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有機化学III 第１２回（７/7）講義資料︓有機⾦属化学1
化学⽣命⼯学科 岩﨑孝紀[email protected]
参考図書︓ ウォーレン有機化学第２版４０章（東京化学同⼈）触媒化学基礎から応⽤まで（講談社）ハートウィグ有機遷移⾦属化学（東京化学同⼈）
Zoom URLhttps://zoom.us/j/97771793759?pwd=bktJenVyeG1XeHBDV0tPMEg4TThQUT09
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1
講義資料は⾃分の学修のためだけに活⽤して下さい。他⼈への譲渡、公開は厳禁︕
1 18
1 H 2 13 14 15 16 17He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb La
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
ランタノイド
アクチノイド
有機⾦属化学とは炭素ー⾦属結合を持つ化学種有機⾦属化合物︓有機基と⾦属が炭素ー⾦属結合でつながった化学種
→広い意味では周期表のほとんどの元素と有機基が結合すると有機⾦属化合物
2
半⾦属元素⾮⾦属元素
⾦属元素
n-BuLi: 有機リチウムPhMgBr: グリニャール試薬
C Mδ+δ–
・⾦属元素は炭素よりも電気陰性度が⼩さい
・遷移⾦属元素は様々な結合様式を取る
M M M
M M Metc.
・ 遷移⾦属元素は多様な酸化数を取る
１８電⼦則︓有機化合物のオクテット則に対応
3
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd
Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg
族番号＝価電⼦数
Ti: [Ar]4s23d2 Ni: [Ar]4s23d8 Kr: [Ar]4s23d104p6
+14e–
+8e–
閉殻構造→安定
遷移⾦属元素はｄ軌道（dxy, dyz, dzx, dx2-y2, dz2の５つ）を有する
いくつかの例外・前周期⾦属は、配位数が⾜りないので１８電⼦を満たせないことが多い・d8⾦属（Co+, Ni2+など）は１６電⼦錯体を好む
配位⼦（反応基質）から電⼦を受け取ることで１８電⼦則を満たそうする
配位⼦と⾦属との結合様式
4
中性で偶数電⼦供与体
中性で奇数電⼦供与体
有機分⼦と⾦属との結合
M CH
HH
s錯体
H H
H H
M
p錯体 s-アリル錯体 p-アリル錯体
M CHH
M M
ハプト数 h1 h2 h1 h3
L
X
L型
X型
M L
M X
P
N
C O
CH3–
–O
OCl–
M ClMe3P
Cl–
P
X型 L型 X型 X型とL型
ヘテロ原⼦を含まない有機分⼦はハプト数が偶数の場合は形式電荷は０（L型）
電⼦数の数え⽅
5
中性で偶数電⼦供与体 中性で奇数電⼦供与体
L XL型 X型M L M X
M X+ –
M X
中性で奇数電⼦供与 イオンで偶数電⼦供与X型配位⼦の捉え⽅で２通りの計算⽅法がある
錯体の電⼦数 = ⾦属の族 + １電⼦供与配位⼦+ 2電⼦供与配位⼦ｘ２
= ⾦属の電⼦数 + 配位⼦ｘ２
ウォーレンではこちらを採⽤
考え⽅
N
NPd
Cl
Cl
H3C
H3C・⾦属の酸化数 = X型配位⼦＋錯体全体の電荷・⾦属の族番号 = 周期表をおぼえる・⾦属の電⼦数 = 族番号 – 酸化数・錯体の電⼦数 = ⾦属の電⼦数 + 配位⼦ x 2
・⾦属の酸化数 = 2 + 0・中⼼⾦属が何族元素 = 10・⾦属の電⼦数 = 10 – 2・錯体の電⼦数 = 8 + 4 x 2
= 16
中性のパラジウム２価１６電⼦錯体
X型L型
電⼦数の数え⽅︓数えてみよう
6
Ph3P
Ph3PPd
PPh3
PPh3
Fe
ClPtClCl
–
H3N CoH3N
NH3NH3
NH3
NH3
3+
⾦属の酸化数
錯体の電⼦数
⾦属の酸化数
錯体の電⼦数
⾦属の酸化数
錯体の電⼦数
⾦属の酸化数
錯体の電⼦数
COの配位結合︓配位⼦の⾮共有電⼦対が流れ込むだけではない
空のdsp軌道
7
M L
⾮共有電⼦対(spn混成軌道)
M C OM C O
カルボニル（CO）配位⼦
被占sp軌道からMへのs供与
Mの被占d軌道からCOのp*軌道への逆供与
Mの被占d軌道 COのp*軌道結合次数1.8結合次数0.9
CFe
C
CC
O
OO
O 2–
s供与 (s donation) p逆供与 (p back donation)
p逆供与はM–CO結合を強くする反結合性のp*軌道に電⼦が⼊るのでCO結合は弱くなる
CO[Mn(CO)6]+[Cr(CO)6][V(CO)6]–[Ti(CO)6]2–
21432090200018601750
IRのCO伸縮振動(cm–1)
PhLiと反応
C OMδ+
C O
H2Oと反応⾦属に配位することにより、COは求電⼦性が上がる
アルケンの配位様式
8
MM
被占p軌道からMへのp供与
Mの被占d軌道からp*軌道への逆供与
ClPtClCl
–
結合次数1.5
Mの被占d軌道 エチレンのp*軌道Mの空のd軌道 エチレンのp軌道
C=C⼆重結合は⾦属に配位することで弱められる→⾦属上で活性化される
・エチレンのs供与を受けるのは⾦属の純粋な空軌道ではない・被占d軌道はトランス位の配位⼦へもp逆供与するトランス位の配位⼦の種類によって結合の強さが変化する→トランス影響
遷移⾦属の重要素反応
9
配位⼦交換反応（ligand exchange）
⾦属交換反応（transmetalation）
M(0) + X YX
M(II)Y
XM + YM’ YM + XM’
XM(II)
YM(0) + X Y
XML
ML X
X(L)M + Y(L’) Y(L’)M + X(L)
移動挿⼊反応（migratory insertion）もしくは付加反応（addition）
還元的脱離反応（reductive elimination）
酸化的付加反応（oxidative addition）
XML
ML X
脱離反応（elimination）
酸化的付加反応は反応の起点⾦属中⼼の酸化数 +2配位数 +２錯体の電⼦数 +２
Pd(0), 18e
酸化的付加の活性種は配位不飽和10
M(0) + X YX
M(II)Y
X–Y: H–H R–H R3Si–H H–X R–X X–X etc.
中性分⼦からX型配位⼦２つ
BrS Ph3PPd
Ph3P
Br
SPd(PPh3)4 +Ph3P
Ph3PRh
Cl
PPh3H–H HRh
Ph3P
Ph3P
H
Cl
+
Pd(II), 16e Rh(I), 16e Rh(III), 16e
Ph3PPd
Ph3P
Ph3PPd
Ph3P
Br
S
Pd(0), 14e協奏的な機構の遷移状態
速度論⽣成物はcis
遷移⾦属と基質の組み合わせによって反応機構は様々
還元的脱離反応は酸化的付加反応の逆反応
遷移状態
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XM(II)
YM(0) + X Y
⾦属中⼼の酸化数 –2配位数 –２錯体の電⼦数 –２
PdP
P Me
MePhPh
Ph Ph
PdP
P
PhPh
Ph Ph
Me Me +DMSO
80 ºC
PdP
P Me
MePhPh
Ph PhPPh2Ph2P Pd
Me
Me
☓
トランス配置からは還元的脱離しない
PdP
P
MePhPh
Ph PhX
X: CN > CF3 > H > Me > OMe
PdP
P Me
MePhPh
Ph Ph
PdP
P Me
MePh
Ph
PhPh
Fe >後周期＞前周期3d>4d>5dH>C
還元的脱離の速度Ph Br + Mg
Ph–Mg–Br
遷移⾦属の可逆な酸化・還元
Pd(II), 16e Pd(0), 14e
移動挿⼊反応は⾦属上の２つの有機基から新たな有機基をつくる
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HRhPh3P
Ph3P
H
Cl
R+
HRh
Ph3P
Ph3P
H
Cl
RRh
Ph3P
Ph3P
H
Cl
RH
HRh
Ph3P
Ph3P
H
ClR
⾦属中⼼の酸化数 ±0配位数 –1錯体の電⼦数 –２
遷移状態⽔素と⾦属はsyn付加
Rh(III), 16e Rh(III), 18e Rh(III), 16e
XML
ML X
1,2-挿⼊（h2配位⼦）
1,1-挿⼊（h1配位⼦）
CFe
R
COOCO
OC
RFe
C
COOCOC
R
R O
COは遷移⾦属の良い配位⼦であり、⼀炭素源である
Fe(II), 18e Fe(II), 16e
脱離反応は挿⼊反応の逆反応
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XML
ML X
⾦属中⼼の酸化数 ±0配位数 +1錯体の電⼦数 +２
RhPh3P
Ph3P
H
Cl
RH
HRh
Ph3P
Ph3P
H
Cl
R
H
HR R H
H
HR
Rh
R
b
a
b-⽔素脱離
syn脱離
H R
H
HR
Rh
⽴体障害
Ph3PPd
Ph3P
ClPd(PPh3)4 + Me Cl
OMe
O
Ph3PPd
Ph3P
Cl
Me+ CO
脱カルボニル化反応
Rh(III), 16e Rh(III), 18e
Pd(II), 16e Pd(II), 16e
配位⼦交換反応
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X(L)M + Y(L’) Y(L’)M + X(L)⾦属中⼼の酸化数 ±0配位数 ±0錯体の電⼦数 ±0
L型配位⼦
LM + L’ L’M + LLML’
1) 会合型機構︓配位不飽和な錯体(<17e)
2) 解離型機構︓配位飽和な錯体
LM + L’ L’M + LM + L’+L
1) 会合型機構︓配位不飽和な錯体(<17e)
2) 解離型機構︓配位飽和な錯体
X型配位⼦
XM + Y– YM + X–XMY–
XM + Y– YM + X–M + Y–+X–+
X型とL型が交換すると錯体全体の電荷は＋にL型とX型が交換すると錯体全体の電荷は–になる
⾦属交換反応は遷移⾦属に有機基を導⼊する
有機基による⾦属交換反応の反応性
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XM + YM’ YM + XM’ ⾦属中⼼の酸化数 ±0配位数 ±0錯体の電⼦数 ±0Mʼ = Li, MgX, ZnX, SnR3, B(OH)2 ,SiR3, etc.
R1SnBu3
Ph3PPd
Ph3P
Br
R2
Ph3PPd
Ph3P R2
R1+ Bu3SnBr+
M’
RM’
M’ M’
M’
M’> > > >
B B–OH
OH
OH
OHOH
OH–
3配位ホウ素のB–C結合は安定だがボレートのB–C結合は活性化される
Pd(II), 16e Pd(II), 16e
クロスカップリング反応︓２０１０年ノーベル化学賞
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Br M’+ M’ Br+
触媒(主にPd)
Ph3PPd
Ph3P
Br
Pd(PPh3)4Br
–2PPh3+
Ph3PPd
Ph3P
Br
M’+
Ph3PPd
Ph3P
Ph3PPd
Ph3PPd(PPh3)4
M’ Br+
++2PPh3
酸化的付加反応
⾦属交換反応
還元的脱離反応
クロスカップリング反応を構成する３つの素反応 Jiji.com jnpc
根岸英⼀ 鈴⽊章
クロスカップリング反応︓⽇本発の合成反応
ニッケル錯体の反応（〜1971 ⼭本明夫:東⼯⼤）
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N
NNi
Et
Et
N N
ONi
O
O
O
Ni(acac)2
Et3Al+
Cl
N
NNi
Cl– butane
酸化的付加反応⾦属交換反応
還元的脱離反応
ニッケル触媒によるクロスカップリング反応（1972 熊⽥・⽟尾: 京⼤、Corriu: 仏）
NiP
P Cl
ClPhPh
Ph Ph
(0.7 mol%)Cl Cl n-Bu n-Bu
+ n-BuMgBr
94%
ニッケル触媒
パラジウム触媒Pd(PPh3)4の利⽤（1975 村橋: 阪⼤）
BrM’R R+ M’ Br+
⽤いる有機⾦属試薬によってことなる⼈名反応
18
パラジウム触媒
熊⽥-⽟尾-コリューカップリング（1972）村橋カップリング（1975）薗頭カップリング（1975 阪⼤）
根岸カップリング（1977 ⽶・パデュー⼤）ノーベル賞
ZnXR AlX2R ZrXCp2R右⽥-⼩杉-スティレカップリング（1977 群⾺⼤、1978 ⽶・コロラド州⽴⼤）
SnR3R
B(OH)2R
鈴⽊-宮浦カップリング（1979 北⼤）ノーベル賞
檜⼭カップリング（1988 京⼤）SiX3R
創薬に関する特許の解析︓C–C結合形成反応（全８４１反応）の内訳
鈴⽊宮浦カップリング, 338
ヘック反応, 3
薗頭カップリング,
155
右⽥⼩杉スティレカップリング, 17
他のカップリング, 11
Grignard, 47
Wittig, 36
Friedel-Crafts
アシル化, 27 その他, 207
HR /Cu
Roughley, S. D. J. Med. Chem. 2011, 54, 3451.
