遷移金属触媒とヒドロシランを用いる合成化学の新展開
New synthetic chemistry using hydrosilanes and transition metal catalysts

九州大学先導物質化学研究所（大学院総合理工学府物質理工学専攻） 教授

永島 英夫

HIDEO NAGASHIMA (Professor)
准教授

本山 幸弘

YUKIHIRO MOTOYAMA (Associate Professor)
助教

砂田 祐輔

YUSUKE SUNADA (Assistant Professor)

Institute for Materials Chemistry and Engineering, Kyushu University(Department of Molecular and Materials Science,Graduate School of Engineering Science)

効果を示すが、カルボニル基のような極性不飽和結合

1．はじめにへの付加反応には、白金は活性がなく、ロジウムが一ケイ素は地球上に豊富に存在する元素であり、主として般的に用いられる。4）我々の研究室で開発した3核ルケイ酸塩や二酸化ケイ素として存在している。現在の物質

テニウムカルボニルクラスター（図1、A）は、アセナフチレ

文明の中で、SiO2を還元して生成するケイ素（シリコン）はンとRu3(CO)12 から容易に合成可能であり（注：市販の電子材料として多様な用途がある。一方、金属シリコンか純度の高いアセナフチレンは高価であるが、最近、アセそ
らRochow法でMe2SiCl2などのクロロシランを製造し 、ナフテン含有アセナフチレンを用い、再結晶で容易にの化学変換により、シリコーンオイルやゴムのような撥水当該錯体の安価で大量合成可能な方法を開発してい性、耐酸化性、耐熱性にすぐれた工業製品、あるいは太る）、空気中で1年以上の長期保存ができる安定な錯陽電池用Siが製造されている。シランカップリング剤、高体である。5）しかし、不活性ガス雰囲気下で脱水ジオ分子合成、有機合成用有機ケイ素化合物もさまざまな構キサン（潜在的な毒性のため、テトラヒドロピランを用造のものが市販されている。その中でSi-H結合をもつヒいることが多い）中でPhMe2SiHのようなトリアルキルヒ

ドロシラン類は古くから水素と類似の機能が注目され、とドロシランと接触させると、不安定でカルボニル基のくに、遷移金属触媒存在下で容易に活性化されて不飽還元に高い活性を示す化学種を発生する。これと、ケ和化合物に付加する反応が開発されてきた。 とくに、白トン、アルデヒドを反応させるとシリルエーテルへの還金触媒を用いるアルケンのヒドロシリル化は種々の有機ケ元が起こる。6）興味深いことに、一般に実験室でヒドリイ素化合物の原料として、工業的にも実験室的にも広範ド還元する際に、ケトンよりも還元されにくいとされる3ヒドロシランは、カルボニル化に利用されている。3）また、級アミド、カルボン酸、およびエステルが温和な条件で合物の還元剤としても重要であり、とくに、活性、選択性還元され、それぞれ対応するアミン、シリルエーテル、お（不斉合成を含む）に優れたSi-H結合の活性化触媒の開よび、シリルエーテルとアルキルエーテルの混合物が高発は有機金属化学における課題の１つである。3,4）ほとん

収率で得られる。7）とくに3級アミドの還元は、10ｇ規模

どのヒドロシラン化合物は毒性がなく、安定で長期保存がでの合成反応が実施でき、反応終了後の酸塩基を用可能であり、反応時の取り扱いも容易である。本稿では、
ヒいた後処理の過程でケイ素残渣と約90%程度のルテニドロシランと遷移金属の組み合わせによる新しい合成反ウム残渣が除去できる。蒸留操作によりケイ素、ルテ応について、著者らの最近の成果を中心に紹介する。

ニウムを含まないアミンへと精製可能である。代表的

1）

2）

な実験操作がOrg. Syn.誌に掲載されている。5b）2．3 核ルテニウム触媒の優れた反応性〜有機合成から高分子合成までカルボニル基の反応性は、NaBH4 やLiAlH4 のようなアニオン性ヒドリドを用いた場合は、ケトンの反応活性アルケンのヒドロシリル化は白金触媒がもっともよい

2THE CHEMICAL TIMES 2009 No.4
（通巻214号）

がエステルやアミドよりも高いとされている 8）が、ルテニ

遷移金属触媒とヒドロシランを用いる合成化学の新展開

ウム触媒存在下のヒドロシラン還元では、むしろ、還元速度の序列は、3級アミド＞エステル＞ケトンである。9）
驚いたことに、反応系中にトリエチルアミンのような3級アミンを少量共存させると、3級アミドの還元速度は変わらないが、エステル、ケトンはまったく反応をしなくなる。この現象を利用して、ケトアミド、アミドエステルの還元をおこなうと、分子内に共存するケトンやエステルを犯すことなく、アミドの選択的還元が達成される。
3級アミドの還元条件を2級アミドに適用すると、トリアル
キルヒドロシランを用いた場合には、水素の発生が観察されるが還元反応は起こらない。ところが、Si-H基を近接して2つ持つヒドロシランである、Me2HSi(CH2)2SiHMe2
やMe2HSiOSiHMe2を用いた場合には、反応が大きく加速 され 2 級 アミンのよい 合 成 法となる。 10）とくに 、

図１３核ルテニウムカルボニル触媒（A）を用いるヒドロシランの活性化を経由した反応群

Me2HSiOSiHMe2（TMDSと略称する）は安価に入手でき、沸点が低く後処理も容易であることから利用しやすいヒドロシランである。後に述べるように、2つのSi-H 基が近3．ルテニウムから他の触媒へい位置に存在するヒドロシランは、他の金属触媒の反応においても特異的な高活性を示し、反応条件改良のブルテニウム３核クラスター触媒は、以上のように優れた活レークスルーとなることが多い。ロジウムを用いる機構研性をアミドの還元に示すだけでなく、脱水反応や重合反応究から、2つのSi-H基が金属と相互作用することが反応を起こす。また、とくにアミドの還元反応において、TMDSに加速の鍵ではないかと考えられている。11）

代表される２つの近接したSi-H 基をもつヒドロシランを用いルテニウム触媒で活性化されたSi-H結合は、カルボると反応速度が大幅に向上することがわかっている。先にニル基の還元だけでなく脱水反応や重合反応を引き起述べたように、白金触媒はアルケンのヒドロシリル化に高活こす。先に述べたように、2級、3級のアミドは対応する性を示すが、従来カルボニル化合物のヒドロシラン還元にアミンに収率よく変換することができるが、1級のアミドは活性が乏しいと考えられていた。この問題をSi-H 基の近高い反応性をもつヒドロシランであるTMDSを用いても、接効果で解決できないか、という検討をおこなったところ、原料は消失するが1級アミンは生成しない。この反応を予想外によい結果が得られた。15）白金触媒としては、アル詳細に解析した結果、1級アミドがルテニウム触媒存在

ケンのヒドロシリル化に広 範に用いられる H 2 PtCl 6 や下、TMDSとの反応で脱水反応を起こしてニトリルを生成

Karstedt 触媒、PtCl2(COD)等が活性を示し、ヒドロシランとしていることが明らかとなった。12）一方、ルテニウム触媒

TMDS のほか、1,2-dimethylsilylbenzene がよい結しては、によるSi-H結合の活性化をTHF、オキセタン、エポキシ果を示した。興味深いことに、ロジウム触媒やルテニウム

ドのような環状エーテルの存在下でおこなうと、開環重触媒では圧倒的な加速効果を示す Me2HSi(CH2)2SiHMe2合が進行して、末端に有機シロキシ基を持つポリエーは活性を示さない。TMDSを用いることで、２級、３級の多テルを生成する。

同様な反応をビニルエーテル存在様な構造を持つアミドのアミンへの還元が可能になった。分下でおこなうと、ポリビニルエーテルが生成するが、その子内に共存しても反応に影響を与えない官能基としてエス末端には有機ケイ素基が100%導入される。

有機ケイテル、ニトロ基、ハロゲン、2〜3 置換アルケン等を、還元条素基は種々の化学変換が可能であることから、末端官件で反応させずにアミドのみ還元できる。さすがに、末端能性ポリマーの合成に有効である。

アルケンのみヒドロシリル化反応を併発する。

6, 13）

14）

一方、イリジウム錯体 IrCl(CO)(PPh3)3を用いると、3 級アミドが還元とともに脱水反応を起こし、予想されるアミンではTHE CHEMICAL TIMES 2009 No.4
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3

なくアルドエナミンが生成する。16）触媒効率はTOFにして、室みが抽出され、橙色の乾燥ゲルは不溶性のまま残留す

温で10000を越す。興味深いことに、この反応に有効なヒる。この操作で得られたアミンはほぼ定量的であり、極微ドロシランはTMDSに限定される。鉄は元素戦略上で究量のケイ素残渣と15ppm程度のルテニウム残渣しか含んで極の金属であるが、3 級アミドの還元反応には Fe(CO)5ないいない。言い換えれば、ほぼすべてのPMHS、使用した

17）

これルテニウム触媒の99.75%が、反応により生成する不溶性まで述べたルテニウム、イリジウム触媒が室温で高活性をのゲルに吸収され、自動的に分離したことになる。この示すのに対し、白金は 50℃〜70℃が適正な反応温度であPMHSを用いた還元反応を適用すると、多くの3級アミドがる。これに対して、鉄カルボニル触媒は光照射ないしは3級アミンへと収率よく変換される。2級アミドの還元により100℃程度の熱を必要とする。興味深い選択性としては、生じる2級アミンは、ルテニウム触媒による脱水素シリル化

ルテニウムや白金触媒では還元されないニトロ基の還元によりシリルアミンとなりゲルの中にケイ素-窒素結合を経由しが、アミドの還元に優先して起こる。て固定される。10）また、ケイ素‐窒素結合は微量の水によりしは Fe3(CO)12が有効であることが明らかとなった。

容易に加水分解される性質を持っている。これらを反映
して、窒素上にイソプロピル基やt -ブチル基をもつ2級アミドの還元反応は加熱条件で進行し、上記のエーテル抽出操作で対応する2級アミンを与えるが、多くのアミド基ま
図２ 白金、鉄、イリジウム触媒とTMDSを用いるアミドの化学変換

わりの立体障害の少ないアミドの還元では、2級アミンが抽出されてこない。興味深いことに、立体障害の少ないアミドの還元では、2分子の2級アミドから3級アミンと1級アミ4．触媒自動分離ンが生成する反応が中程度の収率で起こる。3級アミンはゲルに固定化されないため、エーテル抽出により抽出さポリメチルヒドロシロキサン（PMHS）
は、ビニル基をもつシロキサンとの触媒的ヒドロシリル化により高機能性樹脂をれ、2級アミドから1段階で3級アミンを合成するよい反応を提供する。

作る等、工業原料としても重要な用途があり、安価に入手できるシリコーンポリマーである。有機合成化学では、
還Bu3SnOSnBu3からBu3SnHを合成する反応を代表例に、
18）元剤としての用途がある。
先に述べたように、
3核ルテニウムカルボニルクラスター、白金、鉄、イリジウム触媒においてTMDSがヒドロシランとして優れた反応性を示す。そのポリマー版であるPMHSは、これらの反応で同様に優れた反応性を示すが、同時に、反応途上で不溶性のシロキサ

図３ シリコーンゲルへの触媒カプセル化自動分離を経由するPMHSを用いる触媒反応

ン樹脂が生じ、この樹脂中に触媒として用いた金属がカプセル化されて自動分離する現象が見出された。例えば、3同様な不溶性シリコーンゲルによる触媒の自動分離は、

核ルテニウムカルボニルクラスター触媒を用いる3級アミドの白金触媒による2、3級アミドの還元反応、鉄触媒による還元反応 19）においては、少量のテトラヒドロピランに溶解し3級アミドの還元反応による対応するアミンの合成 17）、ならた触媒、PMHS、アミドの混合物は、橙色の溶液である。

びに、イリジウム触媒によるエナミンの合成反応 16）に適用

1時間室温で攪拌すると溶液がゲル化し、撹拌子が回転でき、優れた成果を得ている。とくに、エナミンは加水分しなくなる。この状態でも反応は進行し、24時間程度の解されやすい化合物であり、PMHSによる反応により得ら時間を置くと、アミドがすべてアミンに変換される。溶媒をれるイリジウムやケイ素を含まないエナミンは、そのままシ減圧留去すると橙色の乾燥ゲルが生成するが、その際、クロプロパン化やアリル化のような反応に適用できる点で透明の有機化合物（アミン）の存在が目視で確認できる。

有効である。

エーテルで抽出操作をおこなうと、透明の有機化合物の4THE CHEMICAL TIMES 2009 No.4
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遷移金属触媒とヒドロシランを用いる合成化学の新展開

5．おわりに、ならびに、さらなる展開
ヒドロシラン類は工業原料に用いられているために安価であり、安定で取り扱いが容易であり、元素として地球上に豊富に存在し毒性もないことから、今後、さらに有効活用したい物質群である。本稿で述べたヒドロシラン類の反応群は、とくに還元剤として発火性のLiAlH4 が用いられてきたアミドやカルボン酸の還元に有効な改良法となるだけでなく、１級アミドからニトリルの合成、３級アミドからエナミンの合成、重合反応等、従来ほとんど報告されていない新しい反応へと展開しつつある。反応別に分類すると、還元反応、還元＋脱水反応、脱水反応、炭素‐酸素結合生成反応、炭素‐炭素結合生成反応が基本的に可能であり、現在これらを多様な有機・高分子合成反応に適用しつつある。一方、PMHSを用いるアミドの還元反応は、触媒金属が内包した不溶性シリコーンゲルの生成という発見を生み、これを利用して、触媒、ケイ素ともに自動的に生成物から分離する反応システムを実現した。金属内包シリコーンゲルの性質についての検討の結果、ゲル化によりゲル内の反応速度が低下しないこと、溶媒で膨潤したゲルと外部溶液との間の有機化合物の物質移動は迅速に起こるが、金属は漏れ出さないことを確認しており20）、これらを金属内包シリコーンゲル触媒へと展開している。21） この詳細については、また次の機会に紹介したいと考えている。

5）(a) H. Nagashima, T. Fukahori, K. Aoki, K. Itoh: J. Am.
Chem. Soc . 115, 10430 (1993). (b) Y. Motoyama, C.
Itonaga, T. Ishida, M. Takasaki, H. Nagashima: Org. Syn.
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6）H. Nagashima, A. Suzuki, T. Iura, K. Ryu, K. Matsubara:
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7）K. Matsubara, T. Iura, T. Maki, H. Nagashima: J. Org.
Chem. 67, 4985 (2002).
8）J. March: Advanced Organic Chemistry, 6th ed.; Wiley:
NewYork (2007)
9）H. Sasakuma, Y. Motoyama, H. Nagashima: Chem.
Commun., 4916 (2007).
10）S. Hanada, T. Ishida, Y. Motoyama, H. Nagashima: J. Org.
Chem. 72, 7551 (2007).
11）Y. Sunada, Y. Fujimura, H. Nagashima, Organometallics
27, 3502 (2008).
12）S. Hanada, Y. Motoyama, H. Nagashima: Eur. J. Org.
Chem. 24, 4097 (2008).
13）K. Matsubara, J. Terasawa, H. Nagashima: J. Organomet.
Chem., 660, 145 (2002).
14）H. Nagashima, C. Itonaga, J. Yasuhara, Y. Motoyama, K.
Matsubara: Organometallics 23, 5779 (2004).
15）(a) S. Hanada, Y. Motoyama, H. Nagashima, Tetrahedron.
Lett., 47, 6173 (2006). (b) S. Hanada, E. Tsutsumi, Y.
Motoyama, H. Nagashima: J. Am. Chem. soc. in press.
16）Y. Motoyama, M. Aoki, N. Takaoka, R. Aoto, H.
Nagashima: Chem. Commun., 1574 (2008).
17）Y. Sunada, H. Kawakami, T. Imaoka, H. Nagashima:submitted.
18）N. J. Lawrence, M. D. Drew, S. M. Bushell: J. Chem. Soc.,
Perkin Trans. 1, 3381 (1999).
19）Y. Motoyama, K. Mitsui, T. Ishida, H. Nagashima: J. Am.
Chem. Soc. 127, 13150 (2005).

引用文献
1）(a) E. G. Rochow: J. Am. Chem. Soc., 67, 963 (1945). (b)E. G. Rochow: U.S. Patent No. 2,380,995 (1941).

20）Y. Motoyama, M. Abe, K. Kamo, Y. Kosako, H.
Nagashima: Chem. Commun., 5321 (2008).
21）Y. Motoyama, K. Kamo, H. Nagashima: Org. Lett. 11, 1345(2008).

2）B. Marceniec, J. Gulinski, W. Urbaniak, Z. W. Kornetka:
Comprehensive Handbook on Hydrosilylation Chemistry,Pergamon: Oxford (1992)3）(a) I. Ojima, In The Chemistr y of Or ga nosiliconCompounds; S. Patai, Z. Rapport,Eds.; Willey: New York(1989). (b) M. A. Brook, Silicon in Or ga nic,
Organometallic, and Polymer Chemistry; Willey: NewYork (2000).
4）(a) I. Ojima, K. Hirai: Asymmetric Synthesis; Academic
Press: New York (1985). (b) H. Nishiyama, K. Itoh: In
Catalytic Asymmetric Synthesis, 2nd ed; I. Ojima, Ed; VCH:
New York (2000).

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