炭素－酸素結合活性化を基軸とする触媒的脱酸素カップリングシステムの開発
Development of Catalytic Deoxygenative Coupling System via C-O Bond Activation（日本化学会推薦）

代表研究者 大阪公立大学

森内敏之

Osaka Metropolitan UniversityToshiyuki MORIUCHI

Catalytic C-O bond activation of carbon dioxide as a C1 building block under ambient pressure for the synthesis ofureas was achieved by using a commercially available VO(OiPr)3 catalyst. This catalytic system efficiently transforms
various primary amines into ureas. The catalytic transformation of chiral amine into the corresponding chiral urea withoutloss of chirality was performed. Furthermore, a gram-scale catalytic reaction was successfully demonstrated to validate
the scalability of this catalytic activation of carbon dioxide. A commercially available easy-to-handle NH4VO3 was also
performed to serve as an efficient catalyst in the catalytic utilization of carbon dioxide under ambient pressure for thesynthesis of ureas from disilylamines. This catalytic system exhibited a wide range of substrate applicability without theuse of any dehydrating reagent or base, including a gram-scale catalytic reaction. It is noteworthy to mention that thistransformation can be applied to the synthesis of unsymmetric ureas. We have also developed VO(OiPr)3-catalyzed
deoxygenative coupling reaction of allyl alcohols with trimethylsilyl enol ethers for one-step synthesis of ,-unsaturated
carbonyl compounds, which could be performed with both aromatic and aliphatic trimethylsilyl enol ethers. This catalytic
system was found to be applicable to catalytic deoxygenative coupling reaction of benzyl alcohols.

研究目的

触媒反応の開発が望まれている。生体必須元素の一世界を変革するための 17 の目標「持続可能な開発つと考えられている前周期遷移金属バナジウムは生目標」の観点から、二酸化炭素を炭素資源として利物環境に広く分布しており、その化合物は生体内の用する分子変換反応や、バイオマスの変換として重種々の反応の制御に関与している。また、バナジウ

要なアルコールの脱酸素 C-C 結合形成反応の開発は

ムはクラーク数が高く、安価に入手できる金属であ重要な研究課題である。特に、二酸化炭素を地球環る。バナジウムは高いルイス酸性、多様なレドック境に対する脅威と考えるのではなく、貴重な再生可ス（酸化還元）状態、酸素親和性を有するため、新奇能資源として活用することができれば、二酸化炭素な触媒反応への展開が期待される。一方、医薬品、の削減のみならず化石燃料消費の削減にも繋がると化粧品、肥料、樹脂の原料として重要な尿素誘導体考えられる。そのため、化学関連分野において、二は、従来、猛毒のホスゲンを使ったアトムエコノミ

酸化炭素を高付加価値な化学品に変換する触媒の開ーの低い方法で合成されてきた。
二酸化炭素を C1 ユ発が注目されている。そのような分子変換システムニット（炭素源）とする尿素誘導体の合成が注目をを創出するためには、二酸化炭素の活性化あるいは集めているが、一般的に、高温・高圧などの過酷な二酸化炭素との反応を可能にする基質の活性化を実反応条件が必要である。また、バイオマスの変換と現する触媒活性中心の設計が必要不可欠である。従して重要なアルコールの脱酸素 C-C 結合形成反応で来華々しく触媒として用いられてきた貴金属群は枯は、量論量の金属還元剤が必要であるとともに不要渇の懸念があるため、希少金属を用いない効率的なな金属酸化物を生じるという問題点があった。このような背景の下、本研究では、クラーク数が高く、Table 1. VO(OiPr)3-catalyzed urea formation from 1a and carbon dioxide.aVO(OiPr)3 (y mol%)
iPr2EtN (20 mol%)
MS3A (z g)
CO2 (balloon)

入手が容易なバナジウム触媒のルイス酸性・レドッ
クス特性・酸素親和性を最大限に活用し、常圧下での二酸化炭素の炭素－酸素結合の触媒的活性化を行

NH2い、二酸化炭素を C1 ユニットとする尿素誘導体合O
NHDMA, 130 °C, 9 h1a (x mmol)

2aNH成の触媒システムの開発に取り組んだ。さらに、バEntry

1a(x mmol)

VO(OiPr)3(y mol%)

MS3A(z g)

NMR yield b(%)

ナジウム中心の一電子移動に基づくレドックス特性

10.60

200.445と酸素親和性を利用したアルコールの触媒的脱酸素

20.60

201.26930.60

202.08140.30

202.0910.15

82.093カップリング反応の開発に関する研究を展開した。

5研究経過
VO(OiPr)3 触媒による二酸化炭素活性化に基づく

ca

Reaction conditions: 1a (x mmol), VO(OiPr)3 (y mol%), iPr2EtN (20 mol%)and MS3A (z g) in DMA (2.0 mL) under carbon dioxide (balloon) at 130 °C
for 9 h. b NMR yield (%) = [2a (mmol) x 2 / 1a (mmol)] x 100. c Reaction
time was 12 h.

尿素誘導体の合成：本研究では、二酸化炭素の酸素の補足が可能なルイス酸性・酸素親和性を有するバナジウムに着目するとともに、二酸化炭素との反応を可能にするアミン基質の活性化に基づく戦略により研究を展開した。アミン基質の活性化として、研究代表者らが既に開発しているイミドバナジウム錯体の一段階合成法に注目した 1。触媒としてオキソバナジウム(V)トリイソプロポキシド（VO(OiPr)3）、塩基として N,N’-ジイソプロピルエチルアミン（iPr2EtN）を基質に対してそれぞれ 20 mol% 用い、脱水剤としてモレキュラーシーブ 3A（MS3A）存在下、風船雰囲気下での二酸化炭素と 2-フェニルエチルアミン(1a) の反応を N,N-ジメチルアセトアミド（DMA）溶媒中 130 °C で行ったところ、対応する尿素誘導体 2aが NMR 収率 45%で得られた（Table 1, Entry 1）。MS3Aの添加量を増やすと収率の向上が見られた（Entries1-3）。この反応は濃度にも依存しており、2-フェニルエチルアミン (1a) を 0.30 mmol、DMA 溶媒を 2.0 mL、MS3A を 2.0 g 用いた場合、91% の収率で尿素誘導体2a が得られることが明らかとなった（Entry 4）。バナジウム触媒量の低減について検討を行ったところ、バナジウム触媒 8 mol% の条件においても、濃度をさらに下げて反応時間を 12 時間で行うことにより、収率が 93% に向上した（Entry 5）。

ルエチルアミン (1e (S)) を基質に用いた場合、キラリ次に、基質汎用性について検討を行った。脂肪族ティーを保持したまま対応する尿素誘導体 2e (S,S)

第一級アミンを基質に用いて二酸化炭素との反応をに変換されることが明らかになった（Entry 4）。エー

行ったところ、対応する尿素誘導体が良好な収率でテル部位を有する基質に対しても本触媒システムは得られた（Table 2, Entries 1-8）。例えば、ブロモ基を有効であった（Entry 6）。芳香族アミンである p-アニ有する 2-(4-ブロモフェニル)エチルアミン (1b) を基

シジン (1j) の反応においても低収率ではあるが反応質に用いた場合にも触媒反応は効率的に進行し、尿は進行し、尿素誘導体 2j が生成した（Entry 9）。一素誘導体 2b が 85% の収率で得られた（Entry 1）。興方、第二級アミンであるジブチルアミンを用いたと味深いことに、キラルアミンである (S)-()-1-フェニころ、反応は進行しなかった（Entry 10）。

さらに、2-フェニルエチルアミン (1a) を基質に用Table 3. VO(OiPr)3-catalyzed urea formation from 3a and carbon dioxide.a1) NH4VO3 (y mol%)
CO2 (balloon)
Solv., z °C, 15 h

いたグラムスケールの触媒反応も効率的に進行し、単離収率 73%で対応する尿素誘導体 2a を得ること

O

N(SiMe3)2 2) 1 M HCl aq.に成功した（Scheme 1）。

NH

3a (x mmol)

2aN
H

Entry

1a(x mmol)

NH4VO3(y mol%)

Solvent

Temperature(z °C)

NMR yield b(%)

10.30

20DMA

100

95

20.30

20DMF

100

80

30.30

20DMSO

10087

40.30

20NMP

10089

50.30

20

1,4-Dioxane

100N.D.

60.30

20Toluene

100N.D.

70.3020Mesitylene

100N.D.

80.3020neat

100N.D.

90.608DMA12094caNH4VO3 触媒による二酸化炭素活性化に基づく尿Reaction conditions: 3a (x mmol), NH4VO3 (y mol%) in solvent (1.0 mL)
under carbon dioxide (balloon) at z °C for 15 h. b NMR yield (%) = [2a (mmol)x 2 / 3a (mmol)] x 100. c Isolated yield.

素誘導体の合成：上述の触媒システムでは、塩基や脱水剤の添加が必須であることや、空気に不安定なVO(OiPr)3 触媒を用いる必要があった。次に、基質にジシリルアミンを用いることで、塩基や脱水剤を必要としない常圧の二酸化炭素を炭素源とする尿素誘導体合成法の開発に取り組んだ。
触媒として取り扱いが容易なメタバナジン酸アンモニウム（NH4VO3）20 mol%を用い、風船雰囲気下での二酸化炭素とジシリルアミン 3a の反応を DMA
溶媒中 100 °C で行ったところ、対応する尿素誘導体
2a が 95% の NMR 収率で生成した（Table 3, Entry 1）。
溶媒の効果を検討したところ、二酸化炭素の溶解性の良い極性溶媒である N,N-ジメチルホルムアミド（DMF）、ジメチルスルホキシド（DMSO）、N-メチルピロリドン（NMP）を用いた場合にも触媒反応が良 好 に 進 行 し た が 、 DMA に 劣 る 結 果 と な っ た（Entries 2-4）
。1,4-ジオキサン、トルエン、メシチレンなどの非極性溶媒や無溶媒条件では生成物は確認されなかった（Entries 5-8）
。触媒量を 8 mol% に低減しても触媒反応は効率的に進行し、120 °C の条件において、94% の単離収率で尿素誘導体 2a が得られた（Entry 9）。
基質汎用性について明らかにするため、種々の脂は有効であった（Entry 6）。NH4VO3 触媒システムは、肪族のジシリルアミン誘導体を基質に用いて触媒反アニリン誘導体のジシリルアミンを用いた反応にも応の検討を行ったところ、いずれの場合も対応する有効であり、対応する尿素誘導体が中程度の収率で尿素誘導体が良好な収率で生成した（Table 4, Entries

生成した（Entries 8-10）。

1-7）。キラルなジシリルアミン 3e (R) を基質に用いた

本触媒システムは、常圧の二酸化炭素を炭素源と場合、キラリティーを保持したまま対応する尿素誘するグラムスケールの触媒反応にも適応可能であり、導体 2e (R,R) が得られた（Entry 4）。エーテル部位を単離収率 72%で対応する尿素誘導体 2a の合成に成有するジシリルアミン3g に対しても本触媒システム功した（Scheme 2）。

Table 5. VO(OiPr)3-catalyzed deoxygenative coupling reaction of 4a with 5a.aOHPhPh4aさらに、ジシリルアミンとアミンの求核性の違いを利用することにより、one-pot で非対称尿素誘導体+OSiMe3
Ph5aVO(OiPr)3 (5 mol%)
MS3A (x g)toluene, N2, 8 hPhOPhPh6aa

EntryMS3A(x g)Temperature(°C)

NMR yield(%)

10.2

50

43

20.2

80

69

30.2

100

86 (85) b

4

trace

100ai

Reaction conditions: 4a (0.20 mmol), 5a (0.20 mmol), VO(O Pr)3 (5 mol%),and MS3A (x g) in toluene (2.0 mL) under nitrogen atmosphere for 8 h.
bIsolated yield.の触媒的合成にも成功した。本触媒システムは、常圧の二酸化炭素を炭素源とするジシリルアミンからの尿素誘導体合成の初めての触媒システムである。
VO(OiPr)3 触媒によるアルコールとシリルエノールエーテルとの脱酸素カップリング反応：,-不飽和カルボニル化合物は天然物合成の重要なビルディングブロックである。シリルエノールエーテルを用いたアリルアルコールのアルキル化による ,-不飽和カルボニル化合物の合成法は数例報告されているが、貴金属触媒や促進剤を用いる必要があった。研究代
表者らは既に、オキソバナジウム触媒のルイス酸性・酸素親和性を活用し、アリルアルコール誘導体からアリルアミン誘導体への一段階合成の効率的な触媒システムを開発している 2。さらに、バナジウム触媒のルイス酸性・レドックス特性・酸素親和性を巧みに利用することにより、量論量の金属還元剤を必要としないアリルアルコールの脱酸素還元的カップリング反応の触媒システムの開発にも成功している 3。
これらの触媒システムの知見をもとに、VO(OiPr)3 触媒によるアルコールとシリルエノールエーテルとの脱酸素カップリング反応について検討を行った。
i

導したシリルエノールエーテルを基質に用いた場合触媒として VO(O Pr)3、脱水剤として MS3A 存在にも、触媒反応が効率的に進行した（Entries 1-2）。プ

下、窒素雰囲気下での 1,3-ジフェニル-2-プロペン-1-ロピオフェノンから誘導したシリルエノールエーテ

オール (4a) とシリルエノールエーテル 5a の反応を

ル 5d では、,-不飽和カルボニル化合物 6ad が単離

トルエン溶媒中 50 °C で行ったところ、対応する ,-収率 76%で得られた（Entry 3）。脂肪族ケトンから誘不飽和カルボニル化合物 6aa が NMR 収率 43%で生導したシリルエノールエーテルとの反応もスムーズ成した（Table 5, Entry 1）。反応温度の上昇とともにに進行した（Entries 4-5）
。6 員環あるいは 5 員環の環収率が向上し、反応温度 100 °C において ,-不飽和状シリルエノールエーテルを基質に用いた場合、,-カルボニル化合物 6aa が 85%の 単離収率で得られた

不飽和カルボニル化合物 6ag あるいは 6ah がそれぞ（Entries 2-3）
。MS3A を用いなかった場合には、目れ単離収率 76% および 64%で生成した（Entries 6-7）。

的生成物が痕跡量しか確認されず、MS3A が重要な

本触媒システムは、ベンジルアルコール誘導体と役割を果たしていることが明らかとなった（Entry 4）。 シリルエノールエーテルとの脱酸素カップリング反シリルエノールエーテルの基質汎用性について検討を行った（Table 6）。p-置換アセトフェノンから誘応にも適応可能であり、対応するケトン 8 が中程度の収率で得られた（Table 7）。

coupling Reaction of Alcohols, T. Sakuramoto, Y.
Donaka, M. Tobisu, T. Moriuchi, New J. Chem. 2019,43, 17571-17576.
研究の発表
口頭発表
1.

Hydrazine

Derivatives

Controlled

Vanadium-Catalyzed Coupling Reactions, Toshiyuki Moriuchi,12th International Vanadium Symposium (V12),
November 3, 2021, Virtual Meeting.

アリルアルコール 4a とシリルエノールエーテル
5a とのグラムスケールの脱酸素カップリング反応も2.

二酸化炭素を炭素源とするホルムアミド誘導体

効率的に進行し、単離収率 82% で対応する ,-不飽の合成、山手愛梨、森内敏之、日本化学会第 102

和カルボニル化合物 6aa が得られた（Scheme 3）。

春季年会、J401-1am-06、2022 年 3 月 23 日、オンライン．
3.

鉄触媒による二酸化炭素活性化に基づく尿素誘導体の合成、松谷崇生、土中陽介、板崎真澄、森内敏之、日本化学会第 102 春季年会、D202-4am06、2022 年 3 月 26 日、オンライン．

4.

バナジウム触媒を用いた常圧の二酸化炭素活性化を経由する尿素誘導体合成、青山航太朗、松谷考察

崇生、板崎真澄、森内敏之、日本化学会第 102 春

本研究では、クラーク数が高く、入手が容易なバ

季年会、D202-4pm-09、2022 年 3 月 26 日、オン

ナジウム触媒のルイス酸性・レドックス特性・酸素

ライン．

親和性を活用することにより、常圧下での二酸化炭素の炭素－酸素結合の触媒的活性化を可能にし、二ポスター発表

酸化炭素を C1 ユニットとする尿素誘導体合成の触1.

二酸化炭素活性化を経由した触媒的な尿素誘導媒システムの開発に成功した。さらに、アルコール体の合成、松谷崇生、土中陽介、森内敏之、錯体の炭素－酸素結合の触媒的活性化にも展開し、アル化学会第 71 回討論会、PD2-05、2021 年 9 月 16

コールとシリルエノールエーテルとの脱酸素カップ

日、オンライン．

リング反応の触媒システムを開発した。今後、常圧

2.

二酸化炭素を炭素源とするホルムアミド誘導体の二酸化炭素を C1 ユニットとするウレタンや炭酸の合成、山手愛梨、森内敏之、第 11 回 CSJ 化学

エステル合成の触媒システムの開発に取り組む予定

フェスタ 2021、P1-028、2021 年 10 月 19 日、オである。また、バイオマス由来のアルコールの触媒

ンライン．

的分子変換反応の開発も計画している。
誌上発表
参考文献
1.

2.

3.

1.

Oxovanadium(V)-Catalyzed Amination of Carbon

Arylimidovanadium(V) Complexes for a Tridendritic

Dioxide Under Ambient Pressure for the Synthesis ofCentrosymmetric Structural Motif or Axial Chirality,Ureas, T. Moriuchi, T. Sakuramoto, T. Matsutani, R.

T. Moriuchi, M. Nishina, T. Hirao, Angew. Chem. Int.

Kawai, Y. Donaka, M. Tobisu, T. Hirao, RSC Adv.

Ed. 2010, 49, 83-86.

2021, 11, 27121-27125.

Oxovanadium(V)-Catalyzed Direct Amination of2.

Oxovanadium(V)-Catalyzed Synthesis of Ureas from

Allyl Alcohols, T. Sakuramoto, T. Hirao, M. Tobisu,

Disilylamines and Carbon Dioxide under Ambient

T. Moriuchi, ChemCatChem 2019, 11, 1175-1178.

Pressure, T. Matsutani, K. Aoyama, T. Moriuchi, ACS

Oxovanadium(V)-Catalyzed Deoxygenative Homo-Omega 2022, 7, 10476-10482.