触媒サイクルをトリガーする電位信号による分子情報書き込み

• Project/Area Number: 19K22203
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 34:Inorganic/coordination chemistry, analytical chemistry, and related fields
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 久米 晶子 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (30431894)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 選択的CuAAC / 負の速度効果 / 自己触媒 / トリガー / CuAAC / ロック機構 / 触媒サイクル / 電気信号 / 酸化還元

Outline of Research at the Start

核酸やペプチドでは、比較的少ない数の分子ブロックを、数と種類を決めて連結することで莫大な情報伝達や多様な機能を発現することができる。このような分子の人工合成はマクロな反応溶液の添加と精製作業を繰り返すことで行われてきた。一般的に触媒反応は一定の反応条件下で無制限、統計的にサイクルを繰り返すと考えられてきたが、本研究ではCu触媒中心に対して直接電気信号を送り込むことで、1段階ずつの触媒サイクルを回転させるトリガー機構を達成し、上記の決まった数の分子連結のツールとして提案する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は触媒サイクルが1回転するたびに金属中心をトラップすることでトリガー機構を持つ触媒の開発と、その触媒サイクルの回転制御を目的としている。本年度は2座配位子に末端アルキンを二つ導入することで、Cu中心の近傍に4つの末端アルキンを配置した錯体を合成した。これらの末端アルキンのCuAACの反応の進行に伴う金属のトラップ効果を見出すことを目的に研究を進めた。これらの4つの末端アルキンがランダムにCuAAC反応が進行すれば、その途中過程である2つ目のCuAAC反応の段階で2:1の異性体を生じることになるが、実際にNMRでの反応追跡と解析を行ったところ、この段階で一方の異性体を選択的に介して進行していることを明らかにした。また、末端アルキン部のCuAAC反応による構造の延長がかえって配位子の解離を促進することを確認した。したがって、選択性が生じた理由として、既に反応した配位子がCu中心から解離したのちに、Cu中心上に残った配位子上のアルキンが反応したためと考察している。また、配位子の構造上、活性状態が単核のCuであれば、配位サイトから解離してアルキニル銅となる必要があるが、この際に、元々配位していた配位子のアルキンとの反応が優先されているといえる。またアジド基質に対する負の濃度効果が見られ反応終期に著しく反応が加速されるという異常な時間依存を示すことがわかり、この現象には溶媒依存性があることが分かった。
以上を要約すると、配位構造に密に組み込んだ4つの等価なアルキン部位の反応は、CuAAC反応の進行によって却って解離を促進するが、その結果アルキン部位の反応性に選択性が生じ特定の異性体を生じることが分かり、今後この選択性を特定の生成物を構築することに繋げることを考えている。また、偶然見出したアジド基質に対する負の濃度効果は通常と異なる構造構築への応用が期待される。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初の目的であるトリガー機構の発現については、これまでの研究からは、反応の停止ではなく逆に加速が起こっており、そのキャラクタリゼーションのためやや遅れている。しかし、現在見出している選択性を積極的に生かした分子構造構築に発展できることを実証することで、ここまでの結果をさらに論文公表するところまで進めるつもりである。また、本来の目的である分子設計についての設計指針は立てており、次項に述べる。

Strategy for Future Research Activity

これまでに見出したCuAAC反応の選択性について、より選択性と生成物の構造がリンクするような基質を探索し、有用性を示したうえで公表予定である。また、当初の目的である触媒反応にトリガー型を導入するには、反応の進行によってより強くCu中心を包接する機構が必要であると考える。したがって、延長される構造であるアジド基質を2方向、3方向の分岐型とすることで包摂による停止効果を検討する。また、配位部位に脱水・加水分解による可逆反応を容易に起こすSchiff塩基部位を組み入れることで、構造のミスマッチの修正およびCuAAC反応で形成されるトリアゾール部位との共同効果でCuの配位サイトの制御とトリガー機構の発現を探索する。