相乗触媒作用

相乗触媒とは、少なくとも2つの異なる触媒が2つの異なる基質に同時に作用して、2つの活性物質間の反応を可能にする触媒の特殊なアプローチです。触媒は反応全体のエネルギーを下げる働きをしますが、相乗触媒を使用した反応は、分子の1つのHOMOのエネルギーレベルを上げ、別の分子のLUMOを下げるように一緒に働きます。^[1]この概念は合成経路の開発において重要になってきましたが、この戦略は生物系でもよく見られます。

相乗触媒は、特に両方の基質が化学量論量の活性剤による、または事前の別の反応による何らかの重要な活性化を必要とする場合に、さまざまな反応に使用されています。相乗触媒は、1 つの触媒が 1 つの基質を活性化する一方で、もう 1 つの触媒が別の基質を活性化するという性質により、他のマルチ触媒システムとは異なります。マルチ触媒システムには、1 つの基質を活性化するために 2 つの触媒が必要な二重活性化触媒や、1 つの触媒が最初に基質を変換し、次に 2 番目の触媒によって活性化されて反応するカスケード触媒など、他のタイプもあります。^{[2] [3] [4]}

この分野は、通常の合成戦略では合成できない分子を提供するという点で特に有望ですが、解決すべき問題がいくつかあります。そのような問題の一つは、触媒同士の自己消光です。例えば、触媒の1つがルイス酸で、もう1つがルイス塩基の場合、ルイス酸塩基複合体が形成される可能性がありますが、ペアを慎重に選択することでこれを克服できます。^[5]

相乗触媒は生物系では非常に一般的です。^[6]反応は、分子が基質としてタンパク質に結合して活性化し、本質的に活性化水素化物であるNADPHなどの補酵素と反応することによって起こります。この具体的な例は、酵素ジヒドロ葉酸還元酵素によるテトラヒドロ葉酸の合成によって示されています。ジヒドロ葉酸還元酵素はイミンをプロトン化することでジヒドロ葉酸を触媒的に活性化し、一方、本質的に補因子NADP ⁺によって活性化された水素化物源であるNADPHが入り込み、イミンに水素化物を付加して生成物を得ることができます。 [ ^7]

2種類の遷移金属触媒を組み合わせることで、相乗触媒作用により多くの化学変換が促進され、さらには個別の触媒では実現できない高いエナンチオ選択性も誘導されることが報告されています。澤村らは、ロジウムとパラジウムの錯体の混合物を触媒とするニトリルのエナンチオ選択的アリルアルキル化の初期の例を報告しました。 ^[8]キラル配位子を単独で用いたパラジウム触媒では​​高収率が得られましたが、エナンチオ選択性は観察されませんでした。ロジウム触媒のみを使用しても反応はまったく進行しませんでした。しかし、両方を併用すると、変換の高収率とエナンチオ選択性の両方が得られました。

彼らは、キラルな遷移金属錯体を生成するために、トランスキレートキラルホスフィン配位子（AnisTRAP）を使用しました。彼らが提案したメカニズムスキームでは、 α-シアノエステルからエノラートが形成され、ロジウム触媒に配位し、パラジウム触媒へのアリルカーボネートの脱炭酸および酸化付加によりπ-アリルパラジウム（II）錯体が形成されます。その後、エノラートがπ-アリルパラジウム（II）錯体をエナンチオ選択的に攻撃し、光学活性生成物を生成します。

2つの遷移金属触媒を使用する以外に、1つの遷移金属触媒を有機触媒と組み合わせて使用​​​​することによっても相乗触媒作用を実行できます。ここでは、アルデヒドの相乗的なα-アリル化は、キラルアミン触媒と組み合わせて遷移金属錯体を使用することで達成されました。^{[9] [10]} 2013年に、Carreiraと同僚は、分岐アルデヒドの非常にエナンチオ選択的およびジアステレオ選択的なα-アリル化を報告しました。^{[11]彼らは、キラルな第一級}アミンと、キラルな配位子と錯体を形成したイリジウム触媒を使用して、α位とβ位に2つの新たに形成された立体中心を持つ生成物を与えました。

2 つのキラルアミンとキラル配位子のエナンチオマーをマッチングさせることで、生成物の 4 つの立体異性体すべてを良好な収率で得ることができました。さらに重要なことは、この触媒システムは両方の立体中心の立体化学構成を同時に、ほぼ完全に制御できることです。