Coupling reaction

A reaction in which two molecules combine to form a single molecule is generally called a coupling reaction. This reaction often involves the elimination of small molecules, atoms, or ions. The most well-known coupling reaction is the diazo coupling reaction, so when people simply say "coupling," they are often referring to this reaction.

(1) Diazo coupling reaction This is a reaction in which an aromatic diazonium salt reacts with a phenol and an aromatic amine to produce an azo compound. This reaction produces azo dyes very easily, so it is widely used in the synthesis of azo dyes. For example, methyl orange, which is famous as a neutralization indicator, is synthesized by a coupling reaction between dimethylaniline and the diazonium salt obtained by diazotizing sodium p (para)-aminobenzenesulfonate. Coupling with aromatic amines is carried out under neutral or weakly acidic conditions, while coupling with phenols is carried out under alkaline conditions.

(2) Coupling of organometallic compounds and organohalogen compounds The Wurtz-Fittig reaction is a coupling reaction in which metallic sodium is used to remove the halogen from two molecules of alkyl halides (RX, where X is a halogen) and then bond the alkyl groups to form one molecule of alkane (RR).

Similarly, the Ullmann reaction involves coupling two molecules of aromatic iodides (Ar-I) using copper powder to produce biaryls (Ar-Ar), and both reactions have been known for a long time.

To produce an unsymmetric alkane (R-R'), the reaction of an alkyl halide (RX) with an organometallic compound (R'-M, where M is a metal) is used.

In the coupling of Grignard reagents with alkyl or acyl halides, two different alkyl or acyl groups can be selectively coupled.

RMgX＋R'-X'
―→R-R'＋MgXX'
(Synthesis of Alkanes)
RMgX＋R'C(=O)-X'
―→RC(=O)-R'＋MgXX'
(Synthesis of Ketones)
Recently, there have been advances in organic synthesis that apply coupling with various organometallic compounds or organic halides using metal catalysts such as palladium. One of these advances is the Suzuki-Miyaura coupling reaction. This reaction uses a palladium catalyst such as Pd[P(C ₆ H ₅ ) ₃ ] ₄ and a base to cross-couple an organoboron compound with an aryl halide to synthesize an asymmetric biaryl. Various organoboron compounds can be used in the reaction, but organoboronic acids are particularly easy to synthesize, stable in water and air, and easy to handle. This reaction can be carried out in aqueous solution, and the by-products are water-soluble and non-toxic, so it is used as an environmentally friendly synthesis method in precision organic synthesis of pharmaceuticals, and in the synthesis of organic materials such as chemical fibers and liquid crystals. It is one of the most famous and practical reactions named after Japanese people.

(3) Coupling of free radicals The reaction in which two molecules of free radicals combine to form a stable molecule is also called coupling. This reaction can occur between free radicals of the same type or different types. Coupling between free radicals of the same type produces a dimer (an association of two molecules). The termination step of a chain reaction is a well-known example of a radical coupling reaction.

[Masahiro Hirota]

"103 Catalytic Reactions for Organic Synthesis" edited by Tamejiro Hiyama and Kyoko Nozaki (Tokyo Kagaku Dojin, 2004)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

二つの分子が結合して一つの分子になる反応を、一般にカップリング反応という。この際に小さな分子や原子・イオンの脱離を伴う場合が多い。もっともよく知られているカップリング反応はジアゾカップリング反応であるので、単に「カップリング」という場合、この反応をさすことがある。

(1)ジアゾカップリング反応　芳香族ジアゾニウム塩がフェノールおよび芳香族アミンに作用してアゾ化合物を生成する反応をいう。この反応はきわめて容易にアゾ色素を生成するので、アゾ染料の合成に広く応用されている。たとえば、中和指示薬として有名なメチルオレンジは、p(パラ)-アミノベンゼンスルホン酸ナトリウムをジアゾ化して得られるジアゾニウム塩と、ジメチルアニリンとのカップリング反応により合成される。芳香族アミンとのカップリングは中性または弱酸性下で、フェノールとのカップリングはアルカリ性下で行う。

(2)有機金属化合物と有機ハロゲン化合物のカップリング　2分子のハロゲン化アルキル（RX、Xはハロゲン）から金属状ナトリウムを用いてハロゲンを奪い取り、アルキル基どうしを結合させて1分子のアルカン（R-R）にするカップリング反応として、ウルツ‐フィティッヒ反応Wurtz-Fittig reactionがある。

　同様に、2分子の芳香族ヨウ化物（Ar-I）を銅粉を用いてカップリングさせてビアリール（Ar-Ar）にするのがウルマン反応Ullmann reactionであり、ともに古くから知られている。

　非対称なアルカン（R-R'）をつくりたい場合には、ハロゲン化アルキル（RX）と有機金属（R'-M、Mは金属）の反応を用いる。

　グリニャール試薬とハロゲン化アルキル、ハロゲン化アシルとのカップリングでは、2種類の異なるアルキル基やアシル基を選択的にカップリングさせることができる。

　　RMgX＋R'-X'
　　　―→R-R'＋MgXX'
　　　（アルカンの合成）
　　RMgX＋R'C(=O)-X'
　　　―→R-C(=O)-R'＋MgXX'
　　　（ケトンの合成）
　最近では種々の有機金属化合物またはパラジウムなどの金属触媒を使った有機ハロゲン化物とのカップリングを応用した有機合成が進歩している。それらの進歩の一つとして、鈴木・宮浦カップリング反応がある。この反応は、Pd[P(C₆H₅)₃]₄などのパラジウム触媒と塩基により、有機ホウ素化合物とハロゲン化アリールとをクロスカップリング（交差カップリングともいう）させて非対称ビアリールを合成する反応である。さまざまな有機ホウ素化合物を反応に用いることができるが、そのなかでも有機ボロン酸は合成しやすく水や空気に安定で取り扱いやすい。この反応は水溶液中でも行うことができ、反応による副生成物が水溶性で無毒であるので、環境に優しい合成法として、医薬品などの精密有機合成、化学繊維や液晶などの有機材料の合成などにも用いられている。日本人の名を冠する人名反応のなかではもっとも有名かつ実用性の高い反応の一つといえる。

(3)フリーラジカル（遊離基）のカップリング　2分子のフリーラジカルが結合して安定な分子になる反応もカップリングとよばれている。この反応は同種のフリーラジカルの間でも異種のフリーラジカルの間でもおこる。同種のフリーラジカル間のカップリングでは二量体（2分子が結び付いた会合体）が生成する。ラジカルのカップリング反応の実例としては、連鎖反応の停止段階がよく知られている。

［廣田　穰］

『檜山爲次郎・野崎京子編『有機合成のための触媒反応103』（2004・東京化学同人）』

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例