2019 Fiscal Year Research-status Report

形状制御された酸化チタン微結晶上での結晶面選択的光不斉水素化反応の解明

Research Project

Project/Area Number	19K05681
Research Institution	Hyogo University of Health Sciences
Principal Investigator	甲谷繁兵庫医療大学, 薬学部, 教授 (00242529)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	宮部豪人兵庫医療大学, 薬学部, 教授 (10289035) 川島祥兵庫医療大学, 薬学部, 助教 (60775724) 長谷川靖哉北海道大学, 工学研究院, 教授 (80324797) 北川裕一北海道大学, 化学反応創成研究拠点, 特任講師 (90740093)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	光触媒 / 不斉反応 / 酸化チタン / 有機合成 / エナンチオ選択的 / キラル認識剤 / アナターゼ / 結晶面
Outline of Annual Research Achievements	酸化チタン(TiO2)は有機合成化学において有望な光触媒の1つであり、エナンチオ選択的反応を考える際には、反応過程における立体化学的な認識機構の解明が重要である。しかしながら、この観点の研究はこれまでほとんど行われていない。本研究では、アセトナフトンなどのアキラルな芳香族ケトンから不斉炭素を有するキラルな2級アルコールへの光不斉水素化反応において、TiO2に共吸着するキラルな低分子有機化合物によるエナンチオ選択的な不斉誘起機構を詳細に検討している。これに関して、我々の研究成果を以下にまとめた。 1)アナターゼとルチルの混合結晶相をもつP25を用いると、キラルなα-ヒドロキシ酸であるマンデル酸(MA)は、芳香族ケトンと共吸着することでキラル認識剤として優れた能力を示し、反応に対して比較的高いエナンチオ選択性（約40%ee）を示す。しかし、MAは反応時間とともに光生成した正孔による酸化分解が進行し、キラル認識能が低下することが分かった。そこで、MAの代わりにアミノ基を有するキラルな2-Amino-1-phenylethanol(PhEA)を用いると、キラル認識能（約20%ee）が長時間維持されることが明らかとなった。 2)MAをキラル認識剤としてTiO2結晶相の違いを検討した結果、アナターゼ結晶相において高いエナンチオ選択性が認められ、その中でも(101)面のみで構成された八面体アナターゼTiO2結晶は、反応初期で約90%eeの高いエナンチオ選択性を示した。しかし、(101)面と(001)面で構成された十面体アナターゼTiO2について、(101)面と(001)面の割合を系統的に変化させてエナンチオ選択性を検討したが、結晶面の表面積の割合とエナンチオ選択性の間に明確な相関性はなかった。また、アナターゼ結晶の種類によってエナンチオ選択性に反転が認められる場合があることも分かった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究における光触媒反応過程の立体化学的な認識機構は「共吸着したキラル分子と芳香族ケトンの立体認識は、アナターゼTiO2の特定結晶面（101）面の原子配列と表面構造を反映してエナンチオ選択性が決定される」との仮説に立ってこれまで研究を進めてきた。2019年度の結果から(101)面のみで構成された八面体アナターゼTiO2結晶において、反応初期のMAによるキラル認識能は約90%eeの高いエナンチオ選択性を示した。そこで、次年度（2020年度）はこの仮説を分光学的および計算科学的手法により検証する段階となる。このように、本研究は概ね順調に進展していると言える。
Strategy for Future Research Activity	2020年度は、(101)面のみで構成される八面体アナターゼTiO2結晶を用いて、エナンチオ選択的な反応条件の検討や芳香族ケトン（基質）とキラル認識剤の分子間相互作用を各種分光学的手法を用いて検討する。つまり、特定の(101)結晶面のみに着目し、吸着する土台となるTiO2表面の原子配列を固定した状況下で、芳香族ケトンと共吸着するキラル認識剤の間のキラル認識能を分光学的かつ計算科学的に評価する。現在、MAが最もエナンチオ選択性の高いキラル認識剤であることが明らかとなっている。また、2019年度の研究結果からPhEAがP25 TiO2上で比較的優れたキラル認識能（約20%ee）を有し、反応中でも安定に長時間キラル認識能を持続することが分かった。一方、MAとPhEAは同じ立体配置をもつエナンチオマーであっても、2-アセトナフトンから得られるキラルな２級アルコールは全く逆のエナンチオ選択性を示すことが明らかとなっている。そこで、アナターゼ(101)結晶面上において、キラル認識剤（MAまたはPhEA）と芳香族ケトンがどのように分子間相互作用するかを、固体CDスペクトルの測定から誘起CDを観測することにより情報を得る。また、DFT計算により、共吸着したキラル認識剤と芳香族ケトンの立体構造を計算する。そして、誘起CD帯の符号の比較からキラル認識剤と芳香族ケトンの分子間相互作用における絶対配置を決定する。これら一連の作業を様々なキラル認識剤といくつかの芳香族ケトン（基質）を組み合わせて置換基効果を調べることにより、アナターゼTiO2(101)面上での立体化学的なキラル認識機構を明らかにする。
Causes of Carryover	発生した次年度使用額は2万円程度と少額であり、次年度の使用計画に大きな影響を及ぼすものではない。