2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Chiral Supramolecular Catalysts in Multiselective Reactions
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17H03054
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
波多野 学 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20362270)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 不斉触媒反応 / キラル超分子 / 酸塩基複合触媒 / 自己組織化 / 分子包接効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
数万の分子量を誇る酵素の多彩な立体かつ基質特異的な機能を分子触媒レベルで発現するには、従来の画一的な単一分子触媒の限界を乗り越える必要がある。本研究では適切な酸点と塩基点を配置した複数の小分子を予め分子設計し、酸・塩基の動的な親和的相互作用を駆動源とするキラル超分子触媒をin situで創製する。酵素の鍵穴と触媒活性点にあたるキラルキャビティーを自在に作り出し、従来の単一分子触媒には不向きな分子包接効果を発現させる。反応効率を極限まで高めつつ、合成困難を可能にするテーラーメイド型のキラル超分子触媒の創製とそれらを用いた高次選択的触媒反応の開発を目指した。特に、シンプルな小分子素子から成るキラル超分子触媒をシステマティックに開発中である。基質選択性や位置および立体選択性を発現するテーラーメイド型超分子触媒による高次選択的触媒反応を開発している。具体的には、(1)ブレンステッド酸・ブレンステッド塩基複合触媒、(2) ブレンステッド酸・ルイス酸複合触媒、(3) ブレンステッド酸・ブレンステッド酸複合触媒、(4)ルイス酸・ルイス酸複合触媒、の4種類にタイプ分けして進めた。これらのうち、H29年度は(1)ブレンステッド酸・ブレンステッド塩基複合触媒、(2)ブレンステッド酸・ルイス酸複合触媒、を重点的に開発した。詳細は、「現在までの進捗状況」欄を参照。項目(1)は、最も簡単な超分子システムであり、キラルジスルホン酸、キラルビスリン酸を用いる反応開発を行ない、難易度の高いアザ・フリーデル・クラフツ反応の実現に成功した。項目(2)は、ルイス酸を作用させてH+酸周辺に立体効果を与えると同時にH+酸を活性化できる画期的なシステムを実現した。カルボニルエン環化反応の重点的開発を行い、最高水準の基質一般性、収率、立体選択性を達成した。
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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
年度当初に計画した2項目について、下記の通り、概ね計画通り研究を実施できた。
(1)ブレンステッド酸・ブレンステッド塩基複合触媒の開発: 生物活性物質の重要中間体の基礎骨格を形作る重要な反応では、塩基性度の異なる基質や求核性度の異なる反応剤が使われる。したがって、キラルキャビティーを構築して、立体化学だけでなく副反応や過剰反応をも制御できる高活性触媒の創製が望ましい。そこで本研究では研究代表者が独自に開発中のキラルジスルホン酸、キラルビスリン酸を用いる複合触媒分子設計を行なった。これらはすべて二塩基酸であり、加える塩基の量や種類の組合せが多様である。サイズの異なるキラルキャビティーの立体効果と同時に、電子的制御を加えて、個々の触媒反応に最適な酸性度を調節した。その結果、難易度の高いアザ・フリーデル・クラフツ反応の実現に成功した。反応機構や触媒活性種の解明を行い、次世代の高活性触媒への発展が期待できる成果を得た。
(2)ブレンステッド酸・ルイス酸複合触媒の開発: リン酸はブレンステッド酸であると同時に、共役構造のP=O部位がルイス塩基として機能する。従って、リン酸触媒にルイス酸を作用させれば、H+酸周辺に嵩高い立体効果を与えるとともに共役構造を介してH+酸を活性化できる。この直接活性化型の超分子リン酸触媒を用いて、キャビティー効果が最も発動しやすいと予見されるカルボニルエン環化反応を行なった。その結果、最高水準の基質一般性、収率、立体選択性を達成した。引き続き、反応機構の解明と触媒構造の証明が急務であり、次年度に引き続き実施する研究項目となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に引き続き、シンプルな小分子素子から成るキラル超分子触媒をシステマティックに開発する。単一分子触媒では実現が困難な分子包接効果を最大限に活用し、基質選択性や位置および立体選択性を発現するテーラーメイド型超分子触媒による高次選択的触媒反応を開発する。今後(とくにH30年度)は下記の2項目を中心に研究を遂行する予定である。
・ブレンステッド酸・ルイス酸複合触媒の開発(継続項目): キラルリン酸触媒を用いるカルボニルエン環化反応の反応機構の解明と触媒構造の証明が急務であり、引き続き実施する。
・ルイス酸・ルイス酸複合触媒の開発(新規項目): 塩基部位を有するキラルホウ素Lewis酸に嵩高いアキラルホウ素Lewis酸を組み合わせる触媒設計を行う。ホウ素原子(酸)とキラルホウ素Lewis酸本体の酸素原子(塩基)と間の動的な配位結合で保ち、キラルな空洞に配座柔軟性を与える。それと同時に、ホウ素Lewis酸の強い電子求引性に基づいて、共役結合を介して中心酸部位の触媒活性を増大させる。プロパルギルアルデヒドのような三重結合を扱うと、より複雑な三次元的な立体構造の識別が必要となる。そこで本研究では、エナンチオ-、endo/exo、レジオ-、サイト-、基質選択性をすべて制御する高次Diels-Alder反応を開発する。
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