光を利用した「有機スズジラジカル」の発生に成功 約50年ぶりとなる新たなスズ化学種の実現

要点

• 有機スズアニオンを光励起させることで、新たなスズ化学種である高エネルギー体「ジラジカル」へ変換することに成功
• スズジラジカルを用いた炭素―炭素三重結合や炭素―フッ素結合への簡便なスズ導入反応を開発
• スズジラジカルの性質を実験化学・理論化学の両面から解明

概要

東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の永島佑貴助教、田中健教授と、東京大学 大学院薬学系研究科の内山真伸教授のグループは、「有機スズアニオン^[用語1]」の光励起^[用語2]によって高エネルギー体「有機スズジラジカル^[用語3]」を発生させることに成功し、これを利用した有機スズ化合物の簡便な合成法を開発した。

有機スズ化合物は、炭素―スズ結合を有する有機化合物で、機能性分子や生理活性物質、医薬品の合成に用いられる重要な化合物群である。その合成にはこれまで、スズアニオンやスズラジカル^[用語4]を用いる合成法が多用されてきたが、更に幅広い有機スズ化合物を合成するために、新たな手法の開発が望まれていた。

永島助教らの共同研究グループは、光照射によってスズアニオンを励起三重項状態^[用語5]へ変換できれば、高エネルギー体「ジラジカル」として有機スズ化合物の合成に利用できるのではないかという考えを提唱し、様々なスズ元素導入反応を開発した。このスズジラジカルは約50年ぶりとなる新たなスズ化学種であり、今回開発した新手法は、これまでアクセスできなかった多種多様な有機スズ化合物の合成を実現し、材料化学・医薬化学の発展に寄与することが期待される。

研究成果は、米国化学会誌「Journal of American Chemical Society」の掲載に先立ち、オンライン版（3月26日付）に掲載され、カバーピクチャーに採用された。

背景

有機スズ化合物は、炭素―スズ（C–Sn）結合を有する有機化合物で、クロスカップリング反応^[用語6]によって別の有機化合物と容易に結合させることができるため、機能性分子や生理活性物質、医薬品の合成など、様々な分野で利用される重要な化合物である。そのため、スズ元素を有機化合物に導入することによって有機スズ化合物を合成する手法は古くから研究されてきた。1952年に開発されたスズアニオンや、1968年に開発されたスズラジカルなど、スズ化学種を用いる合成法が現在でも多用されている（図1C）。しかしながら、材料化学や医薬化学などの分野で更に幅広い有機スズ化合物を利用できるようにするために、新しい概念に基づくこれまでにないスズ化学種を作り出すことが求められてきた。

研究成果

研究グループは新たなスズ化学種を作り出すことを目指して、スズ化学種の光励起状態に着目した。具体的には、1952年より長らく有機スズ化合物の合成に利用されてきたスズアニオンを、光照射によって電子励起状態へ変換できれば、新しい高エネルギー化学種「ジラジカル」として合成に利用できるのではないかと考えた（図1A）。

（A）従来型のスズアニオンを光励起することでスズジラジカルに変換する（B）スズアニオンの吸収波長の計算結果（C）従来のスズ化学種

まず、このスズジラジカルの性質を理論化学的に検証するために、密度汎関数法^[用語7]による理論計算を行った。その結果、400 nm 付近（青色）の光を用いれば、スズアニオンを効率よく光励起できることが示唆された（図1B）。また、スズ元素の重原子効果によって、励起一重項から励起三重項に効率よく変換されることも理論的に予想された。こうして生じる励起三重項スズジラジカルの分子軌道^[用語8]を解析したところ、高い1電子還元能^[用語9]を有することが予測され、これまでとは異なる反応を実現できる可能性が示された。

次に、スズジラジカルの性質を実験化学的に検証する方法として、炭素―炭素三重結合を有するアルキンとの反応を検討した。具体的には、スズアニオン前駆体とフッ化物イオンの組合せに青色光を照射して光励起させ、スズジラジカルを発生させた（図2）。その結果、スズジラジカルが従来のアニオンやラジカルとは異なる反応性を有し、望みの反応点のみを変換できる高い選択性を有することが確認された。本反応では、化合物を混ぜて光を当てるだけで目的の有機スズ化合物が得られる。また、医薬品であるメストラノールを変換可能であるなど、従来法よりも幅広い化合物の合成に適用できる。

さらに研究グループは、最も安定な結合の一つである炭素―フッ素結合を有し、機能性分子や医薬品などに数多く含まれるフッ化アリールに着目した。この炭素―フッ素結合を炭素―スズ結合へ変換できれば、得られる有機スズ化合物を上述のクロスカップリング反応と組み合わせることで、様々な類縁化合物が一挙に合成できると期待される。しかしその結合の高い安定性から、従来の方法ではそうした変換は困難であるとされてきた。

研究グループは、ジラジカルの高い還元力を利用することで、この炭素―フッ素結合を切断し、スズ元素を導入することに成功した（図3）。本反応も機能性分子へ応用可能であり、例えば、医薬品（統合失調症治療薬）であるブロナンセリンを直接的に変換できることを実証した。また、フッ素を足がかりとした連続変換プロセスの構築によって、機能性分子の多様な類縁化合物が一挙に合成できることを実証し、医薬品や材料分子の探索研究を大きく促進できることを示した（図4）。

今後の展開

今回の研究では、光励起を利用することでスズジラジカルを発生させるという新たな戦略を開発した。今回開発した手法は、約50年ぶりの新たなスズ化学種を発生させるものであり、高い反応性と選択性によって、これまで合成できなかった有機スズ化合物へ容易にアクセスすることができる。

今後、本手法を用いることで、幅広い機能性分子や医薬品の多様な類縁化合物を迅速に合成することが可能になり、材料化学・医薬化学の発展に寄与することが期待される。

論文情報

掲載誌 :	Journal of American Chemical Society
論文タイトル :	Illuminating stannylation
著者 :	Kyoka Sakamoto, Yuki Nagashima*, Chao Wang, Kazunori Miyamoto, Ken Tanaka, Masanobu Uchiyama*
DOI :	10.1021/jacs.1c00887

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