1

Organic reaction “on water”

2016. 10. 1. (sat.)
Takumi Matsueda (M2)2

Today’s topic

1. Introduction
2. Investigation of “on water”-Bulk & surface water-Theoretical study (Diels-Alder)

3. Application of “on water”-Fluorine effect (aldol reaction)-ortho-Diamination (C-H activation)

4. Summary

3

The importance of water
Green chemistry
Easy to separate
Low cost☹Low solubility☹Decomposition of reagent

4

Use of water in organic synthesis

Kajino’s lit seminar (2015)

Separated reactant + water = “on water”

5Organic reaction promoted by “on water”

6Sharpless, K. B. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 3275-3279
Wolfarth, E. F., White, W. N. J. Org. Chem. 1970, 35, 3585
Zhou, J. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9512-9516
Zoli, L. Cozzi, P. G. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 4162-4166
Lu, H. et al. Org. Lett. 2016, 18, 1386-1389
Chaojun, L. et al. J. Org. Chem. 2015, 80, 6283-6290

7

Today’s topic

1. Introduction
2. Investigation of “on water”-Bulk & surface water-Theoretical study of DA

3. Application of “on water”-Fluorine effect (aldol reaction)-ortho-Diamination (C-H activation)

4. Summary

The nature of water8

H-bond energy of dimer H2O

9Dyke, T. R. J. Chem. Phys. 1977, 66, 498

Clementi, E. J. Chem. Phys. 1973, 59, 1325
Stillinger, F. H. Science 1980, 209, 451-457

H-bond energy of bulk H2O

10Stillinger, F. H. Science 1980, 209, 451-457

Water surface

11

Environment of water surface

12

Hickerson, W., Hammer, W. Science 1994, 264, 826-828

Diels-Alder on water13Breslow, R., Rideout, D. C. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 7816-7817

Faster than neat condition

14Sharpless, K. B. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 3275-3279

Theoretical study

15Marcus, R. A., Yousung, J. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5492-5502

“Neat” & “in water”

16Marcus, R. A., Yousung, J. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5492-5502

“On water” modeling

17Marcus, R. A., Yousung, J. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5492-5502

“On water”

18Marcus, R. A., Yousung, J. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5492-5502

Experimental (model) & theoretical (DFT)

19

Marcus, R. A., Yousung, J. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5492-5502

TS study (without vs with water)

20

Marcus, R. A., Yousung, J. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5492-5502

H-bond availability (in vs on water)

21

Marcus, R. A., Yousung, J. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5492-5502

Short summary

22

23

Today’s topic

1. Introduction
2. Investigation of “on water”-Bulk & surface water-Theoretical study of DA

3. Application of “on water”-Fluorine effect (aldol reaction)-ortho-Diamination (C-H activation)

4. Summary

Fluorine effect : Aldol reaction on water

24

Zhou, J. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9512-9516

Previous research background25

Zhou, J. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9460-9464

Zhou, J. et al. Chem. Commun. 2012, 48, 1919-1921

Solvent effect26

Zhou, J. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9512-9516

Difluorine effect on water

27

Zhou, J. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9512-9516

DFT calculation

28

Zhou, J. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9512-9516

Asymmetric aldol reaction on water

29

Zhou, J. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9512-9516

C-H activation : ortho-Diamination on water30

Lu, H. et al. Org. Lett. 2016, 18, 1386-1389

C-H amination “on water”

31

Lu, H. et al. Org. Lett. 2015, 17, 1513-1516

Necessity of “on water” condition

32

Lu, H. et al. Org. Lett. 2015, 17, 1513-1516

Lu, H. et al. Org. Lett. 2016, 18, 1386-1389

Proposed mechanism

33

Lu, H. et al. Org. Lett. 2015, 17, 1513-1516

Mechanical study

34

Lu, H. et al. Org. Lett. 2015, 17, 1513-1516

Proposed mechanism

35

Lu, H. et al. Org. Lett. 2015, 17, 1513-1516

Research background of ortho-diamination

36

Chang, S. et al. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1132-1140

Monoamination “on water”

37

Lu, H. et al. Org. Lett. 2016, 18, 1386-1389

Diamination “on water”

38

Lu, H. et al. Org. Lett. 2016, 18, 1386-1389

Proposed mechanism of diamination

39

Lu, H. et al. Org. Lett. 2016, 18, 1386-1389

40

Short summary
Di-F promoting aldol reaction on water

Zhou, J. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9512-9516

Difunctionalization by “roll-over” on water

Lu, H. et al. Org. Lett. 2016, 18, 1386-1389

41

Today’s topic

1. Introduction
2. Investigation of “on water”-Bulk & surface water-Theoretical study of DA

3. Application of “on water”-Fluorine effect (aldol reaction)-ortho-Diamination (C-H activation)

4. Summary

Summary
Characters of on water reaction
Catalysed by “dangling OH”
H-bond activation of O, F... atoms
Break intramolecular H-bondProblematic points of on water reaction☹Low generality ... substrate, metal etc☹Few reports of asymmetric reaction

42

Future : Organocatalyst on water?
Reaction promoted “on water”
Activation from hydrophobic site

Reaction not promoted “on water”
Organocatalyst containig surface recognition moiety→ Site-selectivity?

43

Q&A

Q.
On waterって結局は特殊な水素結合を使うという感じだが、ウレア触媒に比べたメリットがあるのだろうか？（コスト面以外で）A.
現状存在する有機溶媒中のウレア触媒を活かした不斉反応などと比較するとon waterの不斉反応は例が少なく現段階ではまだメリットが少ないように感じました。On waterは反応剤同士が近傍にあるニート＋水素結合という環境なので、（例えばfutureのような）触媒デザインが確立できれば高濃度条件で早く反応が進行できるというメリットが出てくるのではないかと思います。
Q.
スライド１４、on H2Oとon D2Oの違い
A.
これは水と重水の粘度の差による撹拌効率が影響しているといわれています。
重水の方が水より粘度が高く撹拌時に生じる油滴半径が大きくなるため反応の完結が遅くなります。（水素結合の強さによる差が原因ならKIEが5~7となるそうですが、今回の反応ではKIE=1.2と影響が小さく水素結合による差ではない要因であると推測できます。）←Marcusらの論文よりJACS 2007,5492

Q.
スライド３８、電子豊富なアリールアミンを先に入れるとダメで後に入れると上手くいく理由はなぜA.
このアミノ化における律速段階はアジドがRh錯体に配位する所で、前段階のroll-overやC-H活性化は可逆であることが分かっています。となると反応性は一つ目のアミノ化が終わった基質（分子内安定化あり）と二つ目のアジドの配位能との比較で収率への影響が決まります。一つ目が電子豊富だと分子内安定化が大きいためroll overが遅くなり、かつ二つ目の電子不足なアジドが配位しにくくなるため反応性が低下します。
逆にいえば二つ目のアジドを電子豊富にすることでアジドの配位を有利にし反応の進行につながります。

Q.
海水や水道水みたいな不純物の含まれた水でも使えるのかA.
実際に使用した例は分かりませが、LiCl塩をいれると疎水分子がより分離しやすくなるなど何かしらの塩を添加することで反応性に影響を与えることはありうると思います。
ちなみに、アンモニアの添加はdangling OHの水素を非共有電子対がトラップしてしまい水素結合による加速を奪ってしまうという負の効果をもたらす添加物の存在なども報告されるため、何でも加えればいいという訳ではなさそうです。（参考：J. Phys. Chem. A 2013, 2446-2454）