有機銅化学

有機銅化学は、炭素と銅の化学結合を含む有機金属化合物である有機銅化合物の物理的性質、反応、および合成を研究する分野です。^{[1] [2] [3]これらは}有機化学における試薬です。

最初の有機銅化合物である爆発性の銅(I)アセチリド Cu ₂ C ₂ ( Cu−C≡C−Cu )は、1859年にルドルフ・クリスチャン・ベトガーによって、アセチレンガスを塩化銅(I)溶液に通すことで合成されました。^[4]

C ₂ H ₂ + 2 CuCl → Cu ₂ C ₂ + 2 HCl

有機銅化合物は構造や反応性が多様ですが、ほとんどすべてが酸化状態が+1 の銅をベースとしており、Cu(I) またはCu ^{+ と}表記されることもあります。価電子殻に 10 個の電子を持つCu(I) の結合挙動は Ni(0) に似ていますが、酸化状態が高いため、π バックボンディングが少なくなります。銅のより高い酸化状態 +2 および +3 の有機誘導体は、反応中間体として時々遭遇しますが、単離されることはめったになく、観察されることさえありません。

有機銅化合物は、アルキルホスフィン（R ₃ P）、チオエーテル（R ₂ S）、シアン化物（CN ⁻ ）などのさまざまなソフト リガンドと錯体を形成します。

Cu ⁺の球状電子殻のため、銅(I)錯体は、配位子の数に応じて、 直線状、三角平面状、または四面体状の対称構造をとります。

銅(I)塩は、弱いながらもCOと結合することが古くから知られています。代表的な錯体はポリマーであるCuCl(CO)です。古典的な金属カルボニルとは対照的に、これらの化合物ではπバック結合は強くありません。^[5]

アルケンは銅(I)と結合しますが、これも一般的には弱い結合です。タンパク質中のエチレンと銅の結合は植物生物学において非常に重要な意味を持ち、エチレンは植物ホルモンに分類されています。銅タンパク質によって検出されるエチレンの存在は、成熟やその他の多くの発達に影響を与えます。^[6]

銅はメタロセンを形成しないが、半サンドイッチ錯体を生成することができる。そのような誘導体の一つがπ-シクロペンタジエニル（トリエチルホスフィン）銅（I）である。^[7]

ハロゲン化銅は有機リチウム試薬と反応して有機銅化合物を与える。この分野は、1936年にメチル銅を報告したヘンリー・ギルマンによって開拓された。したがって、フェニル銅は、ジエチルエーテル中のフェニルリチウムと臭化銅(I)の反応によって生成される。グリニャール試薬は、有機リチウム化合物の代わりに使用できる。ギルマンは、ジアルキル銅酸塩も研究した。これらは、2当量のRLiとCu(I)塩を組み合わせることによって得られる。あるいは、これらの銅酸塩は、1当量の有機リチウム試薬で処理することによって、オリゴマー中性有機銅化合物から生成される。

[CuR _n ] ^{( n −1)−}型の化合物は酸素および水に対して反応性があり、酸化銅(I)を形成する。また、熱的に不安定である傾向があり、特定のカップリング反応に有用となり得る。これらの困難にもかかわらず、またはそのせいで、有機銅試薬は単離されることなく、その場で生成され消費されることが多い。これらは、対応するグリニャール試薬や有機リチウム試薬よりも官能基許容度が高いため、有機合成においてアルキル化試薬として使用される。銅の電気陰性度は、第 12 族元素で隣り合う亜鉛よりもはるかに高く、炭素配位子の求核性が低下していることを示唆している。

銅塩は末端アルキンと反応してアセチリドを形成します。

アルキルハライドは有機銅化合物と反応して立体配置を反転させる。一方、有機銅化合物とアルケニルハライドの反応は基質の立体配置を保持したまま進行する。^[8]

有機銅化合物はアリールハロゲン化物と結合します（ウルマン縮合とウルマン反応を参照）。

${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{ArX}+ (Ar')2CuLi}}\ &{\ce {<=> {ArAr'CuLi}+ Ar'X}}\\{\ce { 2ArAr'CuLi}}\ &{\ce {<=> {(Ar)2CuLi}+ (Ar')2CuLi}}\\{\ce {{ArAr'CuLi}+ O2}}\ &{\ce {-> Ar-Ar'}}\end{整列}}}$^{[説明が必要]}

アルキルおよびアリール銅錯体は、結晶状態でも溶液中でも凝集する。凝集は、電荷中性の有機銅化合物、すなわち、環状構造をとる実験式(RCu) の種で特に顕著である。各銅中心には少なくとも 2 つの配位子が必要なので、有機基は架橋配位子である。この効果は、五量体であるメシチル銅の構造によって例証される。環状構造は、CuCH ₂ SiMe ₃ (Me はメチル基CH ₃を表す) にも見られる。これは、X 線結晶構造解析によって分析された最初の 1:1 有機銅化合物(1972 年、Lappert による) である。この化合物は、かさ高いトリメチルシリル基が立体的保護を提供するため、比較的安定している。これは四量体であり、Cu-C 結合が交互に繰り返される 8 員環を形成する。さらに、4 つの銅原子は、3 中心 2 電子結合に基づく平面Cu ₄環を形成する。銅と銅の結合長は242 pmで、バルク銅の256 pmと比較して長い。ペンタメシチルペンタ銅では、（2,4,6-トリメチルフェニル）金に似た5員銅環が形成され、ペンタフルオロフェニル銅は四量体である。^[9]

リチウムジメチル銅(I)はジエチルエーテル中で二量体となり、2つのリチウム原子が2つのメチル基を結合した8員環(Li ⁺ [Cu(CH ₃ ) ₂ ] ⁻ ) _2を形成する。同様にリチウムジフェニル銅(I)は固体状態で二量体エーテラート([Li(O(CH ₂ CH ₃ ) ₂ )] ⁺ [Cu Ph ₂ ] ⁻ ) _2を^{形成する。 [10]}

通常はまれな Cu(III) 酸化状態の関与が、ギルマン試薬のエノンへの共役付加反応で実証されています: ^[11] -100 °C でのいわゆる急速注入NMR実験では、ヨウ化リチウムで安定化されたギルマン試薬Li ⁺ [Cu(CH ₃ ) ₂ ] ⁻をシクロヘキセノン( 1 )に導入し、銅 — アルケンπ 錯体2を検出できました。続いてトリメチルシリルシアニドを加えるとCu(III) 種3が形成され (その温度では無期限に安定)、温度を -80 °C に上げると共役付加生成物4 が生成されます。付随するコンピューター内実験^[12]によると、 Cu(III) 中間体は四角平面分子構造を持ち、シアノ基はシクロヘキセニルメチン基に対してcis配向し、メチンプロトンに対して反平行になっています。この研究では、シアノ基以外の配位子を用いて室温で安定な Cu(III) 化合物を予測しています。

パラジウム触媒によるクロスカップリング反応が開発される前は、ほぼ1世紀にわたって銅が好まれていた触媒でした。パラジウムはより速く、より選択的な反応を提供します。銅試薬と触媒は革新の対象であり続けています。パラジウムに比べて銅は安価ですが、銅では回転数が低く、反応条件がより激しくなることがよくあります。^[13]

Li ⁺ [CuR ₂ ] ⁻とアルキルハロゲン化物R'−Xとの反応によりカップリング生成物が得られる。

Li ⁺ [CuR ₂ ] ⁻ + R'−X → R−​​R' + CuR + LiX

反応機構は、アルキルハロゲン化物がCu(I)に酸化付加（OA）して平面Cu(III)中間体を形成し、続いて還元脱離（RE）が起こるというものである。求核攻撃が律速段階である。ヨウ化物の置換では、一電子移動機構が提案されている（図を参照）。

${\displaystyle [{\ce {R}}{-}{\color {Blue}{\ce {Cu}}}{\ce {-R}}]^{-}{\ce {Li+}}\ { \xrightarrow {\color {Red}{\ce {R'-X}}}}\ \left[{\ce {R}}{-}{\overset {{\displaystyle \color {Red}{\ce { R}}'} \atop |}{\underset {| \atop {\displaystyle \color {Red}{\ce {X}}}}{\color {Blue}{\ce {Cu}}}}}{\ce {-R}}\right]^{-} {\ce {Li+}}{\ce {->R}}{-}{\color {青}{\ce {Cu}}}+{\ce {R}}{-}{\color {赤} {\ce {R'}}}+{\ce {Li}}{-}{\color {レッド}{\ce {X}}}}$

この反応には多くの求電子剤が関与する。反応性の順序は、最も反応性の高いものから順に、酸塩化物^[14] >アルデヒド>トシル酸塩～エポキシド>ヨウ化物> 臭化物>塩化物>ケトン>エステル>ニトリル>>アルケンである。

一般的にOA-REのメカニズムはパラジウム触媒クロスカップリング反応のメカニズムと類似している。銅とパラジウムの違いの一つは、銅は一電子移動過程を経ることができることである。^[8]

酸化カップリングは、グレイザーカップリング（例えばシクロオクタデカノナエンの合成）における銅アセチリドと共役アルキンとのカップリング、またはカストロ・ステファンズカップリングにおけるアリールハロゲン化物とのカップリングである。

還元カップリングは、ウルマン反応で起こる、ハロゲン化アリールと銅金属の化学量論当量とのカップリング反応である。脱炭酸クロスカップリングと呼ばれる関連反応では、カップリングパートナーの1つはカルボキシレートである。Cu(I) はカルボキシル基を置換して、アリール銅 (ArCu) 中間体を形成する。同時に、パラジウム触媒がアリール臭化物と反応して有機パラジウム中間体 (Ar'PdB) を生成し、これが金属交換反応を起こしてArPdAr' を生成し、これが還元的にビアリールを除去する。^{[15] [16]}

酸化還元中性カップリングは、カディオ・ホドキエヴィチカップリングにおいて、末端アルキンとハロアルキンと銅(I)塩とのカップリングである。2つの有機銅化合物の熱カップリングも可能である。

カルボ銅化反応は、有機銅試薬（R−Cu）をアセチレンまたは末端アルキンに求核付加させてアルケニル銅化合物（R ₂ C=C(R)−Cu）を生成する反応である。^{[17]これは}カルボメタル化反応の特殊なケースであり、ノルマント反応とも呼ばれる。^{[18] [19]}

• Chan -Lam カップリングは、アリール炭素-ヘテロ原子結合の形成を可能にします。このカップリングには、ボロン酸、スタンナン、またはシロキサンと NH または OH 含有基質とのカップリングが含まれます。
• ウルマン反応は、銅を介したアリールハロゲン化物の反応です。ウルマン反応には 2 つの種類があります。
  1. 対称ビアリール化合物の古典的な銅促進合成
  2. 銅促進求核芳香族置換反応。
• 薗頭カップリング反応は銅とパラジウムの両方を利用し、アリールおよび/またはビニルハロゲン化物と末端アルキンとのカップリングを伴います。

銅水素化物は特殊な還元剤です。よく知られている銅水素化物はストライカー試薬で、化学式は[(PPh ₃ )CuH] _{6です。これは}α,β-不飽和カルボニル化合物のアルケン部分を還元します。^{[21]関連する触媒反応では、銅(I)} NHC錯体とヒドロシランによって提供される水素化物当量を使用します。^{[22] [23]}

一般に、有機銅試薬のアルキル化反応はγ-アルキル化を経て進行する。立体的理由から、シクロヘキシルカルバメートではシス-γ攻撃がよりよく起こる。反応はエーテル溶媒中で有利であると報告されている。この方法は、アミンとアルキル（tert-ブチルを含む）およびアリールハライドの酸化カップリングに非常に効果的であることが証明されている。^[24]

カルボ銅化/向山アルドール反応シーケンスを用いた近接官能基化：^[25]

Muller と共同研究者は、カルボ銅化 / 向山アルドール反応シーケンス (上図参照) を使用した α,β-アセチレンエステルの隣接官能基化を報告しました。カルボ銅化は Z-アルドールの形成を促進します。

• エチル銅

• ヤオ、B.リュウ、Y.趙、Ｌ．王D.王 M. (2014)。 「Cu(II)-ArCu(II)-ArCu(III)-Cu(I) 触媒サイクルの設計: 周囲条件下で空気を酸化剤として使用した、Cu(II) 触媒による酸化的アレン C-H 結合アジド化」。Ｊ．Ｏｒｇ．化学。79 (22): 11139–11145。土井：10.1021/jo502115a。PMID  25350606。
• 山本 勇; 山本 聡; 谷田貝 秀; 丸山 健 (1980)。「ルイス酸を介した有機銅試薬の反応。RCu.BF _{3によるアリルハロゲン化物の}著しく強化された位置選択的ガンマ攻撃およびアリルアルコールの直接アルキル化」。アメリカ化学会誌。102 (7): 2318–2325。doi :10.1021/ja00527a032。