非対称触媒とは?

メカニズム、アプリケーション、最新の開発

不斉触媒、またはエナンチオ選択的触媒は、アキラル出発物質からキラル化合物を生成する化学反応です。このタイプの触媒作用では、触媒自体がキラルであり、その鏡像上に特定の立体異性体の形成を選択的に誘導します。

不斉触媒反応例
高いエナンチオ選択性を達成するための反応条件の設計と最適化。

不斉合成とは、特定の立体化学を持つ分子を高収率で合成するプロセスです。これは、分子の特性と生物学的活性がその立体化学に依存することが多いため、化学合成研究の重要な領域です。

不斉触媒は不斉合成において重要なツールですが、特定の立体化学を持つ分子は、キラル触媒、生体触媒、または有機触媒によっても作製できます。

キラル触媒

キラル触媒は、不斉触媒のサブフィールドであり、キラル触媒を使用して立体選択的に化学反応を促進します。キラル触媒は、その原子が特定の空間配置を持つ分子であり、利き手やキラリティーを与えます。化学反応で使用すると、キラル触媒は基質と相互作用して、単一の立体異性体を高収率で生成できます。

キラル触媒作用の重要性は、多くの化学反応が立体異性体の混合物を生成し、それらは異なる特性と生物学的活性を持つ可能性があるという事実にあります。キラル触媒を用いることで、1つの立体異性体を選択的に作製することができます。この立体異性体は、改善された特性とより大きな有用性を持つことができます。

例えば、製薬業界では、医薬品の有効性と安全性は、多くの場合、その立体化学に左右されます。キラル触媒作用は、薬物の単一の立体異性体を生成することができます。この方法により、高い歩留まりを実現します。それは薬の治療可能性を改善します。また、副作用の可能性も減らします。これらの化合物 の単一の立体異性体を選択的に生成する能力は、特性を改善することができます。また、効率を高め、廃棄物を減らすこともできます。

生体触媒

生体触媒、または 酵素触媒は、化学変換を触媒するために生物学的に活性な成分を使用することです。生体触媒は、無細胞、完全in vitroから生細胞培養における発酵媒介プロセスまで、さまざまな環境で発生する主に炭素中心の反応を促進します。

生体触媒は、いくつかの理由から、従来の化学触媒に代わる有用な治療法です。酵素的生体触媒反応:

1. 化学療法、位置抗体、エナンチオ特異性が高い
2.多くの場合、急速な運動学を持っています
3.化学触媒よりも穏やかな条件下で運転
4. 金属触媒の廃棄物、毒性、コストの問題を解消する
5.化学反応に関連するエネルギー要件を削減します

有機触媒

有機触媒は 、触媒活性化によって化学反応を加速できる特定の有機分子を使用します。有機触媒は、その効率性と選択性により、持続可能な化学に向けた取り組みにおいて魅力的であり、グリーンケミストリーのいくつか の主要な信条を可能にし、その結果、有害性の低い合成、より高いエネルギー効率、および原子経済性をもたらします。

不斉有機触媒は、医薬品合成において重要な、所望のエナンチオマーおよび/またはジアステレオマー型の化合物を達成するのに有益です。有機触媒を用いた反応は、通常、触媒がルイス酸、ルイス塩基、ブレンステッド酸、ブレンステッド塩基のいずれとして作用するかに基づいて、4つの異なるメカニズムで進行します。したがって、有機触媒の適用範囲は広く、多くの異なるクラスの反応に影響を与えます。

不斉触媒技術
  • 自動化されたラボリアクター
  • リアルタイム分光法
  • 自動サンプリング・システム
  • オンライン液体クロマトグラフィー
  • キネティックモデリングソフトウェア

ピロリジンの合成 in-situ FTIR 分光法により、立体化学とエナンチオ選択性を制御する触媒サイクルに関する知見が得られます

Chen, W., Cheng, Y., Zhang, T., Mu, Y., Jia, W., & Liu, G. (2021).NI/ANTPHOS-Catalyzed stereoselective asymmetric intramolecular reductive coupling of N-1,6-Alkynones. The Journal of Organic Chemistry86(7), 5166–5182. https://doi.org/10.1021/acs.joc.1c00079

著者たちは、N-1,6-アルキノンの非対称ニッケル触媒還元カップリングから、キラルな第三級アリルアルコール(>99:1 E/Z立体選択性および>99:1 er)を含む一連のピロリジンの合成を報告しています。彼らは、ビス(シクロオクタジエン)ニッケル(0)とP-キラルモノホスフィン配位子[(R)-AntPhos]、および還元剤としてトリエチルシランを使用してこれを達成しました。次に、反応のメカニズムを調べ、(R)-AntPhosが第三級アリルアルコール部分の立体選択性とエナンチオ選択性にどのように影響するかに着目しました。彼らは、N-1,6-アルキノンと(R)-AntPhosとの非対称還元的カップリングの触媒サイクルの単量体金属環式モデルを提案し、その触媒サイクルを調べるためにin-situFTIR 実験を行いました 。  

化学量論的な量のNi(タラ)2と(R)-AntPhos配位子を混合し、1392-1 のIRバンドを追跡し、触媒サイクルの第一段階におけるNi(0)(R)-AntPhos化合物を示しました。N-1,6-アルキノンの添加により、1708 cm-1 に強いケトンバンドが現れ、提案された触媒サイクルの第3段階でアルキノンが反応してNi(II)金属環を形成するにつれて徐々に減少しました。HSiEt3還元剤の添加により、2092 cm-1 のバンドが観察されましたが、環化した第三級アリル酸アルコールが形成されるにつれて時間とともに減少しました。詳細な機構検討とReactIRデータにより、著者らは、環化付加段階のNi(II)金属環がエナンチオ選択性を決定し、(R)-AntPhos配位子が立体化学に影響を与えるかさばるπ共役系を提供することによって重要であることを決定しました。

新規触媒in-situ FTIRによる1,2-ボロン酸エナンチオ選択的転位により、触媒の構造と活性に関する洞察が得られます

Sharma, HA, Essman, J. Z., & Jacobsen, E. N. (2021).Enantioselective catalytic 1,2-boronate readditions. Science374(6568), 752–757. https://doi.org/10.1126/science.abm0386

著者らは、触媒的にアクセス可能な一般的なキラル中間体は、三置換立体中心を特徴とする幅広い分子の合成に価値がある可能性があるとコメントしています。彼らは、触媒を介したピナコール置換ボロン酸ジクロロメチルのエナンチオ選択的再配列が、三置換立体中心をもたらす可能性があると仮定しました。モデル反応として、ホウ素酸リチウム基質の転位を調べました。アリールピロリジン-tert-ロイシン由来のチオ尿素を用いて、α-クロロボロン酸エステル生成物を48%eeで合成しました。その結果、ボロン酸リチウム(ジクロロメチルボロン酸ピナコールエステルとn-ブチルリチウム)の初期合成中にチオ尿素が存在したとき、得られたα-クロロボロン酸エステル生成物は92%のeeを示したことを発見しました。

この研究に続いて、安定なイソチオ尿素-ボロン酸前触媒が開発され、この化合物をLiHMDSでリチウム化したところ、in-situ FTIR(ReactIR) 測定により、 イソチオ尿素N-C-NバンドとアミドC-Oバンドの両方で有意なシフトが示されました。これらのシフトは、HClが追加されたときに可逆的でした。著者らは、前触媒のN-H結合がキレート化プロセスを介してLiHMDSによって脱プロトン化されると仮定しました。DFT測定を実施し、観察された実験的IRシフトを裏付けました。これらの情報をもとに、著者らは、C-C、C-N、C-O結合を含み、優れたee結合と収率を持つ幅広い分子を合成するための新しいチオ尿素-ボロン酸リチウム触媒システムの範囲を調査しました。

触媒休眠期のReactIRの調査により、前触媒サイクルにおける水の影響に関する洞察が得られます

Zhang, Z., Bae, H. Y., Guin, J., Rabalakos, C., Van Gemmeren, M., Leutzsch, M., Klußmann, M., & List, B. (2016).アルデヒドのスケーラブルなシアノシリル化のための不斉反陰イオン指向性ルイス酸有機触媒 Nature Communications7(1). https://doi.org/10.1038/ncomms12478

著者たちは、トリメチルシリルシアン化物とキラルジスルホニミド前駆体を用いたアルデヒドのシアノシリル化のための不斉ルイス酸触媒法を開発したことを報告している。高い活性の結果として、0.05%〜0.005%の触媒負荷は、所望のシアノヒドリン生成物を製造するのに効果的であった。著者たちは、触媒の不活性期が観察され、水によって可逆的に誘導される可能性があることを報告している。この開発をさらに理解するために、in-situのFTIR を使用し、 前触媒サイクルに関する重要な洞察を提供しました。  

アルデヒド反応体の濃度を監視するために、1703 cm-1 カルボニルバンドを時間に対して追跡しました。興味深いことに、しばらくの間反応は観察されず、その後、形質転換は急速に進行しました。著者らは、休眠期間の理由は反応混合物中の水に関連している可能性があると考えました。反応混合物に制御された量の水を加える実験プロトコルを通じて、触媒活性種の加水分解を介して水が活性の欠如に実際に関与していることが証明されました。ジスルホニミド触媒の存在下でシリルケテンアセタールをアルデヒドと反応させた以前の研究では、休眠期間は観察されませんでした。これは、シリルケテンアセタールとプレ触媒との反応性が高く、活性なルイス酸触媒が瞬時に再生されるためではないかと考えました。現在の研究でこの仮説を検証するために、彼らは活性化剤として触媒量のシリルケテンアセタールを使用し、休眠期間が回避されることを発見しました。さらなる実験に基づいて、彼らは休眠期間を反映する前触媒サイクルを提案しました。  

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生体触媒作用、つまり酵素触媒作用では、酵素などの生物活性化合物を化学変換の触媒として使用します。

不斉触媒の定義は何ですか?

不斉触媒は、キラル分子の特定の鏡像異性体を合成するために広く応用されている方法です。通常、不斉触媒作用には、1つ以上のキラル配位子を含む有機金属化合物が含まれます。このプロセスは触媒的であるため、わずかな量のキラル触媒がプロキラル基質に作用し、所望のエナンチオマーを大量に生成します。したがって、医薬品、食品、農薬、化粧品業界で必要とされる膨大な量の特定の鏡像異性体化合物を生産する効率的な手段です。

不斉触媒作用は、医薬品、農薬、材料などの重要な化学品の製造や、天然物の合成において重要な役割を果たしています。これにより、医薬品開発や化学業界の他の多くのアプリケーションに不可欠なエナンチオピュア化合物の効率的な生産が可能になります。不斉触媒作用は、ルイス酸-塩基相互作用、水素結合、金属-配位子配位など、さまざまなメカニズムによって達成できます。不斉触媒で一般的に使用されるキラル触媒の例としては、キラル配位子、キラル助剤、キラルルイス酸などがあります。新しく、より効率的な不斉触媒プロセスの開発は、キラル合成の効率と選択性を向上させることを目的とした化学の活発な研究分野です。 

不斉触媒に用いられるキラル触媒にはどのようなものがありますか?

不斉触媒に用いられるキラル触媒の例は数多くあります。最も一般的なものは次のとおりです。

  1. キラル遷移金属錯体
  2. 酵素
  3. 有機触媒
  4. ブレンステッド・ローリー酸および塩基
  5. 相間移動触媒

不斉触媒作用では、生成物の立体化学はどのように制御されますか?

不斉触媒における生成物の立体化学は、キラル触媒によって制御されます。触媒は、反応する分子の周囲にキラル環境を誘導し、一方のエナンチオマーの形成を他方よりも選択的に促進します。キラル触媒が反応の立体化学を制御する正確なメカニズムは、触媒の種類と触媒される反応によって異なります。

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