2021 Fiscal Year Annual Research Report
Rational Design of Acid-Base Cooperative Chiral Supramolecular Catalysts to Control Multiselective Reactions
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20H02735
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| Research Institution | Kobe Pharmaceutical University |
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Principal Investigator |
波多野 学 神戸薬科大学, 薬学部, 教授 (20362270)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 有機合成化学 / 不斉触媒反応 / マルチ選択性 / 酸・塩基複合化学 / 超分子触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酵素の発現する触媒機能は多彩であり、酵素反応は生体が作り得た最高の分子制御テクノロジーの一つである。精密有機合成において、酵素が完璧に制御するようなマルチ選択性を分子触媒レベルで発現するには、従来の画一的な単一分子触媒の常識を打ち破る必要がある。もちろん従来の単一分子触媒でも、反応と基質の種類によっては十分に高い触媒活性と選択性が発現するため、それらは実用的である。しかし、基質適用範囲が広くて使いやすい反面、特定の基質に対しての完璧な選択性や異常な選択性の発現やユニークな触媒機能は元来期待できない。研究代表者は、こうした「レディメイド型」の従来のキラル単一分子触媒と対極かつ相補的な関係にあるのが、キラル超分子触媒であると考えるに至った。本研究では、様々な不斉触媒反応をより戦略的に展開するために、酸・塩基複合化学を基盤とするキラル超分子触媒を開発している。特に、酸・塩基複合化学に基づいて鍵となる小分子パーツを分子設計し、酸・塩基のフレキシブルな親和的相互作用を駆動源としてこれらの小分子パーツからキラル超分子触媒を創出している。酵素の鍵穴と触媒活性点に相当するナノサイズのキラルキャビティーをin situで作り、従来の単一分子触媒には不向きな複数の分子を包接可能な反応場を提供する。こうした単一分子触媒では成し得ない特異な不斉反応場で反応効率を極め、従来の「合成困難」を「合成可能」にする「テーラーメイド型」のキラル超分子触媒の創製とそれらを用いたマルチ選択的な反応制御を行なっている。具体的な項目としては、研究代表者が蓄積してきた分子技術を駆使して、(1)ブレンステッド酸・ブレンステッド塩基複合触媒、(2)ブレンステッド酸・ルイス酸複合触媒、(3)ブレンステッド酸・ブレンステッド酸複合触媒、(4)ルイス酸・ルイス酸複合触媒、に区分して研究を効率よく実施している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
年度当初に計画した以下の2項目について、コロナ禍での研究活動時間の短縮による研究実施の遅延が生じたが、挽回に全力を尽くした。
[ブレンステッド酸・ルイス酸複合触媒の開発] 本項目では、リリン酸ジエステルに基づくキラルリン酸触媒にルイス酸を直接作用させ、本来は“かたち”のないプロトン周辺に嵩高い立体効果を与えるとともに、共役構造を介してプロトンを活性化できる嵩高い超分子触媒を創製した。カルボニルエン環化反応の開発の仕上げを行い、基質適用範囲の拡大やキャビティー効果に基づく反応機構の考察を行なった。
[ルイス酸・ルイス酸複合触媒の開発]: 本項目では、塩基部位を有するキラルホウ素ルイス酸に嵩高いアキラルホウ素ルイス酸を組み合わせる触媒設計を行なった。嵩高いながらも、キャビティーに配座柔軟性を与えたことが設計の鍵である。プロバルギルアルデヒド基質を比較検討し、キャビティーサイズを基質で間接的に測って考察できた。マルチ制御の発動要因に分子サイズが大きく寄与することから、キャビティーの存在を強く示唆しており、計算化学的手法により考察をを続ける予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、有機合成化学において従来の単一分子触媒には困難な基質に対してや、反応選択性やレジオ・サイト・立体選択性などを発現するマルチ選択的な反応の制御を目指して、条件に合わせたテーラーメイドな酸・塩基協奏型の機能性触媒を開発する。最終年度につき、全種の触媒についてより一層の磨きをかけるが、特に「ブレンステッド酸・ブレンステッド酸複合触媒の開発」について重点的に実施する予定である。前年度までに得られた知見を新触媒にフィードバックすることも計画している。
[ブレンステッド酸・ブレンステッド酸複合触媒の開発]リン酸/カルボン酸複合触媒、リン酸/スルホン酸複合触媒、ボロン酸/スルホン酸複合触媒、ボロン酸/リン酸複合触媒などを開発する。酸触媒の酸・塩基点を他の酸の塩基点で認識させて超分子化する。併せて、アルカリ金属イオンを用いることで、活性プロトン周りをクラスター化して集密化すると同時に活性化して、活性点を取り巻くキラルキャビティーを精密設計する。特にエステル交換反応および脱水縮合的エステル合成反応、脱水縮合的アミド合成反応に用いる。アキラルな触媒での検討をもとに不斉触媒化して、ジオール、トリオール、アミノアルコール、糖などの官能基選択性及び位置選択性のマルチ制御による作り分けを目指す。
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