JP2020070234A - 遷移金属含有化合物及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記問題に対して、トリフルオロメチル基を有するトリフェニルホスフィンを配位子として用いることで、空気中の酸素等に非常に安定なパラジウム触媒(Superstable Pd)が得られることが開示されている(特許文献4及び非特許文献1)。
すなわち、本発明は、以下の遷移金属含有化合物、パラジウム化合物、その製造方法及びクロスカップリング生成物の製造方法である。
この特徴によれば、環構造又は分岐構造を有する配位子を備えることで、空気中の水分等が中心金属に近づくことを防ぐことができる。更に、電子吸引性の配位子を電子供与性の配位子より多く含むため、中心金属の電子密度を下げることができ、空気中の水分等との反応性を抑制することができる。よって、空気に対する安定性に優れつつ、従来のクロスカップリング触媒と同等又はそれ以上の触媒活性を有する遷移金属含有化合物とすることができる。
この特徴によれば、よりクロスカップリング触媒性能に優れた遷移金属含有化合物とすることができる。
この特徴によれば、よりクロスカップリング触媒性能に優れた遷移金属含有化合物とすることができる。
この特徴によれば、置換基の電気陰性度によって、中心金属の電子密度を制御することができ、空気に対する安定性と、クロスカップリング触媒性能のバランスを制御することができる。
この特徴によれば、シクロアルキル基、アリール基によって、遷移金属含有化合物の疎水性が高まり、空気中の水分から中心金属が攻撃されることを抑制することができる。
この特徴によれば、クロスカップリング反応において、立体的な反発により還元的脱離の進行をより効率的に行うことができる。
この特徴によれば、電子吸引性の配位子が配位した遷移金属に対して、効率的に電子供与性の配位子を配位させることができ、更に、電子吸引性の配位子が電子供与性の配位子より多く配位した状態で遷移金属含有化合物を単離することができる。
式:Ar1−Ar2
(式中:Ar1及びAr2は、無置換もしくは置換のアリール基、無置換もしくは置換のヘテロアリール基、無置換もしくは置換のアルケニル基、又は無置換もしくは置換のアルキニル基を表す。)
式:Ar1−X
(式中、Ar1は、前記の通りであり、Xは、ハロゲン、メタンスルホン酸基、トルエンスルホン酸基、トリフルオロメタンスルホン酸基、又はカルボン酸ハロゲン化物基である。)
式:Ar2−Y
(式中、Ar2は、前記の通りであり、Yは、水素、アルコキシカルボニル基、ニトロ基、ホルミル基、カルボニル基、シアノ基、アミノ基、B(OR1)2、ZnX1、AlR2 2、SnR3 3、MgX2、又はSiR4 3であり、ここで、X1及びX2はハロゲンであり、そしてR1、R2、R3及びR4はそれぞれ独立して水素又はアルキル基である。)
この特徴によれば、本発明の遷移金属含有化合物をクロスカップリング反応の触媒として用いることができるため、効率良くクロスカップリング反応を進行させることができる。
式:―(Ar1−Ar2)o―
(式中:Ar1及びAr2は、無置換もしくは置換のアリール基、無置換もしくは置換のヘテロアリール基、無置換もしくは置換のアルケニル基、又は無置換もしくは置換のアルキニル基を表す。oは(Ar1−Ar2)単位の繰り返し数を表し、1以上の整数である。)
式:X−Ar1−X
(式中、Ar1は、前記の通りであり、Xは、ハロゲン、メタンスルホン酸基、トルエンスルホン酸基、トリフルオロメタンスルホン酸基、又はカルボン酸ハロゲン化物基である。)
式:Y−Ar2−Y
(式中、Ar2は、前記の通りであり、Yは、水素、アルコキシカルボニル基、ニトロ基、ホルミル基、カルボニル基、シアノ基、アミノ基、B(OR1)2、ZnX1、AlR2 2、SnR3 3、MgX2、又はSiR4 3であり、ここで、X1及びX2はハロゲンであり、そしてR1、R2、R3及びR4はそれぞれ独立して水素又はアルキル基である。)
この特徴によれば、本発明の遷移金属含有化合物をクロスカップリング重合の触媒として用いることができるため、効率良くクロスカップリング重合を進行させることができる。
[遷移金属含有化合物]
本発明の遷移金属含有化合物は、下記式(1)で表されることを特徴とする。
第8族から第11族遷移金属から選択される少なくとも1つの遷移金属としては、第8族遷移金属(例えば、鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os))、第9族遷移金属(例えば、コバルト(Co)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir))、第10族遷移金属(例えば、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、白金(Pt))、及び第11族遷移金属(例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au))からなる群から選ばれる少なくとも1つの遷移金属である。その中でも、好ましくは第10族遷移金属であり、より好ましくは白金、パラジウムであり、更に好ましくはパラジウムである。
遷移金属Mとして第8族から第11族遷移金属選に含まれる遷移金属を用いることで、炭素と炭素を直接結合させるクロスカップリング反応の触媒として好ましく用いることができる。
遷移金属Mの酸化数がゼロの状態で単離されることで、クロスカップリング反応に用いる際に、還元処理等の前処理を必要とすることなく、直接使用することができる。また、パラジウムを用いることで、クロスカップリング反応系中で、ゼロ価から2価へ、又は2価からゼロ価への酸化、還元をスムーズに行うことができ、クロスカップリング反応の効率を上げることができるため好ましい。
電子求引性の配位子としては、炭素原子より電気陰性度が大きい基を置換基として1個以上有する配位子であることが好ましい。炭素原子より電気陰性度が大きい基を有する置換基としては、特に限定されないが、例えば、ハロゲン原子、ハロゲン化アルキル基、ホルミル基(CHO)、カルボニル基(C=O)、オキシカルボニル基(O(C=O))、カルボニルオキシ基((C=O)O)、カルボキシル基(COOH)、アミド基(NHCO)、イミド基、ニトロ基(NO2)、シアノ基(CN)、アルコキシカルボニル基から選ばれる基が挙げられる。ハロゲン原子として、フッ素原子(F)、塩素原子(Cl)、臭素原子(Br)、ヨウ素原子(I)が挙げられ、ハロゲン化アルキル基としては、フルオロメチル基等のモノハロゲノアルキル基、ジフルオロメチル基等のジハロゲノアルキル基、トリフルオロメチル基等のトリハロゲノアルキル基等が挙げられ、トリフルオロメチル基が好ましい。
アルコキシカルボニル基としては、特に限定されないが、例えば、炭素原子数2〜10のアルコキシカルボニル基が好ましく、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基等が好ましい。
配位子Aが、炭素原子より電気陰性度が大きい置換基を有することで、電子吸引性の配位子となり、中心金属の電子密度を下げることができ、空気中の水分等との反応性を抑制することができる。
シクロアルキル基としては、特に限定されないが、例えば、炭素原子数5〜10のシクロアルキル基が好ましく、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロオクチル基がより好ましい。
アリール基としては、特に限定されないが、例えば、炭素数5〜30のアリール基が好ましく、縮合環や環が連結した構造のアリール基も好ましい。アリール基としては、1−ナフチル基、2−ナフチル基、アントラセニル基、ピレニル基等の単環式アリール基、フルオレニル基等の縮合環構造、ビフェニル基、ターフェニル基等の連結アリーレン構造等が挙げられる。
また、前記環構造は、前記炭素原子より電気陰性度が大きい基を置換基として有することが好ましい。前記置換基の置換位置は特に限定されないが、例えば、リンに結合したベンゼン環であれば、リン原子が結合した部位を1位とすると、3位及び5位に結合していることが好ましい。
配位子Aが環構造を有することで、遷移金属含有化合物の疎水性が高まり、空気中の水分から中心金属が攻撃されることを抑制することができる。
さらに、分岐アルキル基は、前記環構造と同様に前記炭素原子より電気陰性度が大きい基を置換基以外の置換基(その他の置換基)を有することが好ましい。
配位子Aが分岐アルキル基等の分岐構造を有することで、遷移金属含有化合物の疎水性が高まり、空気中の水分から中心金属が攻撃されることを抑制することができる。
配位子Aは中心金属に対して、単座で配位することで、中心金属付近の立体障害を減らし、より多く配位子を配位させることができ、遷移金属含有化合物の構造安定化に寄与することができる。
電子供与性の配位子として、特に限定されないが、炭素原子数1〜30の炭化水素基が好ましく、例えばアルキル基、シクロアルキル基、カルベン構造を有する構造であることが好ましい。
アルキル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、t−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等が挙げられ、シクロアルキル基としては、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロオクチル基等が挙げられ、カルベン構造を有する構造としては、N−ヘテロ環式カルベン(NHC)構造が挙げられる。
式(1)中、m、nを上記範囲とすることで、電子吸引性の配位子を電子供与性の配位子より多く含むこととなり、中心金属の電子密度を下げることができる。よって、遷移金属含有化合物と空気中の水分等との反応性を抑制することができる。
更に、本発明のパラジウム含有化合物は、下記式(4)で表されることが好ましい。
本発明の遷移金属含有化合物の製造方法は、環構造又は分岐構造を含む電子吸引性の単座配位子Aが配位した、第8族から第11族遷移金属から選択される少なくとも1つの遷移金属Mに対して、電子供与性の配位子Dを反応させることが好ましい。ここで、遷移金属M、配位子A及びの配位子Dは、上記遷移金属含有化合物で説明したものと同様のものである。
具体的には、下記式で表される反応式の方法で反応させることが好ましい。
本発明の遷移金属含有化合物の製造方法における反応時間としては、特に限定されないが、
通常1時間〜48時間である。反応時間として、下限値としては好ましくは4時間以上であり、より好ましくは8時間上であり、更に好ましくは12時間以上である。上限値としては、好ましくは、24時間以下であり、より好ましくは18時間以下である。
反応温度及び時間を上記範囲とすることで、原料を壊さず、効率的に遷移金属含有化合物を合成することができる。
電子供与性の配位子Dをモル数において多く用いることで、より効率的に電子供与性の配位子Dを配位させることができる。
冷却温度は特に限定されないが、0℃未満が好ましく、より好ましくは−20℃以下である。
本発明の遷移金属含有化合物又はパラジウム含有化合物をクロスカップリング反応用触媒として用いて、下記反応式に従って、Ar1−Ar2で表されるクロスカップリング反応生成物を製造することが好ましい。
無置換もしくは置換のアリール基としては、特に限定されず、例えば、無置換の又は置換基を有する芳香族炭化水素基であり、縮合環や環が連結した構造も含まれる。具体的としては、フェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、アントラセニル基、ピレニル基等の単環式アリール基、フルオレニル基等の縮合環構造、ビフェニル基、ターフェニル基等の連結アリーレン構造等が挙げられ、フェニル基、フルオレニル基等が好ましい。
前記電子供与性基及び電子吸引性基としては、上記配位子A及び配位子Dにおいて例示したものと同様のものが挙げられる。
また、X基は有機化学分野において脱離基として知られる基であり、具体的には、フッ素基(F)、塩素基(Cl)、臭素基(Br)、ヨウ素基(I)等のハロゲン基、メタンスルホン酸基(OMs)、トルエンスルホン酸基(OTs)、トリフルオロメタンスルホン酸基、カルボン酸臭化物((C=O)Br、カルボン酸ヨウ化物((C=O)I)等のカルボン酸ハロゲン化物基が挙げられる。中でも、ハロゲンが好ましく、臭素基又はヨウ素基が好ましい。
Y基は、水素、アリール基、アルコキシカルボニル基、ニトロ基、カルボニル基、ホルミル基、カルボニル基、シアノ基、アミノ基、B(OR1)2、ZnX1、AlR2 2、SnR3 3、MgX2、又はSiR4 3であり、ここで、X1及びX2は塩素基、臭素基、ヨウ素基等のハロゲンであり、そしてR1、R2、R3及びR4はそれぞれ独立して水素又はアルキル(炭素原子数が1〜6のアルキルが好ましく、メチル、エチル、t−ブチルがより好ましい)である。アルコキシカルボニル基(例えば、エトキシカルボニル)、又はB(OR1)2(R1は水素である)が好ましい。
本発明の遷移金属含有化合物又はパラジウム含有化合物をクロスカップリング反応用触媒として用いて、下記反応式に従って、−(Ar1−Ar2)O−で表されるクロスカップリング重合生成物を製造することが好ましい。
クロスカップリング反応(重合)は、上記反応式に示す通り一般に触媒的クロスカップリング反応として知られる手順に準じて行う。具体的には、Ar1−X又はX−Ar1−Xで示される化合物と、Ar2−Y又はY−Ar2−Yで示される化合物とを、本発明の遷移金属含有化合物の存在下で反応させる。更に、反応系中に酸又は塩基を存在させることもできる。酸としては、ピバリン酸等の有機酸、塩酸等も無機酸が挙げられる。塩基としては、トリエチルアミン、ピリジン、ナトリウムエトキシド等の有機塩基、又は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の水酸化物、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等の炭酸塩、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等の炭酸水素塩等の無機塩基が挙げられる。
有機溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素溶媒、クロロホルム、塩化メチレン、四塩炭等のハロゲン化アルキル系溶媒、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール系溶媒、酢酸メチル等のエステル系溶媒、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒、酢酸エチル、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド系溶媒、アセトニトリル等のニトリル系溶媒等が挙げられる。また、溶媒として、蒸留精製した水分の含有量が0.1質量%以下である有機溶媒を用いてもよい。
本発明の遷移金属含有化合物の製造方法における反応時間としては、特に限定されないが、
通常1時間〜48時間である。反応時間として、下限値としては好ましくは2時間以上であり、より好ましくは3時間上であり、更に好ましくは4時間以上であり、特に好ましくは5時間以上である。
また、クロスカップリング反応(重合)は、常圧条件、又は加圧下の条件で行うことができる。
1H NMR (400 MHz, acetone-d6, room temperature): δ = 8.13 (s, 6H), 8.09 (br, 12H), 1.83 (d, 6H, J = 12 Hz), 1.73-1.64 (m, 3H), 1.53 (d, 9H, J = 11 Hz), 1.18 (d, 6H, J = 12 Hz), 1.06-0.91 (m, 9H). 31P{1H} NMR (162 MHz, acetone-d6, room temperature): δ24.9, 42.2. Elemental analysis: Found: C 45.40%, H 3.18%, N 0.23%, F 36.46%; Calcd. for C66H51F36P3Pd: C 45.89%, H 2.98%, F 39.59%.
上記で得られた式(4)で表される化合物について、空気中の酸素に対する安定性を評価した。また、比較としてビス(トリシクロヘキシルホスフィン)パラジウム(Pd(PCy3)2)を用いて同様の評価を行った。
評価方法としては、10mLサンプル瓶にそれぞれのパラジウム化合物を加え、大気圧下、空気中において、ホットスターラーで100℃に加熱し様子の変化を確認した。5分経過した時点でPd(PCy3)2は深緑色から黒色へ変化したが、式(4)で表される化合物については変化が見られなかった。図2にパラジウム化合物の色の変化を示す。
次に、構造の変化を確認するために、31P−NMR測定を行ったが、式(4)で表される化合物については、加熱前後でNMRスペクトルに変化は見られなかった。加熱前後でNMRスペクトルの結果を図3に示す。一方、加熱後に黒色に変化したPd(PCy3)2は、トルエン−d8やアセトン−d6等の重溶媒に溶解しないため、分解していると判断した。
上記の結果より、式(4)で表される化合物は、Pd(PCy3)2に比べて空気に対する安定性に優れていることが確認できた。
上記で得られた式(4)で表される化合物を用いて、下記反応式で示されるクロスカップリング反応を行った。また、参考例として、Pd(OAc)2/PCy3HBF4、ビス(トリシクロヘキシルホスフィン)パラジウム(Pd(PCy3)2)のパラジウム化合物を用いて、同様の評価を行った。
25mLシュレンク管にパラジウム含有化合物(0.01mmol)と炭酸カリウム(103.7mg,0.75mmol)をはかりとり窒素置換をした。そこへピバリン酸(pivalic acid:17.5μL,0.15mmol)、4−ブロモアニソール(8)(4-bromoanisole:62μL,0.50mmol)、2−シアノチオフェン(7)(2-cyanothiophene:93μL,1.0mmol)、トルエン(1.7mL)を加え、所定の温度で6時間撹拌した。反応後、減圧乾燥により溶媒を除き、クロロホルム(10mL)とN,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム(sodium N,N-diethyldithiocarbamate)水溶液(44mM,10mL)を加えて4時間撹拌した。その後、分液操作によってクロロホルム層を分取し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒 ヘキサン:酢酸エチル=30:1)による分離精製を行なうことで、淡黄色の固体として目的物を得た。1H−NMRにて基質の4−ブロモアニソールが消費される量を定量した結果を表1に示す。消費した4−ブロモアニソールは、ほぼ全て目的化合物になっていることを確認している。
1H NMR (400 MHz, CDCl3, room temperature): δ3.85 (s, 3H), 6.95 (d, 2H, J = 9.2 Hz), 7.16 (d, 1H, J = 4.0 Hz), 7.53 (d, 2H, J = 9.2 Hz), 7.56 (d, 1H, J = 4.0 Hz).
また、本発明の遷移金属含有化合物は、クロスカップリング反応に用いることができる新規な触媒として、有用である。
Claims (12)
- 下記式(1)で表されることを特徴とする、遷移金属含有化合物。
- 前期遷移金属Mは第10族遷移金属であることを特徴とする、請求項1に記載の遷移金属含有化合物。
- 前期遷移金属Mはパラジウムであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の遷移金属含有化合物。
- 前記配位子Aは、置換基としてハロゲン原子、ハロゲン化アルキル基、ホルミル基、カルボニル基、オキシカルボニル基、カルボニルオキシ基、カルボキシル基、アミド基、イミド基、ニトロ基、シアノ基から選ばれる基を1種以上を含有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の遷移金属含有化合物。
- 前記配位子Aは、環構造として、シクロアルキル基、アリール基から選択される1種以上を含有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の遷移金属含有化合物。
- 前記配位子Aは、下記式(2)で表される構造であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の遷移金属含有化合物。
- 前記配位子Dは、環構造又は分岐構造を含有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の遷移金属含有化合物。
- 前記配位子Dは、下記式(3)で表される構造であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の遷移金属含有化合物。
- 下記式(4)で表されることを特徴とする、パラジウム含有化合物。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の遷移金属含有化合物の製造方法であって、環構造又は分岐構造を含む電子吸引性の単座配位子Aが配位した、第8族から第11族遷移金属から選択される少なくとも1つの遷移金属Mに対して、電子供与性の配位子Dを反応させることを特徴とする、遷移金属含有化合物の製造方法。
- 下記式Ar1−Ar2で表されるクロスカップリング反応生成物の製造方法であって、下記式Ar1−X及び式Ar2−Yの化合物を反応させる際に、請求項1〜9のいずれか1項に記載の化合物を触媒として使用することを特徴とする、クロスカップリング反応生成物の製造方法。
式:Ar1−Ar2
(式中:Ar1及びAr2は、無置換もしくは置換のアリール基、無置換もしくは置換のヘテロアリール基、無置換もしくは置換のアルケニル基、又は無置換もしくは置換のアルキニル基を表す。)
式:Ar1−X
(式中、Ar1は、前記の通りであり、Xは、ハロゲン、メタンスルホン酸基、トルエンスルホン酸基、トリフルオロメタンスルホン酸基、又はカルボン酸ハロゲン化物基である。)
式:Ar2−Y
(式中、Ar2は、前記の通りであり、Yは、水素、アルコキシカルボニル基、ニトロ基、ホルミル基、カルボニル基、シアノ基、アミノ基、B(OR1)2、ZnX1、AlR2 2、SnR3 3、MgX2、又はSiR4 3であり、ここで、X1及びX2はハロゲンであり、そしてR1、R2、R3及びR4はそれぞれ独立して水素又はアルキル基である。) - 下記式―(Ar1−Ar2)O―で表されるクロスカップリング重合生成物の製造方法であって、下記式X−Ar1−X及び式Y−Ar2−Yの化合物を重合させる際に、請求項1〜9のいずれか1項に記載の化合物を触媒として使用することを特徴とする、クロスカップリング重合生成物の製造方法。
式:―(Ar1−Ar2)O―
(式中:Ar1及びAr2は、無置換もしくは置換のアリール基、無置換もしくは置換のヘテロアリール基、無置換もしくは置換のアルケニル基、又は無置換もしくは置換のアルキニル基を表す。oは(Ar1−Ar2)単位の繰り返し数を表し、1以上の整数である。)
式:X−Ar1−X
(式中、Ar1は、前記の通りであり、Xは、それぞれ独立してハロゲン、メタンスルホン酸基、トルエンスルホン酸基、トリフルオロメタンスルホン酸基、又はカルボン酸ハロゲン化物基である。)
式:Y−Ar2−Y
(式中、Ar2は、前記の通りであり、Yは、それぞれ独立して水素、アルコキシカルボニル基、ニトロ基、ホルミル基、カルボニル基、シアノ基、アミノ基、B(OR1)2、ZnX1、AlR2 2、SnR3 3、MgX2、又はSiR4 3であり、ここで、X1及びX2はハロゲンであり、そしてR1、R2、R3及びR4はそれぞれ独立して水素又はアルキル基である。)
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