N-複素環カルベンの有機触媒反応。カルベンの有無にかかわらず？

N-Heterocyclic Carbene Organocatalysis: With or without Carbenes?

• Sascha Gehrke
• Oldamur Holloczki

抄録

本研究では、塩基の存在下でアゾリウムカチオンが触媒となるアルデヒドのウンポラング反応のメカニズムを計算機的手法を用いて研究した。1950年代にブレスローによって確立された、遊離カルベンの生成を介して反応が進行するメカニズムに続いて、私たちは、これらの反応が、カルベン中間体の生成を避けて、アゾリウム陽イオンが直接基質と反応するという、協調した非同期的な経路をたどることを提案しました。本研究では、アゾリウムカチオンを置換しても、塩基や基質を変えても、協調反応機構の選択性に影響を与えないことを示した。チアミンとモデル基質との反応においても、協調反応機構は低い障壁を示すことがわかった。協調反応機構の優位性は、水素結合相互作用によって基質を活性化しながら、反応性の高い不安定なカルベンのロンペアの解放を避け、鍵となる遷移状態の特定の構造によって説明できる。極性溶媒や水素結合溶媒、アゾリウム塩の対イオンの存在は、カルベンを介した反応を促進し、2つの反応機構の障壁を近づけ、多くの場合、協調した経路をより好ましくないものにします。このように、私たちのデータは、反応に含まれる成分を正確に選択することで、カルベンの有無にかかわらず、反応機構を切り替えることができることを示しています。

In this work the mechanism of the aldehyde umpolung reactions, catalyzed by azolium cations in the presence of bases, was studied through computational methods. Next to the mechanism established by Breslow in the 1950s that takes effect through the formation of a free carbene, we have suggested that these processes can follow a concerted asynchronour path, in which the azolium cation directly reacts with the substrate, avoiding the formation of the carbene intermediate. We hereby show that substituting of the azolium cation, varying the base or the substrate, does not affect the preference for the concerted reaction mechanism. The concerted path was found to exhibit low barriers also for the reactions of thiamine with model substrates, showing that this path might have biological relevance. The dominance of the concerted mechanism can be explained through the specific structure of the key transition state, avoiding the liberation of the highly reactive, and thus unstable carbene lone pair, while activating the substrate through hydrogen bonding interactions. Polar and hydrogen bonding solvents, as well as the presence of the counterions of the azolium salts facilitate the reaction through carbenes, bringing the barriers of the two reaction mechanisms closer, in many cases making the concerted path less favorable. Thus, our data shows that by choosing the exact components in the reaction, the mechanism can be switched to occur with or without carbenes.

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