Dynamic Chiral Macromolecular Catalyst for Asymmetric Amplification

• Project/Area Number: 20H05674
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section E
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 杉野目 道紀 京都大学, 工学研究科, 教授 (60252483)
• Project Period (FY): 2020-08-31 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥198,510,000 (Direct Cost: ¥152,700,000、Indirect Cost: ¥45,810,000); Fiscal Year 2024: ¥27,560,000 (Direct Cost: ¥21,200,000、Indirect Cost: ¥6,360,000); Fiscal Year 2023: ¥27,560,000 (Direct Cost: ¥21,200,000、Indirect Cost: ¥6,360,000); Fiscal Year 2022: ¥27,560,000 (Direct Cost: ¥21,200,000、Indirect Cost: ¥6,360,000); Fiscal Year 2021: ¥46,540,000 (Direct Cost: ¥35,800,000、Indirect Cost: ¥10,740,000); Fiscal Year 2020: ¥69,290,000 (Direct Cost: ¥53,300,000、Indirect Cost: ¥15,990,000)
• Keywords: 触媒的不斉合成 / 不斉増幅 / 高分子触媒 / 動的キラリティ / らせん高分子 / 自己誘起不斉触媒反応 / 自己増幅不斉触媒反応 / キラルシフト試薬 / 動的不斉転写 / 不斉合成 / 触媒設計 / 有機金属化学 / 機能性高分子 / キラル高分子

Outline of Research at the Start

医薬品や新機能性材料創製の鍵を握る不斉合成（有機鏡像異性体化合物の選択的合成）における全く新しいアプローチとして、遍在天然化合物や物理的なキラリティからの不斉転写を利用することを可能にする、新しい触媒システムの開発を行う。らせん高分子の持つらせんキラリティの動的性質と、弱いエネルギーを線型的に集積する働きに着目し、触媒機能を持つ動的らせん高分子を開発してこれを実現する。このような高分子触媒の開発により、「弱いキラル相互作用の増幅」　に加えて、低い光学純度の遍在キラル化合物をキラル源として用いて高い光学純度の生成物を得る「ホモキラリティ増幅」、さらには「自己不斉増幅触媒反応」を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

[1] 水溶性PQXを触媒とする水中不斉反応の開発：カルボン酸側鎖を有するPQXをキラル触媒とする不斉反応の開発を進めた。キラル側鎖を有さず、アキラルカルボン酸側鎖を有するPQXに対してキラルアミン類を外部キラル源として用い、銅やコバルトを加えた触媒はDIels-Alder反応を高い不斉収率で進行させた。また、求電子的フッ素化剤を用いたβケトエステル類の水中不斉フッ素化反応にも、同様の触媒が優れていることを見出した。
[2] 自己不斉誘起触媒反応の探索と発見：不斉触媒反応の反応生成物が触媒のキラリティーを誘起する他に例を見ない触媒反応系の探索を行った結果、アキラルPQXphosを触媒とするスチレン類の不斉ヒドロシリル化反応において、ヒドロシリル化生成物が高い効率でアキラルPQX触媒に対してキラルらせん構造を誘起することを見出した。別途不斉合成したヒドロシリル化生成物を反応系に加えることにより、高い不斉収率で不斉ヒドロシリル化が進行することを見出した。
[3] 非結合性相互作用によるキラルらせん誘起の外場スイッチング：これまでに、キラル側鎖を有したらせん高分子において、温度、溶媒などによる左右らせんのスイッチングが可能なことは広く知られつつある。一方、キラル溶媒やキラル添加物との非結合性相互作用によってアキラルらせん高分子に対してキラル誘起を行うことが可能になりつつある中、キラル溶媒やキラル添加物の一方のエナンチオマーを用いて両らせん構造を勇気する例は全く知られていなかった。本年度の研究において、アキラルカルボン酸側鎖を有するPQXに対してヒスチジン誘導体が優れた誘起能を示すことに加えて、温度や濃度によって左右らせんがそれぞれ誘起されることを見出した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究計画では、“弱いキラル相互作用の増幅”と“光学純度の増幅”を実現し次世代触媒的不斉合成システムを開発することを主要な目標としているが、申請書においては、それらを利用して自己不斉誘起触媒反応、さらには自己増幅不斉触媒反応を確立することを最高到達点として掲げている。昨年度の研究において、本研究の開始時点から取り組んできた自己不斉誘起触媒反応に適した反応、触媒・基質構造を特定することができ、最終年度に自己増幅不斉触媒反応の開発に取り組む準備が整った。すでに予備的な検討を始めたところであり、投入した低光学純度の自己不斉誘起源、すなわち別途調整した反応生成物、を大幅に上回る高いエナンチオ選択性が得られつつある。このことから、当初の計画以上に進展していると評価した。

Strategy for Future Research Activity

[1] 自己不斉誘起触媒反応から自己増幅不斉触媒反応の確立へ：別途調整した1% ee以下の反応生成物を初期キラル源とし、反応の過程で初期キラル源を上回るエナンチオ選択性で生成する反応生成物が、触媒の光学純度を徐々に増大させながら進行する「自己増幅不斉触媒反応」を確立する。2名の大学院生を充てて条件検討を進める。最終的に、初期キラル源として反応生成物ではなく、円偏光やキラル結晶面、低光学純度のアミノ酸など、地球のホモキラリティーの起源に関わるようなキラル相互作用を利用して、自己増幅不斉触媒反応の開発を進める。
[2] 外部キラル源とキラルPQXの二重らせん誘起における高度不斉増幅：外部キラル源を用いるキラルらせん誘起において、キラル側鎖を有するPQXを用いると、外部キラル源とキラルPQXの二重不斉誘起によって極めて高度な不斉増幅が起こる系を見出した。これを利用して、高度な不斉増幅を伴う不斉触媒反応の開発を行う。
[3] 外部キラル源によるアキラルPQXのらせん誘起における外場スイッチング：これまで前例のない、外部キラル源（ヒスチジン誘導体）による不斉誘起における温度、濃度によるらせんスイッチング現象を見出した。現時点では、一方の螺旋構造についてはほぼ100％のらせん方向が誘起されるものの、逆側のらせんについては、30% s.e. 程度の誘起にとどまっている。これを左右とも完全ならせん誘起を行う構造、条件の最適化を進め、不斉触媒反応への展開を目指す。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Research Products

• [Journal Article] In Situ Dehydrogenative Generation of Vinyl Groups Bound to Heteroatoms by the Use of Ethyl Groups as Surrogates in Iridium-Catalyzed Intramolecular C-H/C-H Coupling (2024)
  • Author(s): Kaito Yagi, Toshimichi Ohmura, Michinori Suginome
  • Journal Title: ACS Catal. Volume: 14 Issue: 3 Pages: 2014-2021
  • DOI: 10.1021/acscatal.3c05965
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Traceless Chiral Shift Reagent Based on Nonbonding Interaction with Single-Handed Helical Poly(quinoxaline-2,3-diyl) (2023)
  • Author(s): Takaya Fujie, Takeshi Yamamoto, Michinori Suginome
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 62 Issue: 23
  • DOI: 10.1002/anie.202301347
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Iridium-Catalyzed Enantioselective Intramolecular Cross-Dehydrogenative Coupling of Alkyl Aryl Ethers Giving Enantioenriched 2,3-Dihydrobenzofurans (2022)
  • Author(s): Satoshi Kusaka, Toshimichi Ohmura, Michinori Suginome
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: 51 Issue: 6 Pages: 601-604
  • DOI: 10.1246/cl.220129
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Protected Amino Acids as a Nonbonding Source of Chirality in Induction of Single-Handed Screw-Sense to Helical Macromolecular Catalysts (2021)
  • Author(s): Ikeda, S.; Takeda, R.; Fujie, T.; Ariki, N.; Nagata, Y.; Suginome, M.
  • Journal Title: Chem. Sci. Volume: 12 Issue: 25 Pages: 8811-8816
  • DOI: 10.1039/d1sc01764k
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] PQXdpap: Helical Poly(quinoxaline-2,3-diyl)s Bearing 4-(Dipropylamino)pyridin-3-yl Pendants as Chirality-Switchable Nucleophilic Catalysts for the Kinetic Resolution of Secondary Alcohols (2021)
  • Author(s): Yamamoto, T.; Murakami, R.; Suginome, M.
  • Journal Title: Org. Lett. Volume: 23 Issue: 22 Pages: 8711-8716
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.1c03134
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Iridium-Catalyzed Enantioselective Intramolecular Hydroarylation of Allylic Aryl Ethers Devoid of a Directing Group on the Aryl Group (2021)
  • Author(s): Ohmura. T.; Kusaka, S.; Suginome, M.
  • Journal Title: Chem. Commun. Volume: 57 Issue: 99 Pages: 13542-13545
  • DOI: 10.1039/d1cc05684k
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Asymmetric O-to-C Aryloxycarbonyl Migration of Indolyl Carbonates Using Single-handed Dynamic Helical Polyquinoxalines Bearing 4-Aminopyridyl Groups as Chiral Nucleophilic Catalysts (2021)
  • Author(s): Takeshi Yamamoto, Takuya Takahashi, Ryo Murakami, Naoto Ariki, Michinori Suginome
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn. Volume: 94 Issue: 3 Pages: 943-949
  • DOI: 10.1246/bcsj.20200369
  • NAID: 130008021836
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 動的らせん高分子骨格を有するキラリティ可変ホスホロアミダイト配位子の開発 (2024)
  • Author(s): ○松本 祐輔、藤江 峻也、山本 武司、杉野目 道紀
  • Organizer: 日本化学会 第104春季年会
• [Presentation] 水溶性キラルらせん高分子配位子を用いた銅触媒水中不斉求電子フッ素化反応 (2024)
  • Author(s): ◯田村 拓夫・山本 武司・杉野目 道紀
  • Organizer: 日本化学会 第104春季年会
• [Presentation] キラル添加剤によるらせん不斉誘起を利用したアキラルらせん高分子ビピリジンを配位子とする不斉銅触媒反応 (2024)
  • Author(s): ◯志村 紘基、良永 裕佳子、杉野目 道紀
  • Organizer: 日本化学会 第104春季年会
• [Presentation] Chirality-Switchable Phosphoramidite Ligands Attached on the Dynamic Helical Polymer (2023)
  • Author(s): ○Yusuke Matsumoto, Takaya Fujie, Takeshi Yamamoto, Michinori Suginome
  • Organizer: 21th International Conference on Organometallic Chemistry Directed toward Organic Synthesis (IUPAC-OMCOS-21), Vancouver, Canada
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Screw-Sense Control of Amphiphilic Poly(quinoxaline-2,3- diyl)s Bearing Oligo（ethylene glycol） Side Chains through Non-Ionic Interactions with Chiral Additives in Water (2023)
  • Author(s): ○Takuo Tamura, Naoaki Kamiya, Takeshi Yamamoto, Michinori Suginome
  • Organizer: CHIRALITY 2023, Rome, Italy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Iridium-Catalyzed Intramolecular Silylene Transfer Leading to Insertion of Silylene into C(sp3)-O Bond (2023)
  • Author(s): ○Yunhao Song, Toshimichi Ohmura, Michinori Suginome
  • Organizer: 21th International Conference on Organometallic Chemistry Directed toward Organic Synthesis (IUPAC-OMCOS-21) Vancouver, Canada
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantifying Slight Enantiomeric Imbalance of Chiral Amines by CD Spectroscopy through Screw-Sense Induction to Carboxyl-Substituted Poly(quinoxaline-2,3-diyl)s (2023)
  • Author(s): ○Tomonori Yamawaki, Takuma Kuroda, Yuuya Nagata, Takeshi Yamamoto， Michinori Suginome
  • Organizer: CHIRALITY 2023, Rome, Italy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chirality-Switchable Helical Polymer Ligands Bearing Phosphoramidite Pendants (2023)
  • Author(s): ○Yusuke Matsumoto, Takaya Fujie, Takeshi Yamamoto, Michinori Suginome
  • Organizer: 15th International Kyoto Conference on New Aspects of Organic Chemistry (IKCOC-15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An Iridium-Catalyzed Transformation of Triorganohydrosilanes through Intramolecular Silylene Transfer (2023)
  • Author(s): ○Yunhao Song, Toshimichi Ohmura, Michinori Suginome
  • Organizer: 15th International Kyoto Conference on New Aspects of Organic Chemistry (IKCOC-15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interplay between Solvents and Modular Chirality-switchable Catalysts in Asymmetric Synthesis (2023)
  • Author(s): Michinori Suginome
  • Organizer: 21th International Conference on Organometallic Chemistry Directed toward Organic Synthesis (IUPAC-OMCOS-21), Vancouver, Canada
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chirality-switchable Helical Macromolecular Catalysts for Asymmetric Synthesis (2023)
  • Author(s): Michinori Suginome
  • Organizer: The 80th Anniversary International Symposium on Organic Synthesis
  • Invited
• [Presentation] Helical Macromolecules as Modular Chirality-switchable Catalysts for Asymmetric Synthesis (2023)
  • Author(s): Michinori Suginome
  • Organizer: The 23th International Conference on Organic Synthesis (IUPAC-ICOS-23), Shanghai, China
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Phosphoramidite-Based Chirality-Switchable Helical Polymer Ligands (2023)
  • Author(s): ○松本 祐輔、藤江 峻也、山本 武司、杉野目 道紀
  • Organizer: 第69回有機金属化学討論会
• [Presentation] らせん高分子による不斉分子認識を利用した「みえない」キラルシフト試薬の開発 (2023)
  • Author(s): ○山本 武司・藤江 峻也・杉野 目 道紀
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] P-キラルホスホロアミダイト部位を有する動的キラルらせん高分子配位子の開発 (2023)
  • Author(s): ○松本 祐輔・藤江 峻也・山本 武司・杉野目 道紀
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会
• [Presentation] アキラルアミン側鎖を有するポリキノキサリンの合成とキラル酸添加による水中らせん不斉誘起 (2023)
  • Author(s): ○山脇 大昇・平野 蓮・山本 武司・杉野目 道紀
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会
• [Presentation] 高分子らせん不斉の誘起と記憶：らせん反転伝播モデルに基づいた速度論的解析 (2023)
  • Author(s): ○藤江 峻也・山本 武司・杉野目 道紀
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会
• [Presentation] Cu-Catalyzed Asymmetric Diels-Alder Reaction in Water by Using Rigid Helical Polymers Bearing Chiral Carboxylic Acid Side Chains (2022)
  • Author(s): 〇神谷尚明・山本武司・杉野目道紀
  • Organizer: 第68回有機金属化学討論会
• [Presentation] L-乳酸誘導体との分子間相互作用に基づく高分子らせん不斉制御：不斉増幅を伴う不斉触媒反応への展開 (2022)
  • Author(s): ○大本 佳奈・藤江 峻也・山本 武司・杉野目 道紀
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 両親媒性オリゴエチレングリコール側鎖を有するポリ（キノキサリン-2，3-ジイル）のキラルゲスト化合物による水中らせん不斉誘起 (2022)
  • Author(s): ◯田村 拓夫・神谷 尚明・山本 武司・杉野目 道紀
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] ポリ（キノキサリン-2，3-ジイル）のらせん反転の速度論的解析 (2022)
  • Author(s): ○藤江 峻也・山本 武司・杉野目 道紀
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] らせん高分子を利用した「みえない」NMRキラルシフト試薬の開発 (2022)
  • Author(s): ○藤江 峻也・山本 武司・杉野目 道紀
  • Organizer: 第68回高分子研究発表会
• [Presentation] 水溶性らせん高分子触媒のキラリティ制御のための天然キラル添加剤の探索 (2022)
  • Author(s): ◯田村 拓夫・神谷 尚明・山本 武司・杉野目 道紀
  • Organizer: 第11回JACI/GSCシンポジウム
• [Presentation] Dynamic Helical Macromolecular Catalysts for Asymmetric Catalysis in Green Solvents (2022)
  • Author(s): Michinori Suginome
  • Organizer: Catalysis and Green Chemistry Symposium, Rennes, France
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Asymmetric Catalysis with C1 Symmetrical Chiral Bipyridyl Attached onto Chirality-Switchable Helical Polymer Scaffolds (2022)
  • Author(s): Michinori Suginome
  • Organizer: 44th International Conference on Coordination Chemistry (ICCC-44), Rimini, Italy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Catalytic Asymmetric Synthesis with “Achiral” Helical Macromolecular Catalysts (2022)
  • Author(s): Michinori Suginome
  • Organizer: Molecular Chirality Asia (MCAsia), On-line
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chiral “Conformer” of Achiral Catalysts in Asymmetric Catalysis (2022)
  • Author(s): Michinori Suginome
  • Organizer: 15th International Symposium on Organic Reactions (ISOR-15), Taichung, Taiwan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 非結合性相互作用増幅と直交機能集積を特徴とする らせん高分子PQXのキラル機能開拓 (2022)
  • Author(s): 杉野目 道紀
  • Organizer: 第19回ホストーゲスト・超分子化学シンポジウム（岡山）
  • Invited
• [Presentation] 小分子との動的相互作用を鍵とする らせん高分子の構造制御と機能開拓 (2022)
  • Author(s): 杉野目 道紀
  • Organizer: 中国四国地区高分子講演会（広島大学）
  • Invited
• [Presentation] Dynamic Helical Macromolecular Catalysts for Catalytic Asymmetric Amplification (2022)
  • Author(s): Suginome, M.
  • Organizer: Arthur C. Cope Award Symposium, ACS National Meeting, San Diego, USA
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Poly(quinoxaline-2,3-diyl) as a Traceless Nonbonding-Interaction-Based Chiral Shift Reagent (2022)
  • Author(s): ○Fujie, T.; Yamamoto, T.; Suginome, M.
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] Carboxyl-substituted Poly(quinoxaline-2,3-diyl) for Quantification of a Small Enantiomeric Imbalance of Chiral Amines by CD Spectroscopy in Water (2022)
  • Author(s): ○Yamawaki, T.; Kuroda, T.; Nagata, Y.; Suginome, M.
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] オリゴエチレングリコール側鎖を有するノニオン性ポリ（キノキサリン-2，3-ジイル）の合成とキラル添加剤による水中らせん不斉誘起 (2022)
  • Author(s): ○田村拓夫・神谷尚明・山本武司・杉野目道紀
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] キラルなオリゴエチレングリコール側鎖を有する両親媒性ポリ（キノキサリン-2，3-ジイル）の合成と主鎖らせん不斉制御 (2022)
  • Author(s): ○神谷尚明・山本武司・杉野目道紀
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] L-ラクチドとの非結合相互作用に基づいたポリ（キノキサリン-2，3-ジイル）の効率的らせん不斉誘起 (2022)
  • Author(s): ○大本佳奈・藤江峻也 ・山本武司 ・杉野目道紀
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] 不斉増幅を伴う高分子求核触媒の動的らせん不斉誘起：保護アミノ酸をキラル源とする不斉アシル転位反応 (2022)
  • Author(s): ○有木直人 ・ 藤江峻也 ・ 大本佳奈・山本武司 ・杉野目道紀
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] Asymmetric Amplification in Catalysis Enabled by Dynamic Helical Macromolecular Catalysts (2021)
  • Author(s): Suginome, M.
  • Organizer: Pacifichem 2021, Symposium on Switchable Catalysis, Online
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 新規動的キラル機能開拓を指向したらせん高分子の精密構造デザインと制御 (2021)
  • Author(s): 杉野目道紀
  • Organizer: 高分子年次大会
  • Invited
• [Presentation] キラリティ可変らせん高分子ビピリジン配位子を用いた銅触媒によるエナンチオ収束的分子内カップリング反応 (2021)
  • Author(s): ○山本武司・良永由佳子・杉野目道紀
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] らせん高分子との非結合性相互作用に基づいたNMR分光法によるキラル分子の不斉認識 (2021)
  • Author(s): ○藤江峻也・山本武司・杉野目道紀
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] ポリキノキサリンのらせん不斉制御におけるハロアルカンとの非結合性相互作用の効果 (2021)
  • Author(s): ○藤江峻也・山本武司・杉野目道紀
  • Organizer: 第67回高分子研究発表会
• [Presentation] 水溶性キラル高分子を用いた触媒的水中不斉Diels-Alder反応 (2021)
  • Author(s): 〇神谷尚明 山本武司 杉野目道紀
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会
• [Presentation] Helix Inversion of Chiral Poly(quinoxaline-2,3-diyl)s through Nonbonding Interaction with Specific Haloalkanes (2021)
  • Author(s): ○Takaya Fujie， Takeshi Yamamoto， Michinori Suginome
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会
• [Presentation] アミノ酸誘導体によるアキラルらせん高分子求核触媒への不斉誘起に基づく不斉アシル転位反応 (2021)
  • Author(s): ◯有木直人 山本武司 杉野目道紀
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会
• [Presentation] 水溶性キラルらせん高分子配位子を用いた水中不斉鈴木-宮浦カップリング (2020)
  • Author(s): 〇神谷尚明 長田裕也 杉野目道紀
  • Organizer: 第69回高分子討論会
• [Presentation] ハロアルカンとの特異的な非結合性相互作用に基づくらせん状ポリキノキサリン触媒のキラリティスイッチング (2020)
  • Author(s): 〇藤江峻也 山本武司 杉野目道紀
  • Organizer: 第69回高分子討論会
• [Presentation] オキシインドール誘導体の不斉Steglich型転位におけるキラリティ可変らせん高分子求核触媒の利用 (2020)
  • Author(s): ○山本武司，高橋卓也，村上遼，有木直人，杉野目道紀
  • Organizer: 第69回高分子討論会
• [Presentation] New Facet of Asymmetric Amplification in Catalysis: Utilization of Weak Nonbonding Interaction as a Source of Chirality (2020)
  • Author(s): Michinori Suginome
  • Organizer: Molecular Chirality Asia
  • Int'l Joint Research / Invited