大阪大学大学院工学研究科応用化学専攻の神戸宣明教授、岩﨑孝紀助教らの研究グループは、有機フッ素化合物 の炭素 とフッ素 の結合を切断し、新たに炭素と炭素の結合を作るコバルト触媒の開発に成功しました （図1） 。

フッ素はテフロン樹脂から想像できる様に、炭素と非常に安定な化合物を作ります。そのため、有機フッ素化合物の炭素とフッ素の結合を切断することは容易ではないと考えられてきました。

今回、神戸宣明教授、岩﨑孝紀助教らの研究グループは、適切な触媒を設計することにより、この最強の結合を切断するクロスカップリング反応 を開発しました。また、今回開発した触媒は炭素とフッ素の結合を選択的に切断する特徴があります。すなわち、有機合成の反応試薬 として広く利用されている臭素や塩素といったより反応性の高いハロゲン と炭素の結合を損なうことなく、最強の炭素—フッ素結合を切断します。本研究により、これまで安定すぎて使えないと考えられていた有機フッ素化合物の新たな利用価値を明らかにしました。また、従来の触媒反応と本研究成果を組み合わせることで有機化合物を自在に合成することが期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Organic Letters」の速報版としてジャーナルHPに、2017年7月7日（金）（日本時間）に公開されました。

図1　本研究の概略

フッ素は周期表で右から二番目のハロゲン元素の一番上に位置する元素です。フッ素はテフロンなどのフッ素樹脂や歯磨き粉、代替フロンなど身の回りで多く利用されています。その特徴は、テフロンから想像できる様に炭素と非常に安定な化合物を作ることにあります。この炭素とフッ素の安定な結合は、医薬品の安定性を改善するためにも使われています。一方、炭素とフッ素の結合が強すぎるため、これを切断し有機合成に利用することは困難と考えられていました。実際に、有機ハロゲン化合物と有機ホウ素化合物 とのクロスカップリング反応に有機フッ素化合物を加えても炭素—フッ素結合は全く反応しません。また、有機合成によく利用される触媒反応の多くは炭素—フッ素結合を切断することができません。そのため、従来のクロスカップリング反応では、有機ハロゲン化合物として反応性に優れる臭素およびヨウ素化合物が使われていました。

本研究グループは、2013年にハロゲン化アルキル と有機マグネシウム試薬（グリニャール試薬） とのクロスカップリング反応に高い触媒性能を示すコバルト触媒を開発しました。以前の研究ではハロゲン化アルキルのハロゲンとして反応性に優れるヨウ素と臭素が利用できることを明らかにしていましたが、フッ素の場合には効率が低いことを報告していました。今回、このコバルト触媒を改良することにより、有機フッ素化合物の一種である、フッ化アルキルにも利用できる触媒の開発に成功しました （図2） 。

図2　コバルト触媒によるフッ化アルキルとグリニャール試薬とのクロスカップリング反応

これまで有機合成は反応試薬として利用されていなかったフッ化アルキルが、適切な触媒を用いることにより優れた反応試薬となることが明らかとなりました。さらに、炭素—フッ素結合が様々な反応試薬や触媒と反応しないことを利用すると、これまでの合成経路を一変する様な反応経路の設計が可能となります。例えば、 図3 に示すように、炭素—フッ素結合を持つ原料に対して、宮浦—ハートウィグホウ素化反応 、鈴木—宮浦カップリング反応を行うことにより、フッ素を損なうことなくビアリール骨格 を作ることができます。ついで、本研究成果であるコバルト触媒を用いることにより、フッ素をアルキル基に変換することが可能です。

他にもさまざまな触媒反応に対してフッ化アルキルが不活性であることを明らかにしました。また、今回開発したコバルト触媒が従来の触媒反応の基質として用いられるベンゼン環に結合した臭素とは全く反応しないなど、従来の触媒と相補的な反応性を示すことも解明しました。

従来の触媒反応と本研究成果を組み合わせることにより、有機化合物を自在に合成するツールになると期待できます。また、これまで反応試薬として利用が進んでいなかった有機フッ素化合物の反応試薬としての価値を見直すきっかけになり、同じハロゲン元素の塩素、臭素、ヨウ素と同じようにフッ素の利用範囲が広がると期待されます。

図3　本研究成果と既存の触媒反応を組み合わせた合成反応の例

本研究成果は、2017年7月7日（金）（日本時間）に米国科学誌「Organic Letters」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Co-Catalyzed Cross-Coupling Reaction of Alkyl Fluorides with Alkyl Grignard Reagents”
著者名：Takanori Iwasaki, Koji Yamashita, Hitoshi Kuniyasu, and Nobuaki Kambe
DOI：10.1021/acs.orglett.7b01370

なお、本研究は、日本学術振興会の科学研究費補助金および日独共同大学院プログラム、文部科学省科学研究費補助金新学術領域研究（中分子戦略）、公益財団法人住友財団、公益財団法人上原記念生命科学財団、ならびに公益財団法人池谷科学技術振興財団の支援を受けて行われました。

これまで有機フッ素化合物はその安定性から反応試薬としては全く注目されていませんでした。しかし、我々は最近、今回の研究成果を含め、フッ化アルキルを反応試薬として用いる反応を多数開発しています。また、幾つかの反応では他の有機ハロゲン化合物では反応性が高すぎるためか反応が複雑になり、望む化合物が得られないこともあります。

これらの成果は、有機フッ素化合物の反応試薬としての潜在的な可能性を示すものです。将来的には他の有機ハロゲン化合物と同じように有機フッ素化合物が実験室の試薬棚に並び、化学者の合成ツールとして利用されるようになることを期待しています。