（様式第 20）

先端研究施設共用イノベーション創出事業【産業戦略利用】『みんなのスパコン』TSUBAME によるペタスケールへの飛翔
利用報告書 平成２０年度新規利用拡大選択課題 i08nd

遷移金属錯体触媒を用いた C-C カップリング反応メカニズムの理論研究
Theoretical study of C-C cross-coupling reaction catalized by a transition metal complex
後藤 文郷
Fumisato Goto
住友化学株式会社 有機合成研究所
Sumitomo Chemical Co., Ltd. Organic Synthesis Research Laboratory
http://www.sumitomo-chem.co.jp
遷移金属錯体を用いた炭素－炭素結合を生成するカップリング反応の活性化エネルギーについて、ＤＦＴ計算の手法および溶媒効果について検討した。今回の TSUBAME の利用では、カップリング反応で経由する還元的脱離の活性化エネルギーについて評価を実施した。触媒探索スクリーニングに用いる遷移金属に対して適切な基底関数を明らかにすることができた。また溶媒効果については、カップリング反応間の活性化エネルギーの傾向が計算手法に大きく依存する問題点が明らかになった。今回の検討を通じて、TSUBAME を活用することで、今後予定している触媒配位子スクリーニングが実現できることを確認した。
Using several DFT calculations, activation energies of C-C coupling reactions with transition metal
complexes have been investigated. In this study, we focused on the reductive elimination step includedin the coupling reaction. As the result of that, a suitable calculation condition was found for screening
search of transition metal catalysts. In addition, a problem was found that the activation energies insolutions depend on the calculation method. It was confirmed that TSUBAME had a potential torealize a screening search for transition metal catalyst designs scheduled for the future application.
Keywords: C-C coupling reaction, DFT, reductive elimination, transition metal catalyst

背景と目的遷移金属種に対して適切な基底関数を選択しなければ遷移金属錯体触媒を用いた C-C カップリング反応は有用な結果が得られない場合があることが、これまで有機合成上非常に重要で、多くの医農薬中間体等のに報告されている。本プロジェクトでは大規模計算環境有機化合物や、表示材料・エネルギー材料の合成に利の TSUBAME を用いることで、精度良い C-C カップリ用される。反応メカニズムを解析することで、各反応にング反応の新規配位子スクリーニング探索を行うため対する最適な触媒の探索に貢献することが期待できの最適な計算条件の特定にテーマを絞って検討を行っる。

た。新規触媒配位子探索を実施するためには、精度が解析の対象となる遷移金属錯体触媒の配位子は、保障され且つスクリーニング可能な短時間で算出でき構造を簡略化したモデル配位子ではなく、実際に合成る計算条件を検討することが重要であると考えている。

反応で利用されている分子量の比較的大きい配位子をC-C カップリング反応は遷移金属種によって、様々な対象として考えており、加えて溶媒効果も考慮に入れ、触媒系が知られている。何れの触媒についても、酸化より実際の反応系に近づけることで、確度の高い配位的付加反応やトランスメタレーションの構造変換を経て、子スクリーニングを可能にしたいと考えている。反応メ最終的に還元的脱離反応により C-C 結合を生成する。

カニズム解析に際して、導出した活性化エネルギーがこの還元的脱離反応の理論計算から求められる活性実験の反応成績を再現しているかを検証することで、化エネルギーは、触媒の反応性を予想する上で重要な触媒性能の予測が可能な反応モデルを見出し、高性指標であるため、様々な計算手法を用いて妥当性の検能触媒の設計に繋げることを目指している。

討を実施した。

今回の解析で用いる遷移金属錯体のＤＦＴ計算は、

（様式第 20）
異なる計算手法での相関図を図１に示す。

概要
還元的脱離の活性化エネルギーを算出する計算手算出された活性化エネルギーは各基質および配位法を表１にまとめた。同時に、溶媒効果についても検討子の間の反応性を忠実に再現していることを確認した。

を行った。

ただし、その活性化エネルギー値は、計算手法によっ表１. 計算手法一覧て非常に大きく見積もられる場合があることが、今回のNo. DFT 計算／基底関数

溶媒効果検討で明らかになってきた。

1

B3LYP/LANL2DZ○

精度の最も高い計算手法 No.6(B3PW91/cc-pVTZ)

2

B3LYP/6-31G*○

に対して、計算手法 No.3 (B3LYP/m6-31G*)や No. 4

3B3LYP/m6-31G*○(B3PW91/m6-31G*)は良好な一致が見られた。さらに

4

B3PW91/m6-31G*

計算量が最も少ない No.1 (B3LYP/LANL2DZ)につい

5

B3LYP/6-311G*ても良い精度を見積もられれてくることが分かった。一6B3PW91/cc-pVTZ

方No.2、(B3LYP/6-31G*)

No.4

や評価する C-C カップリングの還元的脱離反応は、配(B3PW91/6-31G*)は、直線的な相関は良好であるが、位子としてビピリジン誘導体３種類、反応基質に３種類数 kcal/mol から十数 kcal/mol 程度の高い値を示す傾を選択し、計９種類の反応に対して検討を行った。その向にあり、活性化エネルギーが高くなるほど、その差が内訳は、3 反応が実際に反応が進行し６反応が還元的大きくなる傾向が認められた。最適化構造を調べると脱離前の構造で停止する反応系を選択した。活性の比基底関数 6-31G*では他の基底関数に比べて遷移金

較には活性化 Gibbs エネルギーを用いた。計算手法

属と炭素の結合距離が短く、還元的脱離前の錯体が過No.1 から 6 は計算コストが低い順に並べている。溶媒剰に安定に見積もられることが原因であることが明らか効果については計算手法 No.1, 2, 3 について 2 種類のとなった。DFT 手法については、B3LYP と B3PW91

極性の異なる溶媒で比較を行った。

を比較したが、大きな差異は認められなかった。
次に、図２には溶媒効果を考慮した還元的脱離の活結果および考察
先ずは、真空中での９種類の還元的脱離反応の活性化エネルギーを異なる計算手法で算出した比較図を示す。

性化エネルギーについて計算結果について紹介する。

B3LYP/LANL2DZ
B3LYP/6-31G*
B3LYP/6-311G*
B3PW91/m6-31G*
B3PW91/cc-pVTZ

他の手法での活性化エネルギー[kcal/mol]

504540353025

他の手法での活性化エネルギー[kcal/mol]

5560
B3LYP/LANL2DZ(PhMe)
B3LYP/6-31G*(PhMe)
B3LYP/LANL2DZ(MeCN)
B3LYP/6-31G*(MeCN)

5550454035302520152015202530354045505560

B3LYP/m6-31G*の活性化エネルギー[kcal/mol]15

図２．溶媒効果を考慮した還元的脱離の活性化エネル

1010152025303540455055
B3LYP/m6-31G*での活性化エネルギー[kcal/mol]

ギー値の比較
溶媒効果を考慮した場合、真空での計算値に比べて、

図１．異なる計算手法による還元的脱離の真空での活性化エネルギー推算値の比較

計算手法間での相関の直線性が下がる結果となった。

（様式第 20）
計算手法によって、活性化エネルギーの大小関係が逆転する場合が見られた。
B3PW91/m6-31G*による２種類の溶媒での９種類の還元的脱離反応の活性化エネルギー値を図３に示した。溶媒間での活性化エネルギーの差異は顕著に現れた。溶媒 PhMe の方が MeCN より総じて活性化エネルギーが低いことを示している。
50活性化エネルギー[kcal/mol]

45

B3LYP/m6-31G*(PhMe)
B3LYP/m6-31G*(MeCN)

403530252015

図３．２種類の溶媒の活性化エネルギー比較

まとめ、今後の課題
今回の検討は触媒配位子スクリーニングを目指して適切な計算条件の選択のための情報収集を重点的に実施した。今回の検討から、計算コストが高くなくてもある程度の計算精度が確保できる基底関数があることが分かった。
溶媒効果については、活性化エネルギーを下げるための溶媒選択の指針には充分に利用できることが分かった一方で、溶媒効果は計算手法の違いによって、活性化エネルギー値の傾向が大きく異なることが分かった。今後は実測データ（反応収率など）と照らし合わせながら、適当な計算レベルを探索していく必要があることが明らかとなった。
本プロジェクトを通じて大規模 HPC の TSUBAME
は、遷移金属錯体触媒の理論計算による配位子スクリーニングが現実的な時間内で実現できるシステムであることを確認した。このような大規模システムは１民間企業では導入不可能であり、今後、TSUBAME を使用することで、新規触媒反応系の開発につなげて行きた
いと考えている。