卒業論文 芳香族求電子置換反応による ヘリセン類の位置選択 …...3...
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卒業論文
芳香族求電子置換反応による
ヘリセン類の位置選択的官能基化 理工学群 化学類
指導教員 市川 淳士 氏 名 吉川 奈緒 学籍番号 201610957
-
目次
第 1章 序 1
第 2章 芳香族求電子置換反応によるヘリセン類の位置選択的官能基化
第 1節 ヘリセン類の大スケール調製 7
第 2節 [5]ヘリセンのモノブロモ化 9
第 3節 [5]ヘリセンのポリブロモ化 10
第 4節 モノブロモ[5]ヘリセンの誘導化 11
第 5節 [6]ヘリセンのジブロモ化 14
第 6節 [6]ヘリセンのポリブロモ化 16
第 7節 チアヘリセン合成 16
総括 18
実験項 19
参考文献 24
謝辞 25
-
1
第 1章 序
ヘリセン類は、ベンゼン環がらせん状にオルト縮環した多環式芳香族炭化水素であり、
右巻きと左巻きに由来する不斉を持つ。特に、ベンゼン環が六つ以上縮環したヘリセン類
は、らせんの反転が起こり難く、光学分割によってキラルなヘリセンを得ることができる。
例えば[6]ヘリセンは、エナンチオ過剰率が半減するのに 1000年かかるため、非常に剛直な
構造を持つことが分かる（式 1）。このようにヘリセン類は、らせん構造に起因した不斉を
有するため、旋光性や円偏光二色性といった特徴のある光学特性を示す。
また、[5]ヘリセンや[6]ヘリセンは、化学修飾により発光特性がしばしば向上する。例え
ば、[5]ヘリセンの蛍光量子収率はわずか 0.04であるのに対し、ボリル[5]ヘリセンの蛍光量
子収率は 0.65と高い値を示す (Table 1)1)。
以上のように置換ヘリセンは材料化学の分野で有望であるが、所定の位置に置換基が導
入されたヘリセンを得るには多段階の反応を必要とする。これは、置換ヘリセンの合成法
1000 year (60 ºC)ΔΔG = 150 kJ / mol (300 K)
(1)
50%ee100%ee
B
1
2
λem / nm
403
436
ε / M–1 cm–1
2.0 × 102
1.1 × 103
λabs / nm
393
413
Φ
0.04
0.65
1 2
Mes2
Table 1. [5]ヘリセンと置換[5]ヘリセンの蛍光
-
2
のほとんどが、あらかじめ官能基化された基質を環化する手法に依るためである 2,3)。例え
ば臼井らは、3-エチニル-4-(o-トリル)フェナントレンまたは 3-エチニル-4-(2-メトキシフェニ
ル)フェナントレンに対して塩化白金(II) を作用させることで、1-メチル[5]ヘリセンおよび
1-メトキシ[5]ヘリセンを合成した。また、Alcarazoらは 1,8ジフェニル-2,7-ジ(プロパ-1-イ
ン-1-イル)ナフタレンまたは 1,8-ジフェニル-2,7-ビス(フェニルエチニル)ナフタレンに対し
て金触媒を作用させることで、5,12-ジメチル[6]ヘリセンおよび 5,12-ジフェニル[6]ヘリセン
を合成した。
これに対し、ヘリセンを直接的に化学修飾した例は極めて限られている。Necasらは、イ
リジウム触媒を用いたボリル化反応により、立体障害の小さい 3位に選択的にボリル基を
導入した[5]ヘリセンの合成に成功した(式 4)4)。Laarhovenらは、ヨウ素 10–25 mol%の存在
下で[6]ヘリセンに対して臭素を 2.3倍モル量加えることにより、5,12-ジブロモ化体を 80%
の収率で得たと報告している(式 5)5)。しかし、[5]ヘリセンや[6]ヘリセンの選択的な化学修
飾の例は、上記の 2例のみである。そこで、これまでほとんど研究が行われてこなかった[5]
R R
R
R
AgSbF6 (10 mol%)
FC6H5–20 ºC, 96 h
R
R
+
1 2
R = Me 82% (1/2 = 99/1)R = Ph 77% (1/2 = 95/5)
MeO
MeO
O
CCF3
PO N
N
Mes
Mes
AuCl
CCF3
SbF6
F3
F3–
(10 mol%)
(3)
R PtCl2 (10 mol%)
Toluene120 ºC, 7 h
R
R = OMe 66%R = Me 44%
(2)
-
3
ヘリセンおよび[6]ヘリセンの芳香族求電子置換反応における位置選択性を調べることにし
た。
[5]ヘリセンおよび[6]ヘリセンの直接的な化学修飾を行うにあたり、芳香族求電子置換反
応の 1つである臭素化を行うことにした。臭素化を選んだ理由は、(i)臭素化されたヘリセ
ンはビルディングブロックとして利用でき、(ii) 芳香族求電子置換反応である臭素化は位
置選択的に進行する、と考えたためである。ここで、(ii)の理由について詳しく説明する。
まず、芳香族求電子置換反応の位置選択性における一般的な説明として、電子密度によ
る比較が挙げられる。[5]ヘリセンの各炭素上の電子密度を計算したところ、C1–C3と C4–C7
において明らかな差が見られ、C4–C7の電子密度が C1–C3に比べて高いことが分かった
（Figure 1）。このことから、C4–C7のいずれかの炭素上で選択的に芳香族求電子置換反応が
進行すると考えた。
B2pin2 (1.0 eq)[Ir(OMe)(cod)]2 (5.0 mol%)
+
Bpin B
89% (8/1)
N N
Bu t-Bu(10 mol%)
Cyclohexane100 ºC, 24 h
(4)
CCl4, RT
Br2 (2.3 eq)I2 (10–25 mol%)
Br
Br
80%
(5)
pin
12
3 4 56
7–0.159
–0.154–0.071
–0.269–0.236
–0.259
–0.232
Figure 1. [5]ヘリセンの電子密度 (B3LYP/6–31G*)
-
4
次に、各炭素上での置換反応の活性化エネルギーを考えることにした。芳香族求電子置
換反応は、不安定なアレニウムイオン中間体を経る二段階反応であり、前半が律速段階で
ある。したがって、Hammondの仮説によれば、アレニウムイオン中間体のエネルギーを計
算することで本反応の律速段階の活性化エネルギーを比較することができる（Figure 2）。[5]
ヘリセンは、C1を含むベンゼン環と C14を含むベンゼン環の立体障害を避けるように、らせ
ん型に歪んだ構造をしている。このため、C1と C14との間の立体障害が小さい中間体では、
全体の歪みが解消されて構造が安定化するはずである。すなわち、アレニウムイオン中間
体の生成により中間体に sp3炭素が生じると、その sp3炭素と向かいの炭素を結ぶ直線を軸
として、全体の歪みを解消するように構造が変化する。このとき、C1と C14間の距離が最も
離れる中間体が、最も安定な中間体となり、この中間体を発生する反応点で、選択的に置
換反応が進行するのではないかと考えた。
以上の仮説に基づき、筆者は量子化学計算を行い、C4–C7で臭素化した場合のアレニウム
イオン中間体におけるC1とC14との間の距離 (Table 2) とエネルギー (Figure 3) を比較した。
なお、臭素がベンゼン環の上下方向から接近することを考慮し、8種のアレニウムイオンに
ついて計算した。C1と C14との間の距離が最も離れかつエネルギーが最も低かったのは、5
位に臭素が付加したアレニウムイオン 5–Brであった。これらの計算結果から筆者は、[5]
ヘリセンの 5位炭素上で臭素化が位置選択的に進行すると予想し、実際に実験を行うこと
にした。
E
HE
+
AreniumIon
+ H+
+ E+
Ener
gy
Figure 2. 芳香族求電子置換反応のエネルギーダイアグラム
-
5
また、[6]ヘリセンについても同様の計算を行った。すなわち、電子密度の計算結果か
ら、電荷密度の高い C4–C8のいずれかの反応点で選択的に芳香族求電子置換反応が進行する
と考えた（Figure 4）。続いてアレニウムイオンの量子化学計算を行い、C1と C16間の距離が
最も離れかつエネルギーが最も低くなるのは、[5]ヘリセンと同様に 5 位の炭素に臭素が付
加したアレニウムイオンであることを確認した（Table 3, Figure 5）。
[5]ヘリセン4–Br
5–Br
6–Br
7–Br
4–Br’
5–Br’
6–Br’
7–Br’
2.96
3.01
3.05
3.00
3.01
2.96
2.99
2.98
2.99
Table 2. C1–C14間の距離 / ÅBr
H
12
3 4 56
714
Figure 3. [5]ヘリセンのアレニウムイオンの安定性 (kcal/mol)
4–Br 5–Br 6–Br 7–Br
+ 6.48 + 7.43
+ 3.19
4–Br’ 5–Br’ 6–Br’ 7–Br’
+ 8.52
+ 3.38
+ 7.93
+ 5.07
HBr
5–Br 5–Br’
0.00
B3YLP/6–31G* for C, H, LANL2DZ for Br
12
34 5 6
78
–0.168–0.133
–0.077–0.283
–0.247–0.257
–0.252–0.220
Figure 4. [6]ヘリセンの電子密度 (B3LYP/6–31G*)
-
6
以上のように、芳香族求電子置換反応によりブロモ[5]ヘリセンやブロモ[6]ヘリセンが得
られれば、これらをビルディングブロックとして活用することができる。例えば、ブロモ
ヘリセンを得た後、パラジウム触媒による宮浦ボリル化を行うことで、Table 1に示した蛍
光量子収率の高いボリルヘリセンの位置異性体を得ることができる。また、ブロモヘリセ
ンとボリルヘリセンの鈴木–宮浦カップリングによって複数のらせん部位を有するヘリセ
ン二量体も合成できる。このように、ヘリセンを直接ブロモ化し官能基化することで、材
料としての利用が有望な置換ヘリセンを迅速に合成することができると考えた。次章で、
検討した結果を詳しく述べる。
[6]ヘリセン4–Br
5–Br
6–Br
7–Br
8–Br
Table 3. C1–C16間の距離 / Å
3.19
3.19
3.36
3.24
3.30
3.34
4–Br’
5–Br’
6–Br’
7–Br’
8–Br’
3.16
3.29
3.21
3.26
3.35
BrH
123
4 5 67
8
16
HBr5–Br 5–Br’
4–Br 5–Br 6–Br 7–Br
+ 7.11 + 7.45
+ 0.71
8–Br
+ 4.74
Figure 5. [6]ヘリセンのアレニウムイオンの安定性 (kcal/mol)
+ 8.55
+ 3.71
+ 8.52
+ 3.72
+ 3.62
4–Br’ 5–Br’ 6–Br’ 7–Br’ 8–Br’
0.00
B3YLP/6–31G* for C, H, LANL2DZ for Br
Br Bpin
Br Bpin
Bromination Borylation
+Suzuki–Miyaura
Coupring
-
7
第 2章
第 1節 [5]ヘリセンおよび[6]ヘリセンの大スケール調製
筆者はまず、出発物質である[5]ヘリセンと[6]ヘリセンのグラムスケールでの調製を試み
た。当研究室では、カチオン安定化効果を有する 1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン-2-オ
ール（HFIP）を溶媒として用いることで、ブレンステッド酸触媒による芳香環増環法を開
発している。すなわち、アセタール部位を有するビアリールに対してブレンステッド酸を
作用させると、オキソニウムイオン中間体が生成し、続く Friedel–Crafts 型環化および脱水
によってフェナントレン環が構築される (Scheme 1)6)。この手法を利用することで、入手容
易な 1,2-ジブロモベンゼン（3）を出発原料として、わずか 2段階で[5]ヘリセンを合成する
ことができる。実際に、2.4 gの 1,2-ジブロモベンゼン（3）とアセタール部位を有するアリ
ールボロン酸エステルを用いて鈴木–宮浦カップリングを行い、環化前駆体のビスアセター
ル 4を 93%の収率で調製した。HFIP溶媒中でこの環化前駆体 4に対してトリフルオロメタ
ンスルホン酸を作用させると、環化が連続的に進行（タンデム環化）し、[5]ヘリセン（5）
を収率 88%で 2.0 g得ることに成功した（Scheme 2）。
OO cat. TfOH
HFIP
OOH TfO
– H+
OOH
– O OHH
Scheme 1. ブレンステッド酸触媒による芳香環増環法
O
O
O
O
BpinOO
Pd2(dba)3 CHCl3 (1.3 mol%)PPh3 (5.0 mol%)K3PO4 (6.0 eq)
Dioxane–H2O (2/1)100 ºC, 12 h
Br
Br
4 93%
HFIP0 ºC, 30 min
5 88%2.0 g
Scheme 2. [5]ヘリセンの調製
32.4 g
(2.2 eq)
TfOH (10 mol%)
-
8
次に、[6]ヘリセンのグラムスケール調製を行なった（Scheme 3）。1,8-ジアミノナフタレ
ン（6）を出発原料として、Sandmeyer反応によるヨウ素化を行い、1,8-ジヨードナフタレン
（7）を 57%の収率で調製した。[5]ヘリセンの合成と同様に、得られた 7を用いた鈴木–宮
浦カップリングと続く芳香環増環法により、3.5 gの 7から 1.4 gの[6]ヘリセン（9）を調製
した。
第 2節 [5]ヘリセンのモノブロモ化
第 1章で立てた仮説に基づき、 [5]ヘリセン（5）の位置選択的臭素化を検討した（Table 4）。
クロロホルム溶媒中で、5に対し 1.1 倍モル量の臭素を作用させたところ、位置選択的に臭
素化が進行し、モノブロモ[5]ヘリセン 10が 57%の収率で得られた（Entry 1）。次に、臭素
を 1.3倍モル量作用させたところ、収率の向上が見られ、10を 67%の収率で得ることに成
功した（Entry 2）。このとき、10の単離を試みたところ、単離収率 63%でモノブロモ[5]ヘ
リセンが得られた。単結晶 X線構造解析により、10は[5]ヘリセンの 5位で臭素化が進行し
た生成物であることが明らかとなり、この置換位置は前述の予想と一致した（Figure 6）。最
後に、臭素を 1.4倍モル量作用させたが、10の収率は向上しなかった（Entry 3）。
O
OO
OTfOH (25 mol%)
HFIP0 ºC, 40 min
9 88%1.4 g
BpinOO
(2.2 eq)
Pd2(dba)3 CHCl3 (2.5 mol%)SPhos (5.0 mol%)
K3PO4 (6.0 eq)
DMF–H2O (2/1)90 ºC, 12 h
8 42%
NH2 NH2
NaNO2 (3.2 eq)6 M H2SO4 (13 eq)
KI (6.4 eq)–20 ºC to –15 ºC
3 h
I I
6 7 57%3.5 g
Scheme 3. [6]ヘリセンの調製
-
9
次に、10の収率向上を狙って、臭素化剤と添加剤の検討を行なった（Table 5）。まず、臭
素の反応性を向上させるために臭化鉄(III) を添加したが、収率の向上は見られなかった
（Entry 2）。また、臭素化剤を N-ブロモスクシンイミドあるいは N-ブロモサッカリンに変
更したが、10の生成は低収率に留まった（Entries 3, 4）。
最後に、反応時間と溶媒の検討を行なった（Table 6）。反応時間を 16時間に変えたところ、
同程度の収率となった（Entry 1）。また、溶媒をクロロホルムから四塩化炭素に変えたが、
収率の向上は見られなかった（Entry 2）。
以上から、70 ºCのクロロホルム溶媒中で、[5]ヘリセンに対して臭素 1.3倍モル量を作用
させることを最適条件とする。
Br2 (X eq)
CHCl370 ºC, 2–3 h
5 10
Br
Entry
1
2
3
X / eq
1.1
1.3
1.4
10 / %
57
67 (63)
65
recov. 5 / %
17
11 (9)
2
Table 4
Figure 6. ブロモ[5]ヘリセンのX線構造解析
Yield was determined by 1H NMR measurement using CH2Br2 as an internal standard.Isolated yield is shown in parentheses.
-
10
第 3節 [5]ヘリセンのポリブロモ化
[5]ヘリセンに対して臭素 2.0 倍モル量を作用させることで、ジブロモ[5]ヘリセンの合成
を試みたが、反応系は複雑化した（Table 7, Entry 1）。同様に、[5]ヘリセンに対して臭素 3.0
倍モル量作用させることで、トリブロモ[5]ヘリセンの合成を目指したが、ここでも反応系
は複雑化する結果となった（Entry 2）。次に[5]ヘリセンに対し過剰量の臭素を作用させるこ
とで、反応が収束し単一の化合物を得ることができるか検討を行なった（Entry 3）。[5]ヘリ
Entry
1
2
3
4
Reagent
Br2
Br2
NBS
NBSA
Additive
–
FeBr3 (8.0 mol%)
–
–
10 / %
67 (63)
65
39
14
recov. 5 / %
11 (9)
0
46
0
Reagent (1.3 eq)
CHCl370 ºC, 2–3 h
5 10
Br
N
Br
O O
SN
O O
O
Br
N-Bromosaccharin(NBSA)
N-Bromosuccinimide(NBS)
Table 5
Yield was determined by 1H NMR measurement using CH2Br2 as an internal standard.Isolated yield is shown in parentheses.
Br2 (1.3 eq)
Solvent70 ºC, Time
5 10
Br
Entry
1
2
3
Solvent
CHCl3
CHCl3
CCl4
10 / %
67 (63)
66
60
recov. 5 / %
11 (9)
11
4
Table 6
Yield was determined by 1H NMR measurement using CH2Br2 as an internal standard.Isolated yield is shown in parentheses.
Time / h
2
16
2
-
11
センに対し臭素を 2.0倍モル量ずつ加えていくと、10倍モル量以上加えた際に TLC上で変
化は見られず、反応が収束した様子を確認した。しかし、生成物は溶解性が非常に低く、
反応系は複雑化した。
第 4節 モノブロモ[5]ヘリセンの誘導化
第 2節において、モノブロモ[5]ヘリセン 10が良好な収率で得られたため、これを用いた
種々の変換反応を行った。まず、10とフェニルボロン酸を用いた鈴木–宮浦カップリングを
行った（式 6）。2.5 mol%の Pd(dba)3･CHCl3、10 mol%の PPh3、およびリン酸カリウム 6.0倍
モル量存在下で、10に対して 1.1倍モル量のフェニルボロン酸を作用させたところ、5位に
フェニル基が置換した[5]ヘリセン 12を 78%の収率で得ることができた。
次に、[5]ヘリセンの二量体 13の合成を検討した。まず、Ni(COD)2、シクロオクタジエン、
Br2 (X eq)
CHCl370 ºC, 2–3 h
5 11
Entry
1
2
3
X / eq
2.0
3.0
10.0
11 / %
C.M.
C.M.
C.M.
Yield was determined by 1H NMR measurementusing CH2Br2 as an internal standard.
Table 7(Br)n
10 12 78%
B(OH)2
Pd2(dba)3 CHCl3 (2.5 mol%)PPh3 (10 mol%)K3PO4 (6.0 eq)
(1.1 eq)
Toluene–H2O–EtOH(5/1/1)
80 ºC, 22 h
Br
(6)
-
12
2,2’-ビピリジル存在下、10を反応させたが、還元的カップリングは進行せず 13は得られな
かった（式 7）。
そこで、ブロモ[5]ヘリセン 10とボリル[5]ヘリセン14との鈴木–宮浦カップリングにより、
13の合成を目指した（式 8）。まず、10に対してパラジウム触媒を用いた宮浦ボリル化を行
い、ボリル[5]ヘリセン 14を収率 73%で得た（式 9）。ここでは、先に報告されているボリ
ル[5]ヘリセン 3)とは異なる位置にホウ素官能基を導入することができた。
次に、2.5 mol%の Pd(dba)3·CHCl3、10 mol%の PPh3、リン酸カリウム 6.0倍モル量存在下
で、10に対して 1.1倍モル量のボリル[5]ヘリセン 14を作用させたところ、二量体 13を 58%
の収率で得ることができた。収率の向上を狙い、配位子を PPh3から SPhosに変えたところ、
収率 63%で 13を得ることに成功した（Entry 2）。SPhosは一般的に、立体障害の大きい芳香
族化合物のカップリングに有効な配位子とされており、ここでも同様の効果が見られ、収
率が向上した。以上のように、求電子剤としてモノブロモ[5]ヘリセンを利用し、求核剤と
Ni(COD)2 (0.5 eq)COD (0.5 eq)
2,2’-bipyridyl (0.5 eq)
Toluene–DMF (5/1)100 ºC, 2 h
10 13 N.D.
(7)
N N2,2’-bipyridyl
Br
PdCl2(dppf) CH2Cl2 (1.2 mol%)Bpin2 (1.1 eq)AcOK (4.0 eq)
Dioxane100 ºC, 11 h
14 73%10
Br B
(9)
pin
Suzuki–MiyauraCoupring
+
Br Bpin
10 14 13
(8)
-
13
してボリル[5]ヘリセンを用いることで、13を合成することができた。
第 5節 [6]ヘリセンのジブロモ化
筆者は、[5]ヘリセンの場合と同様の予想に基づき、[6]ヘリセン (9) の臭素化を行った。
第 1章で述べた通り、[6]ヘリセンの直接的な化学修飾の研究例として、Laarhovenらによる
ジブロモ化が既に報告されている 4)。そこで筆者はまず同様の手法を用いて再現性を確認し
た（式 10）。しかし、論文に記載されている室温の条件で目的のジブロモ化体 16は得られ
ず、トルエン溶媒中で 100 ºCに加熱することにより 16が得られた。この際、16の収率は
28%と低収率となった。
Laarhovenらの報告を再現することができなかったため、筆者は第 1節で見出した [5]ヘ
リセンの臭素化と同様の手法を用いることにした。すなわち、クロロホルム溶媒中で臭素
を作用させることにより、ブロモ[6]ヘリセンの合成を検討した（Table 7）。まず、臭素を 1.1
10 14 (1.1 eq)
Pd2(dba)3 CHCl3 (2.5 mol%)Ligand (10 mol%)
K3PO4 (6.0 eq)
Dioxane–H2O (2/1)100 ºC, 24–25 h
13
+
Br B
Entry
1
2
13 / %
58
63
Isolated yield.
Ligand
PPh3
SPhos
Table 8
pin
SPhosMeO
MeOPCy2
9
CCl4 (0.015 M)dark, RT, 3 h
Br2 (2.2 eq)I2 (10 mol%)
15 28%(1H NMR yield)
Br
Br
Br
Br
Toluene (0.02 M)100 ºC, 6 h
16 28% (1H NMR yield from 9)
Br
Br
(10)
-
14
倍モル量作用させたところ、モノブロモ化体 17が収率 46%で得られ、同時にジブロモ化体
16を収率 14%で与えた。（Entry 1）。ジブロモ化体 16の収率向上を狙い、Entry 2で臭素の
当量を増やしたところ、16の収率が 44%まで向上した（Entry 2）。最後に、臭素を 2.6倍モ
ル量作用させたところ、ジブロモ化体 16が収率 56%と最も効率良く得られた（Entry 3）。
臭素を 2.6倍モル量作用させる条件を最適条件として、さらに反応条件を変えて検討した
（Table 10）。触媒量の臭化鉄(Ⅲ) または鉄粉を加えたところ、6.0 mol%の鉄粉を添加した
際に最も高い収率 60%で 16を得ることに成功した（Entry 3）。得られたジブロモ化体 16に
対し、単結晶 X 線構造解析を行ったところ、第一章で予想した 5 位と、さらに対照的な位
置である 12位に臭素が置換したジブロモ化体であることが分かった（Figure 7）。このよう
に、[6]ヘリセンにおいても第一章で予想した反応点で選択的に臭素化が進行した。
Entry
1
2
3
X / eq
1.1
2.2
2.6
17 / %
46
16
0
16 / %
14
44
56
9
CHCl370 ºC, 1–2 h
Br2 (X eq)
17
Table 9
Br
Br
Br
16
Yield was determined by 1H NMR measurement usingCH2Br2 as an internal standard.
-
15
第 6節 [6]ヘリセンのポリブロモ化
[6]ヘリセンに対して臭素 4.0 倍モル量を作用させることで、テトラブロモ[6]ヘリセンの
合成を試みたが、反応系は複雑化した（Table 11, Entry 1）。さらに、[6]ヘリセンに対し過剰
量の臭素を作用させることで、反応が収束し単一の化合物を得ることができるか検討を行
なった。しかし、同様に反応系は複雑化し、溶解性の低い生成物が得られる結果となった
（Entry 2）。
Entry
1
2
3
Additive
–
FeBr3 (8.0 mol%)
Fe (6.0 mol%)
16 / %
56
57
60 (44)
9
CHCl370 ºC, 1–2 h
Br2 (2.6 eq)Additive
Table 10Br
Br16
Figure 7. ジブロモ[6]ヘリセンのX線構造解析Yield was determined by 1H NMR measurement using CH2Br2 as an internal standard.Isolated yield is shown in parentheses.
Entry
1
2
X / eq
4.0
10.0
18 / %
C.M.
C.M.
Table 11
9
CHCl370 ºC, 1–2 h
Br2 (X eq)
18
(Br)n
Yield was determined by 1H NMR measurementusing CH2Br2 as an internal standard.
-
16
第 7節 ジブロモ[6]ヘリセンの誘導化
第 5節で得られたジブロモ[6]ヘリセン 16に対して、鈴木–宮浦カップリングと続く Scholl
反応により、[6]ヘリセン部位 1つと[4]ヘリセン部位 4つを有するマルチヘリカル化合物 20
の合成を試みた（Scheme 4）。16に対し、2-ビフェニルボロン酸を 2.2倍モル量作用させる
と、鈴木–宮浦カップリングが進行し、化合物 19を 58%の収率で与えた。19は溶解性が低
く、カラムや GPC、再結晶による単離が困難であった。続いて塩化鉄(III) を 30.0倍モル量
作用させ、Scholl反応を試みたが、系は複雑化した。
第 8節 チアヘリセンの合成
ヘテロ原子を有する環化前駆体に対し、第 1 節で述べた[5]ヘリセンおよび[6]ヘリセンの
調製と同様の芳香族環増環法を用いることで、ヘテロヘリセンを合成できると考えた。実
際に、HFIP溶媒中でチオフェン環を有する環化前駆体 21に対してトリフルオロメタンスル
ホン酸を作用させると、タンデム環化が進行し、チアヘリセン 22を 85%の収率で得ること
ができた（式 11）。また、環化前駆体 23 を用いた場合も同様にタンデム環化が円滑に進行
し、チアアセン 24を 89%の収率で得ることができた（式 12）。
Br
Br
B(OH)2
16 19 58%(1H NMR yield)
20 C.M.
Pd2(dba)3 CHCl3 (2.5 mol%)SPhos (10 mol%)K3PO4 (6.0 eq)
Toluene–H2O–EtOH(5/1/1)
80 ºC, 12 h
(2.2 eq)
FeCl3 (30 eq)
(CH2Cl)2–CH3NO2(10/1)
0 ºC, 1 h
Scheme 4. ジブロモ[6]ヘリセンの誘導化
-
17
環化前駆体 21および 23は以下のように調製した（Schemes 4, 5）。まず、チオフェン（25）
に対して臭素を 5.6倍モル量作用させると、テトラブロモチオフェン（26）が 52%の収率で
得られた。続いて、酢酸–水の混合溶媒中で 26に 3.3倍モル量の亜鉛を加えることで、3,4-
ジブロモチオフェン（27）を収率 80%で得た。最後に、27 とアセタール部位を有するアリ
ールボロン酸エステルを用いて鈴木–宮浦カップリングを行い、環化前駆体 19 を 81%の収
率で調製した。一方、チオフェン（25）に対して臭素を 2.0 倍モル量作用させると、2,5-ジ
ブロモチオフェン（28）が 50%の収率で得られた。得られた 28 を用いた鈴木–宮浦カップ
リングにより、環化前駆体 23を 70%の収率で調製した。このようにして、チオフェン（25）
を出発物質として、異なる 2 種の環化前駆体を作り分けることに成功した。今後の予定と
して、ヘテロヘリセンの化学修飾を行い、多様な置換ヘリセン合成を目指したいと考えて
いる。
STfOH (10 mol%)
22 85%
HFIP0 ºC, 30 min
SO
O
O
O
21
(11)
S
24 89%
TfOH (10 mol%)
HFIP0 ºC, 30 min
SO
O
OO
23
(12)
-
18
第 3章 総括
筆者は、ヘリセン類の直接臭素化による位置選択的な官能基化を行い、その生成物であ
るブロモ化体をビルディングブロックとして、置換ヘリセンの簡便合成を達成した。特異
な発光特性などから幅広い用途の材料へ応用が期待される置換ヘリセンであるが、ヘリセ
ン類を直接化学修飾した合成例は極めて限られていた。筆者の見出した本手法は、多様な
ヘリセン誘導体を合成することができる重要な手法になると期待している。
S S
Br
Br
BrBr
25 26 52%
Scheme 5. 環化前駆体21の調製
Br2 (5.6 eq)
CHCl30 ºC to reflux, 4 h
S
BrBr
Zn (3.3 eq)
27 80%
AcOH–H2O (4/1)90 ºC, 4 h
SO
O
O
O
21 81%
BpinOO
(2.2 eq)
Pd2(dba)3 CHCl3 (1.3 mol%)Sphos (5.0 mol%)
K3PO4 (6.0 eq)Dioxane–H2O (2/1)
100 ºC, 2 h
SO
O
OO
23 70%
S Br2 (2.0 eq)
25
SBr
Br
28 50%
CHCl30 ºC to reflux
43 h
BpinOO
(2.2 eq)
Pd2(dba)3 CHCl3 (1.3 mol%)PPh3 (5.0 mol%)K3PO4 (6.0 eq)
Dioxane–H2O (2/1)100 ºC, 2 h
Scheme 6. 環化前駆体23の調製
-
19
第 4章 実験項
1. General Statements 1H NMR and 13C NMR spectra were recorded on a Bruker Avance 500 spectrometer at 500 MHz
(1H NMR) and 126 MHz (13C NMR). Chemical shift values are given in ppm relative to internal
Me4Si (for 1H NMR: δ = 0.00 ppm), dimethyl sulfoxido-d5 (for 1H NMR: δ = 2.54 ppm), and CDCl3
(for 13C NMR: δ = 77.0 ppm). IR spectra were recorded on a Horiba FT-300S spectrometer by the
attenuated total reflectance (ATR) method. Mass spectra were measured on a JEOL JMS-T100CS
spectrometer.
Column chromatography was conducted on silica gel (Silica Gel 60 N, Kanto Chemical Co., Inc.
for column chromatography). All the reactions were conducted under argon.
2. Synthesis of Helical Compounds
1-Bromodibenzo[c,g]phenanthrene (10)
To a CHCl3 (0.75 mL) solution of pentahelicene (5, 83 mg, 0.30 mmol) was
added bromine (62 mg, 0.39 mmol) at the room temperature. After stirring at
70 °C for 2 h, the reaction was quenched with aqueous Na2S2O3. Organic
materials were extracted with CH2Cl2 three times, and the combined extracts
were washed with brine and dried over Na2SO4. After removal of the solvents under reduced
pressure, the residue was purified by columm chromatography on silica gel (hexane–CH2Cl2 =
100/1) to give 10 (67 mg, 63%) as a white solid.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): d 7.22 (dd, J = 7.7, 7.7 Hz, 1H), 7.26 (dd, J = 7.7, 7.7 Hz, 1H), 7.48
(dd, J = 7.7, 7.7 Hz, 1H), 7.57 (dd, J = 7.7, 7.7 Hz, 1H), 7.68 (d, J = 8.2 Hz, 1H), 7.78–7.82 (m, 2H),
7.88 (d, J = 8.6 Hz, 1H), 7.91 (d, J = 7.7 Hz, 1H), 8.14 (s, 1H), 8.36 (d, J = 7.7 Hz, 1H), 8.38 (d, J =
7.7 Hz, 1H), 8.47 (d, J = 8.6 Hz, 1H). 13C NMR (126 MHz, CDCl3): d 121.6, 124.5, 125.1, 126.1,
126.2, 126.5, 126.6, 126.8, 126.9, 127.3, 127.8, 127.87, 127.95, 128.8, 129.3, 129.8, 130.5, 130.6,
131.8, 132.3, 132.4, 132.6. IR (neat): n˜ 3047, 1581, 1259, 945, 881, 831, 758, 642 cm–1. HRMS
(APCI+): m/z calcd. for C22H1479Br [M + H]+: 357.0273; found: 357.0261.
Br
-
20
1-Phenyldibenzo[c,g]phenanthrene (12)
A toluene (0.71 mL), H2O (0.14 mL), and EtOH (0.14 mL) solution of 10
(71 mg, 0.20 mmol), phenylboronic acid (27 mg, 0.22 mmol),
Pd2(dba)3·CHCl3 (5.2 mg, 5.0 µmol), PPh3 (5.4 mg, 20 µmol), and K3PO4
(255 mg, 1.20 mmol) was degassed by using the freeze-pump-thaw method
three times. After stirring at 100 °C for 22 h, organic materials were
extracted with CH2Cl2 three times, and the combined extracts were washed with brine and dried over
Na2SO4. After removal of the solvent under reduced pressure, the residue was purified by silica gel
column chromatography (hexane–CH2Cl2 = 10/1) to give 12 (55 mg, 78%) as a white solid.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): d 7.22–7.30 (m, 2H), 7.43 (dd, J = 7.6, 7.6 Hz, 1H), 7.46–7.53 (m,
2H), 7.55 (dd, J = 7.6, 7.6 Hz, 2H), 7.67–7.69 (m, 2H), 7.82 (s, 1H), 7.85–7.88 (m, 3H), 7.90–7.98
(m, 3H), 8.58 (dd, J = 8.0, 8.0 Hz, 2H). 13C NMR (126 MHz, CDCl3): d 124.3, 124.4, 126.1, 126.27,
126.29, 126.4, 126.60, 126.60, 126.8, 127.2, 127.4, 127.6, 127.9, 128.43, 128.43, 129.0, 129.3,
130.0, 130.8, 131.29, 131.32, 131.7, 132.3, 132.6, 139.2, 140.4. IR (neat): n˜ 3047, 1599, 1442, 1217,
887, 831, 760, 700, 640 cm–1. HRMS (APCI+): m/z calcd. for C28H19 [M + H]+: 355.1481; found:
355.1493.
2-(Dibenzo[c,g]phenanthrene-1-yl)-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane (14)
A dioxane (2.0 mL) solution of 1-bromodibenzo[c,g]phenanthrene (10, 71
mg, 0.20 mmol), B2pin2 (56 mg, 0.22 mmol), PdCl2(dppf)·CH2Cl2 (2.0 mg, 2.4
µmol), and KOAc (79 mg, 0.80 mmol) was degassed by using the
freeze-pump-thaw method three times. After stirring at 100 °C for 11 h,
organic materials were extracted with EtOAc three times, and the combined extracts were washed
with brine and dried over Na2SO4. After removal of the solvent under reduced pressure, the residue
was purified by silica gel column chromatography (hexane–EtOAc = 30/1) to give 14 (59 mg, 73%)
as a white solid.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): d 1.48 (s, 6H), 1.49 (s, 6H), 7.21–7.25 (m, 2H), 7.48 (dd, J = 7.5,
7.5 Hz, 1H), 7.54 (dd, J = 7.5, 7.5 Hz, 1H), 7.84 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 7.90–7.92 (m, 3H), 8.47 (dd, J
= 8.0, 8.0 Hz, 2H), 8.50 (s, 1H), 8.84 (d, J = 8.4 Hz, 1H). 13C NMR (126 MHz, CDCl3):
d 24.9, 25.1, 84.0, 123.9, 124.4, 126.2, 126.3, 126.44, 126.44, 126.7, 127.2, 127.5, 127.8, 127.9,
Bpin
-
21
128.1, 129.0, 129.1, 129.2, 130.5, 130.9, 131.1, 132.5, 133.0, 135.1, 137.0. IR (neat): n˜ 2924, 1726,
1348, 1306, 1142, 984, 833, 762, 748, 644 cm–1. HRMS (APCI+): m/z calcd. for C28H26BO2 [M +
H]+: 405.2020; found: 405.2035.
1,1’-Bidibenzo[c,g]phenanthrene (13)
A dioxane (0.50 mL) and H2O (0.25 mL) solution of 10 (54 mg, 0.15
mmol), 14 (67 mg, 0.17 mmol), Pd2(dba)3·CHCl3 (3.9 mg, 3.8 µmol),
SPhos (6.2 mg, 15 µmol), and K3PO4 (191 mg, 0.90 mmol) was
degassed by using the freeze-pump-thaw method three times. After
stirring at 100 °C for 17 h, organic materials were extracted with
CH2Cl2 three times, and the combined extracts were washed with brine and dried over Na2SO4. After
removal of the solvent under reduced pressure, the residue was purified by silica gel column
chromatography (hexane–EtOAc = 10/1) to give 13 (52 mg, 63%) as an orange solid.
1H NMR (500 MHz, dimethyl sulfoxide-d6): d 7.28 (dd, J = 7.5, 7.5 Hz, 2H), 7.31–7.41 (m, 4H),
7.57 (dd, J = 7.5, 7.5 Hz, 2H), 7.61–7.69 (m, 2H), 7.95–8.07 (m, 10H), 8.10–8.25 (m, 2H), 8.47–
8.62 (m, 4H). IR (neat): n˜ 3047, 2924, 2852, 1437, 1217, 887, 831, 760, 748, 644, 617 cm–1. HRMS
(APCI+): m/z calcd. for C44H27 [M + H]+: 555.2107; found: 555.2116.
1,8-Dibromohexahelicene (16)
To a CHCl3 (1.0 mL) solution of hexahelicene (9, 131 mg, 0.40 mmol) were
added Fe powder (1.4 mg, 25 µmol) and bromine (165 mg, 1.0 mmol) at the
room temperature. After stirring at 70 °C for 3 h, the reaction was quenched with
aqueous Na2S2O3. Organic materials were extracted with CH2Cl2 three times, and
the combined extracts were washed with brine and dried over Na2SO4. After
removal of the solvents under reduced pressure, the residue was purified by columm
chromatography on silica gel (hexane–CH2Cl2 = 100/1) to give 16 (86 mg, 44%) as a yellow solid.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): d 6.74 (dd, J = 7.2, 7.2 Hz, 2H), 7.31 (dd, J = 8.3, 7.2 Hz, 2H), 7.58
(d, J = 8.3 Hz, 2H), 7.91 (d, J = 8.2 Hz, 2H), 8.01 (d, J = 8.2 Hz, 2H), 8.27 (d, J = 7.2 Hz, 2H), 8.28
(s, 2H). 13C NMR (126 MHz, CDCl3): d 122.5, 124.1, 125.7, 126.6, 126.7, 127.0, 127.78, 127.78,
Br
Br
-
22
128.0, 129.8, 130.2, 131.0, 131.8, 133.6. IR (neat): n˜ 2927, 1508, 874, 760, 742, 615 cm–1. HRMS
(APCI+): m/z calcd. for C26H1579Br2 [M + H]+: 484.9535; found: 484.9556.
Dinaphtho[2,1-b:1’,2’-d]thiophene (22)
To an HFIP (1.0 mL) solution of 21 (116 mg, 0.30 mmol) was added
trifluoromethanesulfonic acid (4.5 mg, 30 µmol) at 0 °C. After stirring at the
same temperature for 40 min, the reaction was quenched with phosphate buffer
(pH 7). Organic materials were extracted with EtOAc three times, and the
combined extracts were washed with brine and dried over Na2SO4. After removal of the solvents
under reduced pressure, the residue was purified by columm chromatography on silica gel (hexane–
EtOAc=5/1) to give 22 (73 mg, 85%) as a brown solid. 1H NMR (500 MHz, CDCl3): d 7.56–7.58 (m, 4H), 7.92 (d, J = 8.6 Hz, 2H), 7.95 (d, J = 8.6 Hz,
2H), 8.02–8.04 (m, 2H), 8.86–8.88 (m, 2H). 13C NMR (126 MHz, CDCl3): d 120.8, 124.9, 125.2,
126.1, 127.4, 128.7, 129.9, 131.4, 132.1, 138.5.
Spectral data for this compound showed good agreement with the literature data.7)
Dinaphtho[1,2-b:2’,1’-d]thiophene (24)
24 was synthesized by the method described for compound 22 using 23
(117 mg, 0.30 mmol), trifluoromethanesulfonic acid (4.5 mg, 30 µmol) and
HFIP (1.0 mL). Purification by silica gel column chromatography (hexane–
EtOAc=5/1) to give 24 (76 mg, 89%) as a brown solid. 1H NMR (500 MHz, CDCl3): d 7.58 (dd, J = 7.0, 8.2 Hz, 2H), 7.65 (dd, J = 8.2, 7.0 Hz, 2H), 7.91
(d, J = 8.6 Hz, 2H), 8.00 (d, J = 8.2 Hz, 2H), 8.22 (d, J = 8.6 Hz, 2H), 8.25 (d, J = 8.2 Hz, 2H). 13C
NMR (126 MHz, CDCl3): d 119.8, 124.3, 125.7, 126.1, 126.8, 129.0, 129.1, 132.1, 133.8, 136.7.
Spectral data for this compound showed good agreement with the literature data.8)
3,4-bis{2-[(1,3-dioxolan-2-yl)methyl]phenyl}thiophene (21)
A dioxane (5.6 mL) and H2O (2.8 mL) solution of
3,4-dibromorhiophene (27, 411 mg, 1.71 mmol),
2-{2-[(1,3-dioxolan-2-yl)methyl]phenyl}-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,
SO
O
O
O
S
S
-
23
2-dioxaborolane (1.1 g, 3.7 mmol), Pd2(dba)3·CHCl3 (22 mg, 21 µmol), SPhos (38 mg, 93 µmol),
and K3PO4 (2.2 g, 10 mmol) was degassed by using the freeze-pump-thaw method three times. After
stirring at 100 °C for 2 h, organic materials were extracted with EtOAc three times, and the
combined extracts were washed with brine and dried over Na2SO4. After removal of the solvent
under reduced pressure, the residue was purified by silica gel column chromatography (hexane) to
give 21 (530 mg, 81%) as a brown solid. 1H NMR (500 MHz, CDCl3): d 3.19 (d, J = 5.0 Hz, 4H), 3.81–3.85 (m, 4H), 3.90–3.95 (m, 4H),
5.10 (dd, J = 5.0, 5.0 Hz, 2H), 7.06 (s, 2H), 7.26 (dd, J = 7.5, 7.5 Hz, 2H), 7.31 (dd, J = 7.5, 7.5 Hz,
2H), 7.44 (dd, J = 7.5, 7.5 Hz, 4H). 13C NMR (126 MHz, CDCl3): d 37.8, 64.8, 104.4, 126.6, 127.0,
127.8, 130.9, 131.0, 134.48, 134.53, 142.6. IR (neat): n˜ 2883, 1508, 1396, 1133, 1039, 761 cm–1.
EA: Cald. For C24H24SO2: C 70.56%, H 5.92%; Found: C 70.20%, H 5.76%.
2,5-bis{2-[(1,3-dioxolan-2-yl)methyl]phenyl}thiophene (23)
A dioxane (6.7 mL) and H2O (3.3 mL) solution of
2,5-dibromorhiophene (28, 483 mg, 2.01 mmol),
2-{2-[(1,3-dioxolan-2-yl)methyl]phenyl}-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-
dioxaborolane (1.3 g, 4.4 mmol), Pd2(dba)3·CHCl3 (26 mg, 25 µmol),
PPh3 (26 mg, 0.10 mmol), and K3PO4 (2.5 g, 12 mmol) was degassed
by using the freeze-pump-thaw method three times. After stirring at 100 °C for 2 h, organic
materials were extracted with EtOAc three times, and the combined extracts were washed with brine
and dried over Na2SO4. After removal of the solvent under reduced pressure, the residue was
purified by silica gel column chromatography (hexane–EtOAc=5/1) to give 23 (536 mg, 70%) as a
brown solid. 1H NMR (500 MHz, CDCl3): d 2.81 (d, J = 5.0 Hz, 4H), 3.76–3.79 (m, 4H), 3.88–3.91 (m, 4H),
4.81 (dd, J = 5.0, 5.0 Hz, 2H), 7.02–7.06 (m, 4H), 7.15 (dd, J = 7.7, 7.7 Hz, 2H), 7.29 (d, J = 7.7 Hz,
2H), 7.34 (s, 2H). 13C NMR (126 MHz, CDCl3): d 37.3, 64.7, 104.5, 124.4, 125.9, 127.2, 130.0,
131.0, 134.6, 136.5, 141.4. IR (neat): n˜ 3060, 2883, 1481, 1396, 1132, 1035, 822, 760, 580 cm–1.
HRMS (APCI+): m/z calcd. for C24H25SO2 [M + H]+: 409.1468; found: 409.1451.
SO
O
OO
-
24
第 5章 参考文献
1) Zhao, Z. H.; Zhang, M. Y.; Liu, D. H.; Zhao, C. H. Org. Lett. 2018, 20, 7590.
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5) op den Brouw, P. M.; Laarhoven, W. H. Recl. Trav. Chim. Pays-Bas. 1978, 97, 265.
6) 庄司訓章, 筑波大学大学院数理物質科学研究科修士論文 (2020).
7) Sadorn, K.; Sinananwanich, W.; Areephong, J.; Nertngsi, C.; Wongma, C.; Pakawatchai, C.;
Thongpanchang, T. Tetrahedron Letters. 2008, 49, 4519.
8) Klemm, L. H.; Stevens, M. P.; Tran, L. K.; Sheley J. J, Heterocyclic Chem. 1998, 25, 1111.
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謝辞
本研究を進めるにあたり御指導、御鞭撻を賜りました、本学教授 市川 淳士 先生に
心から感謝の意を表します。
本研究を進めるにあたり、直接の御指導を賜り、数々の有益な御助言を頂きました本学
助教 藤田 健志 博士に深く感謝致します。
実験を進める上で適切な御助言を頂きました、本学准教授 渕辺 耕平 博士に心から御
礼申し上げます。
実験方法から基礎知識など適宜御指導を頂きました、庄司 訓章 氏に深く感謝致します。
実験の基本技術や研究姿勢を教えてくださった諸先輩方、研究の苦楽を共に分かち合っ
た同輩に厚く御礼申し上げます。
最後に、研究生活を精神的、経済的に支えてくださった両親、弟、祖父母をはじめとし
て親戚の方々に心から感謝致します。
2020年 3月