[16]Helicene

ベンゼン環は何個までらせん状に縮環できるのだろうか

“One-Step Synthesis of [16]Helicene”
Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 6847–6851.
[DOI: 10.1002/anie.201502436]

ヘリセン合成の歴史は古く、1955年のNewmanらによる[6]ヘリセンの初の合成から60年以上経過しています。私たちが研究を開始するまで最長のヘリセンは、1975年にMartinらによって合成された[14]ヘリセンであり、40年もの間、その最長の記録は更新されていませんでした。

ヘリセンとは
[n]ヘリセンは、n個の芳香環がオルト位でらせん状に縮環した多環芳香族化合物の総称です。この分子は不斉中心を持ちませんが、環の数が増えていくと両末端の芳香環どうしの立体反発により、らせん状にねじれた光学異性体(右巻き・左巻き)が生じます。一般的に平面状に広がるπ共役系が三次元的にゆがんで立体的に広がることから、ヘリセンはπ共役系化合物の構造と物性を議論する上で重要な化合物であります。とりわけ、ベンゼン環のみが縮環したカルボヘリセンは最も基本的なヘリセンであり、その合成から物性まで広く研究の対象になっています。

[6]Helicene


縮環するベンゼン環の数が大きくなると、[7]ヘリセンからはベンゼン環が2層重なった構造が、[13]ヘリセンからはベンゼン環が3層重なった構造が現れます。とりわけ、3層構造になると、中央の層が上下の層から圧迫され立体的なひずみを解消しにくく、その合成が難しくなると予想されます。

多層構造をもつヘリセン
Multi-layerd helicenes

[14]ヘリセンをはじめ、その多くのヘリセンは、スチルベン誘導体の酸化的光環化によって合成されてきました。例えば、[4]ヘリセンは、ナフタレン環とベンゼン環をC=C結合で連結した[2]+[1]型の前駆体から合成できます。以下同様に、縮環したn個のベンゼン環を”[n]”、C=C結合を”+”と略記して、光環化反応の前駆体の構造を示します。

[4]Helicene formationここで注目したのが、[2]+[1]型の前駆体に光を照射すると、[4]ヘリセンを位置選択的に与えることです。すなわち、「ナフタレン環とベンゼン環をC=C結合を介して連結したオリゴマーは、光照射で折り畳まれてヘリセンに変換される潜在能力を秘めている」と考えました。

スチルベン誘導体の酸化的光環化
光照射でC=C結合のシス-トランス異性化(EZ異性化)が素早く起こるため、E/Zが混在した状態で光環化を行うことができます。[2]+[1]型の前駆体から[4]ヘリセンが位置選択的に生成する理由は、電子環状反応により生成する2種類のジヒドロ中間体ABの共鳴安定化の違いに起因し、フェナントレン型の中間体Aの方が、アントラセン型の中間体Bよりも熱力学的に安定で寿命が長いことが知られています。芳香環がオルト位で縮環したヘリセンは、どの3枚の縮環構造を見ても必ずフェナントレンの構造を持っているため、フェナントレン型の環化生成物が優先的に生じる反応機構は、ヘリセンの骨格構造の構築に有利に働くと考えられます。

[4]Helicene mechanismしかしここでは電子的な側面しか考慮しておらず、立体的な側面を考慮していません。後述のように、[2]+[1]+[2]配列から[7]ヘリセンではなく平面状のジナフトアントラセンが優先的に生じてしまうことは、立体的な側面も考慮しなくてはいけないことを意味しています。


しかし、ことはそんなに単純ではありませんでした。例えば、[2]+[2]あるいは[1]+[1]+[1]配列からは[5]ヘリセンが生じますが、これがさらに酸化されてベンゾペリレンに変換されます。また、[2]+[1]+[2]配列からは[7]ヘリセンではなく、平面状のジナフトアントラセンが優先的に生じます。

Unfavorable side reactions

したがって、[2]と[2]の間に[1]+[1]を含む配列

···+[2]+[1]+[1]+[2]+[1]+[1]+[2]+···

をもつ前駆体のみが光照射下で生じる副生成物を最小にすることができ、一段階の酸化的光環化で高次ヘリセンに変換できると推測しました。この設計指針の妥当性は、[2]+[1]+[1]+[2]型の前駆体の酸化的光環化による[9]ヘリセン合成で実証し、従来の[9]ヘリセン合成と比較しても遜色ない収率で光環化が進行することが分かりました。

[9]Helicene

一段階の酸化的光環化
従来の酸化的光環化による高次ヘリセン合成では、前駆体に[3]以上のユニット([3], [4], [6])が含まれています。これらのユニットも酸化的光環化によって前もって合成する必要があり、高次ヘリセンを合成するためには、全体を通して光照射(酸化的光環化)を複数回行う必要がありました。

[9]Helicene synthesis (comparison)私たちが”一段階”の光環化にこだわった理由がここにあります。今回使用した[2]+[1]+[1]+[2]型の前駆体は、従来の前駆体と比べて簡便に合成できるだけでなく、一回の光照射で短工程で[9]ヘリセンを合成することができます。

さらに、この設計指針を基にして、[2]+[1]+[1]+[2]+[1]+[1]+[2]型の前駆体から一段階の酸化的光環化で[16]ヘリセンの合成に成功しました。この前駆体にはC=C結合部位が6箇所ありますが、平均64%の効率で6回の光環化が正しく行われたことになります[(0.64)6≈0.07; 収率7%]。[16]ヘリセンの構造は最終的にX線で確認できました。(3D構造をJSmol*で表示しました。)

[16]Helicene

実際には、両末端にかさ高いTIPSO (= triisopropylsilyl ether)基を導入した前駆体を用いて光環化を行っています。光環化後、さらに3段階の変換でTIPSO基を除去し、無置換の[16]ヘリセンを得ることにも成功しています。

今回の研究成果は、最長ヘリセンの記録更新のみならず、光環化によるヘリセン合成で用いる前駆体の設計指針を与えることができたと考えています。ナフタレン環とベンゼン環をC=C結合を介して連結した単純なオリゴマーであっても、そのナフタレン環とベンゼン環を適切に配置すれば、一段階の酸化的光環化で高次ヘリセンを得ることができます。あたかも、にょろにょろと長いヘビがとぐろを巻くように。

本研究内容の詳細については こちら をご覧ください。
ワイリー・サイエンスカフェでご紹介頂きました。
Chem-Stationでご紹介頂きました。
*月刊誌「現代化学」2015年7月号でご紹介頂きました(p.11)。
Synfacts 2015, 11, 718でご紹介頂きました。
 

本研究を進めるにあたり、ご指導、ご助言を賜りました東京大学・藤田誠教授、また、実際の合成から解析まで担当してくれた森一晋くんに感謝いたします。


*JSmol: an open-source HTML5 viewer for chemical structures in 3D. http://wiki.jmol.org/index.php/JSmol#JSmol.