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Res1 はじめに 化学構造で魅せる 小分子を取り除く 官能基変換を革新する 典型元素を組み込む ?

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はじめに

いまだかつてない化学反応・分子の発見を目指して

医薬品、プラスチック、液晶など、われわれの身の回りには、有機化合物があふれています。これらの有機化合物が望む機能を発現しているのは、それらの分子構造と密接な関係があります。したがって、望む機能を持つ分子を生み出すためには、その構造を構築するための手段、すなわち化学反応の開発が不可欠です。有機化学の教科書を眺めれば、Aldol縮合やDiels-Alder反応など、既にたくさんの化学反応が記載されています。果たして、これ以上新しい反応を開発する必要はあるのでしょうか?答えは、Yesです。新反応の開発は、既存の物質製造プロセスを低環境負荷、高効率省資源型へと革新するだけではなく、既存の手法では作り得なかった新分子の創成へと結実することもあるからです。例えば、21世紀のノーベル化学賞の多くが、不斉水素化及び酸化、メタセシス、クロスカップリングといった新しく開発された反応に対して与えられています。これらの反応の発見により、それまで存在しなかったキラル化合物、ポリマーあるいはπ共役化合物の化学合成が可能となり、社会に大きなインパクトを与えたのです。

われわれの研究室では、そのような新しい化学反応を開発することを目指しています。われわれの研究には「こだわり」があります。それは、改良・改善ではなく未知にチャレンジするということです。既存の反応の収率を10%から90%に向上させる研究も重要ですが、われわれの研究対象ではありません。追い求めるのは、誰も見たことのないパターンの化学反応です。「なぜ、この原料からこの分子が生成するの?」といった反応機構が容易にはわからないような反応(すなわち、既存の反応原理では説明がつかないような反応)が、われわれの理想とする反応です。このような、いまだかつてない反応の発見は、もしかすると現代社会を一変させるようなインパクトを持つかもしれないのです。そんな想像が、このイバラの道を進むためのモチベーションを与えてくれます。

阪大情報ポータルサイト「ResOU」の特集ページおよび「阪大StoryZ」にて公開された鳶巣先生のインタビュー記事はこちら

 「切れない結合を触媒で切る」というJSTNEWSで紹介された当研究室の研究内容紹介はこちら

 

化学反応をデザインする

われわれの研究室では、新しい反応を開発するためのツールとして、主として遷移金属錯体触媒を活用しています。錯体触媒の出現は、クロスカップリングやメタセシスに代表されるように古典的な有機合成化学を一変させてきました。しかし、遷移金属の種類やそれを取り囲む配位子の多様性を考慮すると、これまでに明らかになった錯体触媒の反応性は、ほんの氷山の一角にすぎないといえます。残念ながら、未知の反応を完全にデザインし、発見を予見できるほど、この分野の化学は成熟していません。しかし、逆にそれゆえ、われわれ化学者が創造力(あるいは想像力?)を発揮する余地が大きい分野であるといえます。敢えて、やや大胆とも言える仮説を立て、触媒、配位子、基質分子の構造をデザインします。デザインするのは分子だけではありません。触媒反応は、触媒サイクルという素反応の組み合わせにより成り立っており、それらの素反応を組み合わせて、触媒反応をデザインします。素反応そのものを新しくデザインすることもあります。多くの場合、デザイン通り事がうまく運ぶことはありません。しかし、何度も修正を繰り返しながら、よりよいデザインを突き詰めていったり、あるいは当初予想もしていなかったような現象に遭遇して、全く新しいデザインを着想したりすることで、この海図なき航海はゴールへと行き着くのです。独創性の高いアイディアをいかに多く蓄え、それらをデザインに反映できるか、これが成功の鍵であり、本研究の醍醐味であるといえます。

 

 

構造美を追求する

有機化学と芸術(art)の共通性がしばしば指摘されることがあります。分子を基盤とする創造活動は、真理の探究や工学的応用を超えて、美術や音楽と同様、時として理屈抜きの感動を与えてくれます。中でも分子の「見た目」である化学構造は、最も直感的でわかりやすい例でしょう。C60サッカーボール、フェロセンのサンドイッチ、DNAの二重らせんなど、化学の原理を知らない人でも見るだけで楽しくなる構造が化学の世界にはあふれています。そんな心躍る分子を自ら設計し、実際に合成することがわれわれの目標です。面白いことに、このような感性的な創造活動によって生み出された分子が、驚くべき機能を発現し、実学へと昇華する例が意外にも多くあります。芸術性と化学。これら不可分な領域で無数の分子が、創造性にあふれた化学者による発見を今も待っています。

最近の研究から、こだわりの結果をいくつか以下に紹介します。

 


・官能基変換を革新する

官能基は、分子に特有の性質を付与するとともに、有機合成において結合形成の足掛かりとなるなど欠かせない役割を果たします。したがって、有機化学の教科書では、官能基の導入や相互変換の手法に多くのページ数が割かれています。しかし、全ての官能基が相互に変換可能であるわけではありませんし、目的の官能基を導入するために、回り道をしなければ達成できないような場合もあります。われわれは、教科書的には直接変換することが困難とされている官能基を触媒的に変換する手法の開発に取り組んでいます。たとえば、芳香環上のメトキシ基は、芳香族求電子置換反応(SEAr)におけるオルト・パラ配向基として教科書に登場しますが、メトキシ基のイプソ位での置換反応は通常は起こりません。一方で、われわれはニッケル触媒を用いることで、アニソールと様々な求核剤との反応が進行し、メトキシ基が直接置換されるという反応を開発してきました。

 

・典型元素を組み込む

有機化合物の主たる構成元素はC、H、O、Nです。しかし、周期表を眺めると他にも無数の元素があります。それらの元素を有機化合物に導入すると、C、H、O、Nだけでは見られない新しい性質が発現することがあります。したがって、分子の望む位置に、望む元素を導入する手法の開発は、機能性分子や生理活性物質の開発における鍵となります。例えば、ケイ素、リン、硫黄といった典型元素を導入する反応では、多くの場合、腐食性や悪臭を持つ高反応性のヘテロ原子試薬を用いる必要があります。これに対して、われわれは、炭素−ヘテロ原子結合の切断を含む触媒反応を開発することで、安定なヘテロ原子化合物から直接、新しい結合を形成する手法を開発してきました。

 

・小分子を取り除く

カルボニル基は、有機化学において最も汎用される官能基の一つであり、多くの誘導体が基幹化学原料として利用可能です。したがって、カルボニル化合物から一酸化炭素を取り除く脱カルボニル化反応が実現できれば、汎用性の高い結合形成手法となります。カルボン酸誘導体から二酸化炭素を取り除く脱炭酸反応についても同様のことがいえます。しかし、脱カルボニル化や脱炭酸反応は、不活性な炭素−炭素結合の切断を必要とするため、成功例の多くは反応性の高いカルボニル化合物に限定されています。われわれは、ニッケル錯体の作用により単純なケトンの脱カルボニル化反応の開発に成功しました。このような、単純な有機化合物からCO, CO2などの小分子を取り除く反応の開発に取り組んでいます。

 

 

化学構造で魅せる

我々は、誰も合成したことのない構造モチーフのπ共役系分子の創成を目指し研究を行っています。自らのアイデアと腕で個性豊かな分子を創造し世に送り出すこと、そして、その機能を引き出すべく育て上げること、がこのテーマの醍醐味です。例えば、ベンゼン環は平構造ですので、パラ位でベンゼン環が連結したパラオリゴフェニルは直線構造になります。このような直線分子も上手に構造規制を施せば曲げることができます、有機合成が発展した現在でも、自在にパラオリゴフェニル分子を曲げることはできません。例えば、シグモイド曲線のような変曲点を有するS字型の湾曲構造のパラオリゴフェニルは、今まで合成されたことはありませんでした。我々は、3つスピロビフルオレンを立体選択的に連結することで、このようなS字型パラオリゴフェニル分子を初めて合成することができました。3つのスピロ炭素を介し、2つのパラオリゴフェニル鎖が互いに支え合い構造を保っている点がポイントです。2つのπ共役鎖間の電子やホールのホッピングに基づく3次元共役系としての特性や不斉構造に基づくキロプティカル特性が期待されます。

 Res5

ここで示した以外にも、教員・学生・研究員からのアイディアの化学反応により、新しいテーマが日々生み出されています。それらのテーマは、うまくいくこともあれば、一旦休止するものもあります。また、そのテーマがきっかけで、当初予想していなかった形で異なるテーマとして走り出すこともあります。研究テーマ立案から、実現まで、自分色のオリジナルな研究を実現できる場を提供することが、われわれの使命だと考えています。
























 

 

 

 

 

 

 

 



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