化学者のつぶやき

従来のオレフィン合成法といえば、E2脱離反応や、前述したアルデヒドとリンイリドをカップリングさせるWittig反応などがよく知られています(図1上)。

一方で、生体内では酵素の働きにより官能基を脱離させることによってオレフィンを生成する合成法が存在します。生体内の重要な代謝酵素、シトクロムP450はアルデヒドを脱離する（脱ヒドロホルミル化）ことでオレフィンをつくっています（図1下）。

「この変換反応を人工触媒の力でできないか？」

と考え、実現したのが、今回の論文の代表著者である米国カリフォルニア大アーヴァイン校のVy Dong教授です。

図1 典型的なオレフィン合成と生体内のオレフィン合成

それでは実際にどのような反応を設計したのでしょうか。Dong教授が着目した化学種はRh–アシル種1です。このRh錯体1は、アルデヒドのカルボニルC–H結合がRh(I)に酸化的付加することで生成することが知られています[1]。この化学種は、オレフィンと反応してヒドロアシル化を起こすこと(path A)[2]、またカルボニルが金属中心に転位して脱カルボニル反応を起こすこと(path B)[3]がこれまでに見出されていました。

今回は、Dong教授は反応条件を綿密に調整し、既存のこれらの反応を抑制して、脱ヒドロホルミル化反応の開発を目指しました (図2)。

図2 Rh-アシル種を経由するこれまでの反応と今回の反応

発想は至ってシンプルです。”アルデヒドを移しかえる”ことができればよいのです (図3)。すなわち、別のオレフィンを「ホルミル基アクセプター」として用いて、出発原料のアルデヒドのCO(青)と水素(ピンク )をそっくりそのまま移す、というものです。しかし、ここで勘のいい方ならお気づきかもしれませんが、移しかえた先にできるものもアルデヒドです。つまり、移しかえた先からまたCOと水素が戻り、平衡反応になってしまうという問題点があり、ホルミル基アクセプターになんらかの工夫が必要となります。

図3 “アルデヒドを移し替える”

そこで、選んだ「アクセプター」は、ノルボルナジエン。ノルボルナジエンは歪んだオレフィンであるため、逆反応は不利であるという性質を使いました。その結果、ほぼ定量的に目的のオレフィンを得ることに成功しています。反応後の粗生成物にはノルボルナジエンのヒドロホルミル化体が観測されており、Dong教授らのデザインした反応がしっかり実現したことを意味しています。特筆すべきことに、このノルボルナジエンをベンゾノルボルネンへと変更することで、反応温度を室温まで下げることができます。

図4　Dongらが開発したRh触媒を用いた反応条件

かなり専門的な話になりますが、反応機構を紹介します。図5の Rh種Aから触媒サイクルはスタートし、アルデヒドC–H結合の酸化的付加(A→B)、カルボン酸の還元的脱離(B→C)、続くカルボニルの転位、β水素脱離(C→D)を経てオレフィン錯体を生成します。次が肝心のオレフィン交換ステップであり(D→D’)、ここで目的物の脱ヒドロホルミル体が得られます。ここから先は触媒サイクルの初めに戻る反応になりますが、よく見てみると、すべてAからDまでの経路の逆反応なのです。ただ違うのはRh上に結合しているのが原料のアルデヒド由来の化合物か、ノルボルナジエン由来の化合物か、だけです。ノルボルナジエンを用いることで、D’からC’のステップを不可逆反応にできたことが本反応のミソです。また、ここでは詳細は述べませんが、用いているRh錯体Aに配位しているカルボキシラートの役割も非常に重要で、芳香族カルボン酸でないとうまく反応は進行しません。詳しくは論文を読んでいただけたらと思います。

図5　想定されている反応機構