ボロン酸 (ボロンさん、) はホウ酸のヒドロキシ基をアルキル基やアリール基で置換したものであり、炭素-ホウ素結合を含んでいる。この種の化合物は、より広範な分類である有機ホウ素化合物（オルガノボラン）の一種に属する。親化合物である （ジヒドロキシボラン）は、ジボランの加水分解における反応中間体である。 ジヒドロキシボランは不均化してホウ酸とジボランを生じる。室温での気相における寿命は30秒であるが、−20 °C以下では単離可能である。ボロン酸はルイス酸としてはたらく。これらの化合物の特徴は、糖、アミノ酸、ヒドロキサム酸など（隣接位（ビシナル位、1,2位、あるいは時に1,3位）にルイス塩基性ドナー部位（アルコール、アミン、カルボキシラートなど）を持つ分子）と可逆な共有結合錯体をつくることである。ボロン酸の pKa はおよそ 9 であるが、水溶液中で四面体型構造をとったボロン酸錯体の はおよそ 7 である。糖と結合したボロン酸は、蛍光の検出や、膜を横切る糖類の選択輸送のトレースなど、分子認識の分野で使用される。
ボロン酸は有機化学で広く登場し、鈴木・宮浦カップリングの主要な中間体でもある。ボロン酸の有機残基における遷移金属のトランスメタル化は、特に重要な概念である。
ボロン酸誘導体であるボルテゾミブという化合物は化学療法の薬として使われる。この分子のホウ素原子は、本来であればタンパク質を分解する、あるプロテアソームを阻害したり、タンパク質を分解する役割がある。 ボロン酸は活性部位のセリン残基と結合することが知られており、ブタ膵リパーゼやスブチリシンおよびプロテアーゼであるKex2に対する阻害剤の構成要素となっている。 さらに、ボロン酸誘導体は、Rasサイクルにおける抗がん剤の標的であるヒト・アシルタンパク質チオエステラーゼ1および2に対する阻害剤の一群を構成している。
ボロン酸 構造と合成 1860年、エドワード・フランクランドが初めてボロン酸の調製と単離を報告した。エチルボロン酸は、2段階の工程を経て合成された。まず、ジエチル亜鉛とホウ酸トリエチルを反応させてトリエチルボランを生成した。次いで、この化合物は空気中で酸化され、エチルボロン酸を形成した。 現在ではいくつかの合成法が一般的に用いられており、空気中で安定な多くのボロン酸が市販されている。
空気中で安定な多くのボロン酸は、商業的に利用できる。高い融点を持つのが特徴である。ボロン酸はすぐに脱水して環状三量体無水物であるボロキシンをつくるので、商業的に販売されているものはかなりの割合でこのような無水物を含んでいる。だが、このことは反応そのものには影響しない。
ボロン酸R構造式分子量CAS登録番号融点 ()フェニルボロン酸フェニル基121.9398-80-6216-219 2-チオフェンボロン酸チオフェン127.966165-68-0138-140メチルボロン酸 メチル基59.8613061-96-691-94 cis-プロペニルボロン酸プロペン85.907547-96-865-70 trans-プロペニルボロン酸プロペン85.907547-97-9123-127 代表的なボロン酸
合成 ボロン酸はいくつかの方法で合成できる。最も一般的な方法は、リチウムやマグネシウム（グリニャール試薬）を基盤とする有機金属化合物とホウ酸エステルを反応させるものである。Example: Example: 例えば、フェニルボロン酸は、フェニルマグネシウムブロミドとホウ酸トリメチルから生成され、続いて加水分解を行うことで得られる。
PhMgBr + B(OMe)3 → PhB(OMe)2 + MeOMgBr PhB(OMe)2 + 2 H2O → PhB(OH)2 + 2 MeOH
別の方法としては、アリールシラン（RSiR3）と三臭化ホウ素（BBr3）を反応させてトランスメタル化によりRBBr2を生成させ、続いて酸加水分解を行う手法がある。
3つ目の方法として、「宮浦ボリル化反応」として知られるカップリング反応において、アリールハライドやトリフラートをジボロニルエステルと反応させる手法（パラジウム触媒反応）が挙げられる。この手法において、エステルに代わるものとして、ジボロン酸やテトラヒドロキシジボロン（[B(OH)2]2）が用いられる。
ボロン酸エステル ボロン酸エステル () はボロン酸とアルコールからつくられるエステルである。
化合物一般化学式一般構造式ボロン酸RB(OH)2ボロン酸エステルRB(OR)2 ボロン酸とボロン酸エステルの比較
ボロン酸エステルはホウ酸エステルとアルコールまたはジオールの縮合反応により得られる。フェニルボロン酸は自己縮合してトリフェニル無水物またはトリフェニルボロキシンとよばれる環状三量体をつくる。
ボロン酸エステルジオール構造式分子量CAS登録番号沸点 ()アリルボロン酸ピナコラートピナコール168.0472824-04-5 50-53 (5 mmHg)2-フェニル-1,3,2-ジオキサボリナントリメチレングリコール161.994406-77-3106 (2 mmHg)ジイソプロポキシメチルボランイソプロパノール144.0286595-27-9105 -107 代表的なボロン酸エステル
C-O-B-O-C のような五員環を持つ化合物はジオキサボロランとよばれ、同じく六員環を持つものはジオキサボリナンとよばれる。
ボリン酸とそのエステル ボリン酸 () とボリン酸エステル () は一般構造は R2BOR と表される。
化合物一般化学式一般構造式ボリン酸R2BOHボリン酸エステルR2BOR
有機化学における応用
鈴木・宮浦カップリング反応 ボロン酸は有機化学における「鈴木・宮浦カップリング反応」（単に鈴木カップリングとも呼ばれる）で用いられる。この反応では、ホウ素原子上の基（アリール基など）と、パラジウム上の基（アルコキシ基など）との交換が行われる。
Chan–Lamカップリング Chan–Lamカップリングでは、アルキル、アルケニル、またはアリールボロン酸が、N–HまたはO–H結合を持つ化合物と反応します。この反応は、酢酸銅(II)などのCu(II)種、酸素、およびピリジンなどの塩基の存在下で行われ、新たな炭素–窒素結合や炭素–酸素結合を形成します。例えば、2-ピリドンと*trans*-1-ヘキセニルボロン酸の反応は以下の通りである。
反応機構の順序は、アミンの脱プロトン化、アミンの銅(II)への配位、トランスメタル化（アルキルホウ素基から銅への基の移動と、銅上の酢酸基からホウ素への移動）、酸素によるCu(II)からCu(III)への酸化、そして最後にCu(III)からCu(I)への還元的脱離による生成物の形成、となる。触媒サイクルにおいては、酸素はCu(II)触媒の再生も行う。
Liebeskind–Sroglカップリング Liebeskind–Sroglカップリングでは、チオールエステルとボロン酸をカップリングさせ、ケトンを生成する。 共役付加 ボロン酸の有機残基は、金属の存在下において共役付加反応の親核剤として作用する。ある研究では、アリルボロン酸ピナコールエステルとジベンジリデンアセトンとの間で、このような共役付加反応が行われている。
この反応における触媒系は、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)／トリシクロヘキシルホスフィンである。
別の共役付加反応の例として、シクロオクタジエンロジウム塩化物二量体を触媒とする、グラミンとフェニルボロン酸の反応が挙げられる。
酸化 ボロン酸エステルは、塩基および過酸化水素の存在下で酸化され、対応するアルコールになる（例：カルベノイドを参照）。
ホモログ化 ボロン酸エステルのホモログ化反応では、ボロネート中のホウ素に結合していたアルキル基が炭素上へと転位（移動）する。
この反応では、ジクロロメチルリチウムによってボロン酸エステルがボロネートへと変換される。その後、ルイス酸の作用により、塩素基の置換を伴うアルキル基の転位が誘起される。最後に、グリニャール試薬などの有機金属試薬が2つ目の塩素原子を置換し、結果としてC-B結合へのRCH₂基の挿入が起こる。ボロネートのアルキル転位を伴う別の反応として、ペタシス反応（Petasis reaction）が挙げられる。
親電子アリル転位 アリルボロン酸エステルは、桜井反応（Sakurai reaction）におけるケイ素基と同様に、親電子アリル転位を起こす。ある研究では、これら両方の反応様式を組み合わせたジアリル化試薬が用いられている：
加水分解 ボロン酸エステルをボロン酸とアルコールへと戻す加水分解は、特定の系において塩化チオニルとピリジンを用いることで行うことができる。 アリールボロン酸やそのエステルは、室温でヒドロキシルアミンと反応させることにより、対応するフェノール類へと加水分解することができる。
C–Hカップリング反応 ジボロン化合物であるビス(ピナコラト)ジボロンは、イリジウム触媒 [IrCl(COD)]2（クラブトリー触媒の改変体）および塩基である4,4'-ジ-tert-ブチル-2,2'-ビピリジンの存在下、芳香族複素環や単純なアレーン（例：ベンゼン）とC-Hカップリング反応を起こし、アリールボロン酸エステルを与える。
ある改変法では、より安価なピナコールボランを用い、アレーンを大過剰量ではなく化学量論量（等量）のみ用いて反応を行う。
電子的な効果が支配的となる通常の親電子芳香族置換反応（EAS）とは異なり、この種の反応における位置選択性は、専らイリジウム錯体の立体的な嵩高さによって決定される。この性質は、通常の親電子芳香族置換（AES）反応であればオルト置換体を与えるはずの*m*-キシレンのメタ位ブロモ化において利用されている
プロトノリシス プロト脱ホウ素化（Protodeboronation）は、ボロン酸（またはその他の有機ホウ素化合物）のプロトノリシスを伴う化学反応であり、炭素-ホウ素結合が切断され、炭素-水素結合に置き換わりる。プロト脱ホウ素化は、好ましくない副反応としてよく知られており、ボロン酸を用いる金属触媒カップリング反応（鈴木・宮浦カップリングなど）において頻繁に問題となる。特定のボロン酸においてプロト脱ホウ素化が起こりやすいかどうかは、反応条件やボロン酸の有機置換基といった様々な要因に大きく依存する。
超分子化学
糖類の認識
ボロン酸と、アルコールや酸に含まれるヒドロキシ基との間の共有結合を伴う対合的な相互作用は、水溶液中で迅速かつ可逆的に進行する。ボロン酸と糖類上のヒドロキシ基との間に成立する平衡関係は、糖類を検出する様々なセンサーの開発に利用されてきた。 この「動的共有結合化学（dynamic covalent chemistry）」に基づく戦略の重要な利点の一つは、水系媒体中において中性化学種を結合させるという課題をボロン酸が克服できる点にある。適切な設計を行えば、こうした超分子系に第三級アミンを導入することで、生理的pH条件下での結合が可能となり、光誘起電子移動を介した蛍光発光といったシグナル伝達機構によって、その結合イベントを検出・報告できるようになる。
本研究の応用先としては、糖尿病の管理に役立つ血糖値モニタリングシステムなどが挙げられる。これらのセンサーは光学的な応答を利用するため、低侵襲な方法でのモニタリングが可能となる。その一例として、眼内液中のグルコース濃度を検出するために、ボロン酸をベースとしたセンサー分子を組み込んだコンタクトレンズの研究が挙げられる。
安全性 一般的に使用されるボロン酸やその誘導体の中には、エームス試験で陽性を示し、化学的変異原として作用するものがある。その変異原性のメカニズムは、大気中の酸素によるボロン酸の酸化を介して有機ラジカルが生成されることに関係していると考えられている。
出典
外部リンク Boronic acids database