水素結合を介した電子供与体–受容体触媒によるオレフィンのヒドロスルホニル化およびスルホニル脱水素反応

光で有用な分子を形作る

化学者は医薬品や材料に用いられる複雑な分子をより穏やかな方法で合成する手段を常に探しています。本研究は、単純で安価な試薬と可視光を組み合わせることで、穏やかな条件下で価値の高い硫黄含有の構成要素を作る方法を示しています。分子同士が一時的に水素結合で結びついた状態で光を当てることで、研究者たちは炭素鎖を制御してつなぎ合わせる反応性粒子への新しい経路を開きます。

光駆動化学の新たなひねり

現代有機化学では、短寿命で反応性の高いフラグメント（ラジカル）を光で生成し、新しい結合を形成する手法がよく用いられます。多くの方法は光を吸収して電子を移す金属ベースの光触媒に依存しますが、本研究のチームは電子供与体–受容体（EDA）ペアに基づく別の戦略に着目しました。これは一方の分子がわずかな電子密度を譲り、もう一方が受け取ってゆるい相互作用を作り、光で直接活性化できるという考え方です。電子供与体が触媒的に働くバージョンは既に広く研究されていますが、電子を受け取る側が主要な役割を果たす触媒系の発展は比較的遅れていました。

光に応答するペアをやさしい結合で準備する

研究者たちは、単純な環状塩基であるピリジンが、まずスルフィン酸と水素結合を形成することで電子を受け取る側として機能できることに気付きました。スルフィン酸はプロトンと電子の供給源であり、この一時的な抱擁では酸の水素がピリジンの窒素に向かっており、両者の電子雲が相互作用するほど近づきます。計算では、最も高い占有軌道が硫黄基に、最も低い空軌道がピリジン環に位置しており、光を吸収した際の電子移動が起こりやすい状態が整うことが示されます。この水素結合は永久的な構造を作るわけではなく、光誘起反応が起こるのに十分な短い時間だけペアを整列させます。

穏やかな条件下で硫黄に富む生成物を作る

水素結合したペアに青色光を当てると、スルフィン酸からピリジンへプロトンと電子が移動し、スルホニルラジカルと帯電したピリジン種が生成します。生成したスルホニルラジカルは単純なアルケンの炭素–炭素二重結合に付加し、新たな炭素–硫黄結合と炭素中心のラジカルを生み出します。少量用いるチオールが水素原子を供与してヒドロスルホニル化を完了させ、アルキルスルホンを与える一方で自身はラジカルとなり、その後サイクル内で還元されて回復します。条件を調整しコバルト錯体を加えると、並行する経路で水素が除去され、スチレン様の出発物質を脱水素化してアリルスルホンに変換することもでき、この過程では分子状水素も放出されます。

薬物様分子への広い適用範囲

この方法は、単純な炭素鎖、環状化合物、脂質低下剤や抗炎症薬など既知の薬物由来の断片を含む幅広い非活性化アルケンで機能します。アルデヒド、ハロゲン、ニトリル、アミド、スルファマイド、インドール、強く酸化された糖類のような敏感な官能基も反応を生き延び、光駆動プロセスの穏やかさを示しています。さらに、多くの異なるナトリウムスルフィネート（芳香族性、脂肪族性の両方）が硫黄源として利用できることが示されましたが、電子供与性の高い芳香環を持つものはやや反応性が落ちます。これらの検討により、この手法が複雑な分子にスルホン基を効率よく導入できることが示され、スルホンが医薬品構造にしばしば現れることを考えると有用性が高いといえます。

理論と実験が支持するメカニズム

提案されたメカニズムを検証するため、チームはトラッピング実験、重水による標識、光オン・オフ実験、詳細な計算化学を組み合わせました。ラジカルトラップ剤の添加は生成物の形成をほぼ停止させ、スルホニルラジカルに一致する副生成物を明らかにします。通常の水を重水に置き換えると反応が遅くなり、生成物に重水素が取り込まれることから、プロトン移動段階が光吸収と絡み合っていることが示されます。触媒とスルフィン酸を混合した際に新しい吸収スペクトルが観測され、これらは緑領域にまで伸びており、その光でも反応が駆動され得ることと一致します。計算モデルは、励起状態で水素結合が再配列し、プロトンと電子の同時移動を促進してラジカル対を与え、結合形成段階を開始することを示しています。

光と水素結合を利用するシンプルな方法

実用的には、この研究は可視光下で安価なピリジン系触媒とナトリウムスルフィネートを用いて、一般的な出発物質からアルキルおよびアリルスルホンを作る簡潔なレシピを化学者に提供します。より深い意味では、弱い水素結合によって別個の光触媒を必要としない光感受性の供与体–受容体ペアを組み立てられることを強調しています。専門外の読者への主要メッセージは、単純な分子同士を一時的な水素結合で巧みに配列させることで、それらを光に反応させて有用な生成物へと導く新しい道が開ける、という点です。これは多くの現代医薬品の基盤となる構造への新しい合成手段を拓きます。

引用: Hu, Q., Li, Y., Zeng, T. et al. Hydrogen bonding mediated electron donor-acceptor acceptor catalysis in hydrosulfonylation and sulfonyl dehydrogenation of olefins. Nat Commun 17, 4350 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70618-6

キーワード: フォトレドックス化学, 電子供与体–受容体錯体, ヒドロスルホニル化, スルホン合成, 水素結合