2021 Fiscal Year Annual Research Report
Dynamic Chiral Macromolecular Catalyst for Asymmetric Amplification
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20H05674
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
杉野目 道紀 京都大学, 工学研究科, 教授 (60252483)
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| Project Period (FY) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
二つの不斉増幅-“弱いキラル相互作用の増幅”と“光学純度の増幅”-を実現する次世代触媒的不斉合成システムとして、本来微弱なキラル分子相互作用を増幅し、鋭敏ならせん誘起を受ける動的らせん高分子PQXを骨格とするキラル高分子触媒の開発を進めている。このため、らせん誘起ユニット構造探索と、触媒反応開発を並行して進めており、以下に掲ける研究成果が得られた。
【1】らせん誘起ユニット構造探索：PQXには特別なゲスト受容部位は導入せず、PQX主鎖または側鎖との非結合性相互作用によってらせん誘起を行う方法の開発を行なった。プロピルオキシメチル基を有するモノマーユニットから構成されるPQXに対し、新たに乳酸の環状２量体(L-lactide)が高いらせん不斉誘起効果を示すことがわかった。一方、PQXとキラルゲストの疎水性相互作用を高め、またイオン結合や水素結合の利用を可能にするため、カルボキシル基を側鎖に有する水溶性PQXcoohおよびポリエチレングリコール鎖を有するノニオン性PQXtregの合成に成功し、それぞれキラルアミン類およびマンデル酸により、水中において強いらせん誘起を受けることを見出した。
【2】触媒反応開発：求核性のp-(ジプロピルアミノ)ピリジル基を導入したPQXdpap触媒を用い、２級アルコールの速度論的光学分割を実現した。最も効果的な場合では鏡像異性体間での反応速度差sが50以上に達することを明らかにした。
【3】上記に加え、PQXとキラルゲストの非結合性相互作用の理論的、分光学的解明を進めた。NMR測定とDFT計算によってPQXと1,1,2-トリクロロエタン(TCE)の相互作用を調べたところ、PQX主鎖が形成する浅い溝(DNAにおけるGrooveに相当)にTCEが収まっていることがわかった。ロンドン分散力、および側鎖エーテル酸素との静電相互作用が主たる誘引力であった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究計画のほぼ全ての項目において計画以上の成果を得ており、順調に研究が進展している。特に重要な研究成果を以下に掲げる。(1) アキラルらせん高分子PQXに対し、有機溶媒中で保護天然アミノ酸、あるいは乳酸環状２量体を「混ぜるだけ」で、PQXのらせん方向を熱力学的に完全に制御できることを明らかにした。(2) 様々な触媒活性部位を導入したPQXが、「PQXbpy／銅触媒によるエナンチオ収束的Dumasカップリング」を含む４つの不斉触媒反応の優れた触媒となることを新たに見出した。(3) Ac-L-Pro-OMeに代表される保護天然アミノ酸を唯一のキラル源として用いる触媒的不斉反応を実現した。この反応系においては、保護天然アミノ酸からPQX触媒への非結合性キラル相互作用に基づいたキラリティ転写が効果的に進行し、PQX触媒に対して一方向巻きらせん構造が高選択的に誘起されることが鍵となっている。(4) アミノアルコールのN-保護体がボロニル基をゲスト受容部位として有するPQXbohに対して効果的ならせんキラリティ誘起効果を示すことを明らかにした。(5) C2対称ジホスフィン型配位子を新たに合成した。金属にキレート配位した環状構造におけるキラル配座がPQXのキラル骨格によって効果的に制御され、デヒドロアミノ酸のロジウム触媒水素化反応において89:11のエナンチオ選択性を得た。これによって、極めて適用範囲の広いジホスフィンキレート型配位子への展開に道が拓けた。(6) PQX骨格に対する有機小分子のらせん誘起において、PQXのgroove（溝）に対して有機小分子がロンドン分散力や静電相互作用などの非結合性分子間力により相互作用していることを、等温滴定熱量測定、NMR測定、および理論計算によって明らかにした。
これらを総合し、本研究は当初の研究計画の想定を超えて進展していると自己分析した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) らせん反転をロックして行う不斉反応の開発:動的に誘起したキラルらせん構造を添加物の利用や化学反応等の化学的処理によって「ロック」する方法を確立する。これによって、キラル化合物を一切消費しない不斉合成が実現する。
(2) 新規触媒活性部位のデザインと合成：これまでC1対称型に限定されていた触媒活性部位を、C2対称型に拡張する。特に、金属にキレート配位が可能なジホスフィン型の配位子構造を導入し、幅広い不斉反応への展開を図る。
(3) 自己増幅不斉触媒反応の開発: 極めて低い光学純度を有するキラル源から高い光学純度の生成物を与える、自己増幅不斉触媒反応を開発する。
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