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基質認識による触媒活性スイッチを鍵とした位置選択的な炭素―水素結合変換触媒の開発

研究課題

研究課題/領域番号 19J23157
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分47010:薬系化学および創薬科学関連
研究機関東京大学

研究代表者

坂井 健太郎  東京大学, 薬学系研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
3,100千円 (直接経費: 3,100千円)
2021年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2020年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2019年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
キーワードアミン / ゲルマニウム触媒 / アルコール / ホウ素触媒 / ケイ素触媒 / ボレート / シリケート / HAT触媒 / 炭素-水素結合官能基化 / 光触媒 / 水素原子移動触媒 / 結合弱化触媒 / 位置選択性 / ラジカル / 均一系触媒 / 有機合成化学 / C-H結合官能基化 / フォトレドックス触媒 / 水素原子移動 / 水素原子移動(HAT)触媒 / ハイブリッド触媒
研究開始時の研究の概要

化合物中に普遍に存在するsp3炭素-水素結合を位置選択的かつ触媒的に変換する手法は精密有機合成上重要であり、医薬品開発を革新し得る高いポテンシャルを秘めている。本研究課題では、sp3炭素-水素結合を高反応性炭素ラジカルへと変換する水素原子移動触媒に着目し、触媒が基質を認識することで初めて触媒活性化が起き、基質-触媒複合体から位置選択的sp3炭素-水素結合変換が進行する新規触媒の開発を行う。触媒が認識する基質中の構造は特殊な構造ではなく、天然物および医薬品構造中に幅広く見られるアルコール構造である。

研究実績の概要

申請時の予定とは異なるが、昨年度と同様に結合弱化触媒による特定のC(sp3)-H結合の結合弱化現象を活用した新規触媒反応開発に取り組んだ。昨年度までは、アルコール認識部位としてホウ素やケイ素触媒を用い、基質のアルコールとのボレートおよびシリケート形成による結合弱化現象を利用したアルコールα位C(sp3)-H結合選択的なアルキル化反応を開発していた。
結合弱化触媒を開発し、光触媒、HAT触媒と組み合わせ、位置選択的なC(sp3)-H結合官能基化に活用した反応は、前述の私の反応2種類を含め、数例が知られている。しかし、既報の結合弱化触媒はすべてアルコールとの結合形成によってアルコールα位C(sp3)-H結合弱化を引き起こすものであり、他の官能基近傍のC(sp3)-H結合弱化を引き起こす触媒は知られていなかった。そこで、アルコール以外を対象とした結合弱化触媒の開発に取り組むこととした。ここで、アミンはアルコールと同様に医薬品、農薬、天然物中に幅広く見られる構造であり、アミンα位C(sp3)-H結合官能基化はケミカルスペース拡張につながる有用な反応であるため、アミンを対象とした結合弱化触媒開発に取り組んだ。
計算化学主導でアミンを対象とした結合弱化現象を探索したところ、アミンがゲルマニウム触媒と複合体を形成した際に、脂肪族1級アミンのアミンα位C(sp3)-H結合弱化が起きることが示唆された。この計算結果を基に条件検討を行った結果、青色LED光照射下、光触媒、HAT触媒、ゲルマニウム触媒からなるハイブリッド触媒系による脂肪族1級アミンα位C(sp3)-H結合選択的なアルキル化反応の開発に成功した。
また、C(sp3)-H結合官能基化反応以外に加え、これまでの研究で活用してきた計算化学手法を用い、ラジカル種によるペプチド、タンパク質修飾反応開発にも貢献した。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2022 2021 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 4件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] A Germanium Catalyst Accelerates the Photoredox α-C(sp3)-H Alkylation of Primary Amines2022

    • 著者名/発表者名
      Sakai Kentaro, Oisaki Kounosuke, Kanai Motomu
    • 雑誌名

      Organic Letters

      巻: 24 号: 18 ページ: 3325-3330

    • DOI

      10.1021/acs.orglett.2c00871

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Protein Modification at Tyrosine with Iminoxyl Radicals2021

    • 著者名/発表者名
      Maruyama Katsuya、Ishiyama Takashi、Seki Yohei、Sakai Kentaro、Togo Takaya、Oisaki Kounosuke、Kanai Motomu
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 143 号: 47 ページ: 19844-19855

    • DOI

      10.1021/jacs.1c09066

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Bond-Weakening Borinate Catalyst that Improves the Scope of the Photoredox α-C?H Alkylation of Alcohols2020

    • 著者名/発表者名
      Oisaki Kounosuke、Kanai Motomu、Sakai Kentaro
    • 雑誌名

      Synthesis

      巻: 52 号: 15 ページ: 2171-2189

    • DOI

      10.1055/s-0040-1707114

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Identification of Bond‐Weakening Spirosilane Catalyst for Photoredox α‐C-H Alkylation of Alcohols2019

    • 著者名/発表者名
      Sakai Kentaro、Oisaki Kounosuke、Kanai Motomu
    • 雑誌名

      Advanced Synthesis & Catalysis

      巻: 362 号: 2 ページ: 337-343

    • DOI

      10.1002/adsc.201901253

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Site-selective α-C(sp3)-H Alkylation of Alcohols and Primary Amines Promoted by Photoredox, HAT, and Bond-Weakening Hybrid Catalysis2022

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sakai, Kounosuke Oisaki, Motomu Kanai
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ゲルマニウム型新規結合弱化触媒を用いた1級アミンα位C(sp3)-Hアルキル化2022

    • 著者名/発表者名
      坂井健太郎、生長幸之助、金井求
    • 学会等名
      日本薬学会第142年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Tyr-Selective Protein Modification with Iminoxyl Radicals2021

    • 著者名/発表者名
      Katsuya Maruyama, Takashi Ishiyama, Yohei Seki, Kentaro Sakai, Takaya Togo, Kounosuke Oisaki, Motomu Kanai
    • 学会等名
      13th AFMC International Medicinal Chemistry Symposium (AIMECS2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Identification of Bond-Weakening Spirosilane Catalyst for Photoredox α-C-H Alkylation of Alcohols2021

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sakai, Kounosuke Oisaki, Motomu Kanai
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ホウ素型新規結合弱化触媒を用いたアルコールα位C(sp3)-Hアルキル化2021

    • 著者名/発表者名
      坂井健太郎、生長幸之助、金井求
    • 学会等名
      日本薬学会第141年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 新規結合弱化触媒を用いた可視光駆動型アルコールα位C-Hアルキル化2020

    • 著者名/発表者名
      坂井健太郎、生長幸之助、金井求
    • 学会等名
      日本薬学会第140年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Identification of Bond-Weakening Spirosilane Catalyst for Photoredox α-C-H Alkylation of Alcohols2019

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sakai, Kounosuke Oisaki, Motomu Kanai
    • 学会等名
      4th International Symposium on Precisely Designed Catalysts with Customized Scaffolding
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A Bond-Weakening Borinate Complex for Improved Scope of Photoredox α-C-H Alkylation of Alcohols2019

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sakai, Kounosuke Oisaki, Motomu Kanai
    • 学会等名
      4th International Symposium on Precisely Designed Catalysts with Customized Scaffolding
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] SYNTHESIS Best Paper Award Winners 2020

    • URL

      https://www.thieme.de/en/thieme-chemistry/2020-winners-162820.htm

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

URL: 

公開日: 2019-05-29   更新日: 2024-03-26  

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