chem. Res. 1972, 5, 127. DOI: 10.1021/ar50052a002

Tetrahedron Symposia: Tetrahedron 1999, 55, 8141-8162. [link]
Furstner, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 3012. [Abstract]
Trnka, T. M.; Grubbs, R. H. Acc Chem. Res. 2001, 34, 18. DOI: 10.1021/ar000114f
片山博之, 小澤文幸, 有機合成化学協会誌 2001, 59,40.
Vernall, A. J.; Abell, A. D. Aldrichimica acta 2003, 36, 93. [PDF]
Connon, S. J.; Blechert, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 1900. doi: 10.1002/anie.200200556
Schrock, R. R.; Hoveyda, A. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 4592. doi: 10.1002/anie.200300576
McReynolds, M. D.; Dougherty, J. M.; Hanson, P. R. Chem. Rev. 2004, 104, 2239. DOI: 10.1021/cr020109k
Grubbs, R. H. Tetrahedron 2004, 60, 7117. doi: 10.1016/j.tet.2004.05.124
森美和子, 有機合成化学協会誌 2005, 63, 423.
Nicolaou, K. C. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 4490. DOI: 10.1002/anie.200500369
Flynn, D. L.; Hanson, P. R. et al. Aldrichimica acta 2005, 38, 3.
Donohoe, T. J.; Orr, A. J.; Bingham, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 2664. doi: 10.1002/anie.200503512
Shrodi, Y.; Pederson, R. L. Aldrichimica acta 2007, 40, 45.
Hoveyda, A. H.; Zhugralin, A. R. Nature 2007, 450, 243. doi: 10.1038/nature06351
Nolan, S. P.; Clavier, H. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 3305. DOI: 10.1039/B912410C
Vougioukalakis, G. C.; Grubbs, R. H. Chem. Rev. 2010, 110, 1746. DOI: 10.1021/cr9002424

Chauvin, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 3740. doi: 10.1002/anie.200601234
Schrock, R. R. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 3748. doi: 10.1002/anie.200600085
Grubbs, R. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 3760. doi: 10.1002/anie.200600680

反応機構

いずれの触媒を用いても大まかには共通の機構で進行する(Chauvin Mechanism)。

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反応例

1990年代以降に開発された触媒でここまで広く用いられるものは他に類を見ない。あらゆる研究領域での応用例が膨大に知られている。詳しくは参考文献の成書を参照されたい。
精密有機合成、特に大環状化合物合成においては、RCMはマクロラクトン化と同様、ほぼ定石扱いとなった。これにより、多くの逆合成解析は激変した。マクロラクトン化にない特徴として、タンデム反応により複数の環を一挙に構築できることも手法の強力さの一つである。

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メタセシス触媒は精密有機合成のみならず、ポリマー合成にも大きなインパクトを与えた。官能基受容性が高いため、これまでは合成困難であった多官能基性ポリマーも合成できる。また、サイクリックポリマーという全く新しいポリマーの合成法も開拓されている。

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構造チューニングを施した高活性Hoveyda-Grubbs型触媒は、通常Schrock型でしか為しえなかった四置換オレフィン合成にも用いることができる。[1]

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ROMとジビニルシクロブタン転位（変形Cope転位）を組み合わせた二環性骨格の効率的合成

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Gambierolの全合成

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高活性な不斉RCM触媒[2]

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Z-選択的なオレフィンメタセシス反応[3]：金属下半分を完全にブロックしてしまえるような嵩高いBINOL誘導体を用いることがポイント。これにより通常は不利となる「オレフィンの置換基同士がcis位に位置する遷移状態」が有効になる。

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ルテニウム触媒を用いたZ体選択的クロスメタセシス反応[4]:Rh-3b触媒を用いると、これまで適用が困難もしくは不可能であったアルコールやカルボン酸などを有する基質に対しても、高選択的にZ体のオレフィンを得ることができる。

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実験のコツ・テクニック

※ All Things Metathesisは、Grubbsが創立したメタセシス専門のベンチャー会社Materiaが運営するブログである。各触媒や反応条件ごとに特長・違いなどをまとめ、検討に役立つ多くの情報を提供してくれている。是非とも参考にしたい。
※ Grubbs触媒は、空気中で秤量できるが、溶媒の残存酸素には敏感に反応してしまう。脱気溶媒を用いると収率面でベター。

参考文献

Stewart,I.; Ung, T.; Pletnev, A. A.; Berlin, J. A.; Grubbs, R. H.; Schrodi, Y. Org. Lett. 2007, 9, 1589. DOI: 10.1021/ol0705144
Malcolmson, S. J.; Meek, S. J.; Sattely, E. S.; Schrock, R. R.; Hoveyda, A. H. Nature 2008, doi: 10.1038/nature07594
Meek, S. J.; O’Brien, R. V.; Llaveria, J.; Schrock, R. R.; Hoveyda, A. H. Nature 2011, 471, 461. doi: 10.1038/nature09957
Koh, M. J.; Khan, R. K. M.; Torker, S.; Yu, M.; Mikus, M. S.; Hoveyda, A. H. Nature 2015, 517, 181. DOI: 10.1038/nature14061