| 研究課題/領域番号 |
15H05698
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
小林 修 東京大学, 大学院理学系研究科, 教授
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| 研究期間 (年度) |
2015 – 2019
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| キーワード | 水中特異的 / 不均一系触媒 / 不斉反応 / 不溶性 / 人工触媒 / 環境調和型 / ミセル / 質量分析 |
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| 研究実績の概要 |
現在の有機化学は、有機溶媒を用いることを前提として体系化されてきた学問である。本研究ではいわぱ有機化学の「常識」を打ち破り、水を溶媒として用いる新しい有機化学を開拓すること、また水を単に有機溶媒の代替溶媒としてではなく、有機合成のツールとして捉える新学問領域の創成、更にはその体系化を行うことを目的としている。本研究課題において、サプテーマとして設定された5つの課題、すなわち。(1)水中で有効に機能する触媒の開発、(2)水中での有機反応の反応機構の解明、(3)水中での有機反応解析のための新分析法の開発、(4)水中で機能する人工酵素触媒の創成および生体反応への応用、(5)水溶媒を用いる工業プロセスのための基礎研究、について同時並行的に研究を遂行し、各分野で興味深い成果を得た。各サブテーマ毎に具体的な成果を以下に示す。(1)に特に大きな進展が見られ、論文発表に至っている。(1)は本プロジェクトの基軸でもあり、各種分子変換手法において溶媒量の水が効果的に働く事例を集積し、水の効果を解明することに繋げるための枢要な位置付けであった。新規な疎水場構築法として、ルイス酸触媒とπ電子材料との複合化概念の下、単層カーボンナノチユーブ(SWNT)表面を活用する手法を考案し、π電子構造体を活用する新規Lewis酸触媒開発を実証すべく研究を推進している。所属研究室が過去に報告しているLewis酸界面活性剤一体型触媒(LASC)の概念を活用し、ドデシル硫酸アニオンとSWNT凌面との相互作用を通じてSWNTおよび金属カチオンの水中高分散を実現し。結果的にπ電子構造体と金属カチオンとの相互作用を基盤とする構想である。このときアニオン性界面活性剤部位を介してSWNT表面にアンカーされるカチオン部位はSWNT表面に広がるπ電子雲からの電子供与を受け電子状熊の改変を受けることが期待され、またSWNT表面の強烈な疎水性は疎水性基質や疎水性の不斉配位子を集約するのに好都合であり、ナノチューブ表面を反応場として活用することができると考えられる。すなわち媒体が水である場合に最も効果的であると予測されることから水中反応場という独自の切り口を持ち込み、通常は失活の原因となってしまうアルドキシムなどの配位性基質を用いて活性lewis酸の特徴を活かした新規触媒的不斉反応を見出すことを主たる目的としていた。各種測定や実験によって触媒系の概念実証に成功し、Science誌に論文発表するに至っている。本研究において初めてカーボンナノチューブを担体以外の目的で有機化学反応に応用することに成功じ、また予期した通り反応媒体として水を使用したときのみ高い活性と選択性が得られるという知見を得ている。従来は不斉制御が困難だった新しい光学活性ニトロン化合物の合成手段の開発に繋がっており、反応系可溶化のために一般的に使用される有機溶媒を用いることなく水の利点を存分に活かした結果である。世界的にみても類似の研究例は現在のところ全くなく、独創性の高い研究成果と言える。(I)で得られた水の優位性の根源を解明するための手段を確立すべく、(2)及び(3)を同時に進めている。(2)については計算化学によるアプローチ強化のため奈良先科学技術大学院大学の畑中博士に昨年度より研究分担者として参画いただくことになり、(3)については本研究課題において取り組んでいるDirect Analysis on Rcal-Time (DART)法を用いた反応速度測定法を活用するアプローチである。本研究課題において見出された不溶性触媒表面における不溶性基質の水中反応という岡一固一因一液4層系とも見做すことのできる反応系をモデル化すべく、双方のアプローチにて検討を進めているところである。(4)に関しては、ビオチン標識化した貴金属錯体をストレプトアビジンでコ―ディング、加水分解酵素による活性化機能を搭載した人エチモーゲンを用いて無細胞抽出液での検討などを行った。(5)については。金属漏出のない固相不斉Lewis酸触媒の開発に着手している。固相触媒としてのメリットを活用することで、、不斉環境を損なうことなく触媒並びに反応媒体である水を回収・再使用ができることを示すことができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本研究課題の主たる指針は、水中でしか進行しない反応、水中でしか発現しない選択性を追求すべく、水中で有効に機能する触媒系の探索と水中における新規反応場構築法の模索であった。有機化合物は基本的に水には溶けないために、水溶媒中での有機反応や触媒反応は不均一系をなすが、一般に、不均一系の反応は均一系の反応に比べ、反応速度や収率の面で不利であるとされている。当初計画でも言及した通り、水溶媒中では不斉触媒の加水分解が多々優先するなど、本研究の類なき独創性ゆえに難航も予想されていた。そこで、特異な疎水的水中反応場を構築することにこの問題の解決の糸口を見出すべく触媒系をデザインし、各種測定法を駆使して当初目的としていた触媒系の概念実証には成功し、論文発表にまで漕ぎ着けることができた。本研究成果はプレスリリースを行った。殊にニッケル錯体側、SWNT側双方において得られた複数の吸収・発光スペクトルデータは想定していた両者間の電子カップリングと矛盾せず、半導体型特有の現象であることを確認できたことは更なる応用を目指す上で極めて重要な成果である。
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続き、水中で有効に機能する触媒の開発を主目的の一つとする。特異な水中反応場を構築することにこの問題の解決の糸口を見いだしており、この結果をさらに発展させ、新たな触媒分子を開発することで有効な反応場を構築することを目指す。さらに、触媒、両基質すべてが不溶である場合に最も優れた選択性を与えるという発見にまで至っており、理論的な解明が望まれる。そこで初年度に(1)で得られた成果を基にサブテーマ(2)を推進し、得られた知見を再度、新規触媒・反応開発の(1)へと還元することを目指す。既に、不均一系では分光学的手法が使えない一方、計算化学による理解が本研究課題において有効であることを確認した。しかしながら、計算化学には“溶解”という概念が存在せず、不溶性金属塩の触媒表面で進行する反応、特に上記のような系を表現することはできない。基質と水(溶媒)との関係は、イオン性水和、水素結合性水和、疎水性水和の3パターンがあり、かつ分子構造によってはこれらの複合的な水和であることが推定されるため、基質の水和現象に対する熱力学的な理解と計算化学上の定式化を図ることが必要かもしれない。これら理論構築には時間がかかるため、基質が溶解していないものの、触媒が溶解していても反応が進行する系に対して鋭意検討中である。(3)で提案した手法では、より詳細なデータ集積を継続する必要性があるものの、現時点で一定の応用性を示すことができていると判断している。さらなる動態解析には、質量分析法を用いたモニタリングに併せて、粒度分布の経時測定など、系の不均一性を評価するパラメーターを導入する必要があり、(2)と合わせて系のモデル化と定式化の検討を進める。(4)においては、生体高分子を対象とした結合形成反応や細胞内のような夾雑系での分子変換を担う触媒開発を見据えており、大量に存在するイオンやアミノ酸残基などによる触媒の失活や官能基選択性の実現に向けて生理条件に近い37℃、緩衝液中などの条件での反応性拡張に関する検討を引き続き進める。(5)では、溶解性に起因する潜在的な問題をいかに改善に繋げていくかについて、連続フロー合成への応用を見据えた技術基盤の確立を目指す。
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