2016 年度実施状況報告書

ラジカル酵素の機能を模した人工反応場による不活性結合の変換

研究課題

研究課題/領域番号	16K05765
研究機関	秋田大学
研究代表者	清野秀岳秋田大学, 教育文化学部, 准教授 (50292751)
研究期間 (年度)	2016-10-21 – 2019-03-31
キーワード	生物無機化学 / ラジカル酵素 / 金属－硫黄クラスター / 不活性結合切断
研究実績の概要	ラジカルSAM酵素の電子移動中心 [4Fe-4S]クラスターに類する遷移金属－スルフィドクラスターとして、同じキュバン型の幾何構造と同族金属とを持つRu4S4クラスターの利用を検討した。前駆体クラスターとしてパラシメン配位子(Cym)が各ルテニウムサイトをキャップした構造のものを選び、それを２電子酸化するとキュバン型骨格を保持したままCymが置換活性となることを見いだした。酸化型カチオンクラスターのヨウ化物イオンとの塩は、二座ホスフィン配位子L2と反応させると、二つのルテニウムサイトのCym配位子が置換された。その結果二つのルテニウムにはL2がキレート配位し、さらにヨージド配位子が架橋配位した構造となった。この架橋ヨージドを除去すれば、二核隣接配位サイトが生成しうる。一方、非配位性のヘキサフルオロリン酸イオンが対アニオンのときは、より多くのCym配位子がアセトニトリル中において置換された。生成したクラスターではルテニウム金属のうち三つが互いに３分子のL2で架橋され、残る一つにはL2がキレート配位している。前者の三つのルテニウムは五配位であり、後者のルテニウムも置換活性のアセトニトリルを持つため、これらはいずれも基質分子と結合するサイトになりうる。先のRu4S4クラスターと等電子的なRuIr3S4クラスターにおいても、２電子酸化型におけるルテニウム上のCym配位子は置換活性で、例えばヨージド配位子がルテニウム間を架橋したダブルキュバン構造を形成する。これを還元したところ、２電子還元体として八核クラスターが生成したが、これはキュバン型RuIr3S4コアと三方両錐型RuIr2S2コアがIrS2ユニットで架橋された構造となっており、有効に使える反応サイトに乏しいことが分かった。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由初年度の研究期間６ヶ月の間に、本研究の有用な土台となりうるRu4S4クラスターの反応性を明らかにした。前駆体の配位子を置換活性にすることができたが、同時にクラスターが凝集して不溶性固体となる傾向があったため、それを抑制できる補助配位子を検討する必要があった。また、新規クラスター化合物の構造決定は最終的に単結晶X線回折法によったが、想定以上に時間を費やした。そのため、当初予定していたクラスターと有機スルホニウムイオンとの反応を十分検討することは初年度にできなかった。しかし、複数の有用なクラスター前駆体を選定することができたため、次年度以降はそれらを用いて研究を加速できると考えている。また、本年度の成果については、次年度早々に学会発表を申し込む予定である。
今後の研究の推進方策	前年度の研究で得られた一連のRu4S4クラスターを用いて、炭素ラジカルを発生しうる有機分子との複合体形成を次の三通りの方法で検討する。第一にCym配位子を置換して、分子内にスルホニウム部位を有する配位子を結合させる。単独のキュバン型クラスター骨格を保持するのに有効なのは第三級ホスフィン配位子であったことから、これを利用する。ホスフィン配位子の構造（二座または単座）や対アニオンの配位性によって、最大４つのルテニウムサイトが置換を受ける可能性があるが、スルホニウム部位１または２個の選択的導入を試みる。第二に、隣接した二核ルテニウムに架橋ヨージド配位子を有するクラスターを用い、これを置換してスルホニウム部位を有する有機分子を導入する。この分子の配位元素はリン以外でもよい。このクラスター前駆体が持つ隣接した二核ルテニウムサイトにおいては、一方にラジカル源となる含スルホニウム分子、他方にはラジカルで活性化させる基質分子（不活性炭化水素基を有するものなど）を結合すると、分子内反応系を構築できる。第三に、３つのルテニウムサイトを架橋二座ホスフィンで保護したクラスターを用い、４つ目のルテニウム上に含スルホニウム分子を導入する。ラジカルSAM酵素の[4Fe-4S]クラスターはSAMと結合する鉄サイトを１つだけ持つため、このタイプのRu4S4クラスターが生体分子モデルに最も近い。続いて、スルホニウム部位が結合したクラスターを還元し、炭素－硫黄結合切断による炭素ラジカル生成を検討する。以上の研究がある程度進んだ段階で、スルホニウムに代えて第四級ホスホニウムやアンモニウムなどのカチオン化合物を利用した研究も始める。前年度と同様に連携研究者の弘前大学・岡崎教授にはX線回折実験で、岩手大学・是永准教授には有機ラジカルの触媒反応に関連して協力を受けて研究を進める。
次年度使用額が生じた理由	試薬、溶媒、原料ガスなどの消耗品の予算として計画していたが、これらは安定性の問題、保管量の制限、容器の返却期限などの理由から、使用直前に購入せねばならない。実験の進行上、予定していた購入額に達しなかったため、本年度の物品費のおよそ3%にあたる次年度使用額が生じた。
次年度使用額の使用計画	試薬、溶媒、原料ガスの購入に充てる。