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化学者のつぶやき

階段状分子の作り方

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天然には多くの「面白い」構造を有する化合物が存在します。この「面白い」という言葉は、人それぞれ様々な意味あいを含めて使います。

例えば有機化合物の世界では、

1. 非常に複雑な構造が面白い。合成してみたい。
2. 物性、生物活性などが面白い。
3. なんだかよくわからないけど面白い。

などなど。1.の観点だけでも、このサイトでも紹介しているさいころ型分子キュバン(Cubane)、パックマンに似ている(見る人による?)カリオフィレンなどが挙げられるでしょう。

そういうわけで、世の中には「面白い」化合物が沢山存在するわけですが、今回紹介するペンタシクロアナモキシ酸 (Pentacycloanammoxic acid)は、階段構造を持った分子です(トップ図)。専門的に表現すると、シクロブタン環が5つcis配列で結合した分子です。面白ーっ!!

ryuku

もちろんこんな妙ちくりんな構造ですから、合成化学者にとっても興味を引かれる化合物。この分子はどこから来て、どのような性質を持っているのでしょうか?また、この分子はどのように作れば良いのでしょうか?

これから簡単に紹介いたします。

ペンタシクロアナモキシ酸について

細胞の脂質膜はイオンや代謝物の濃度勾配を形成可能とするため、細胞の機能に不可欠なものです。微生物の膜脂質には、脂肪族の三員環、五員環、六員環、七員環まで存在しますが、四員炭素環を持つ脂肪酸はこれまで天然からは見つかっていませんでした。

2002年にDamsteらは、2種類の嫌気的アンモニア酸化(アナモックス, Anammox)細菌の主要な膜脂質中にシクロブタン環を発見しました[1]。そのひとつが、ペンタシクロアナモキシ酸メチルエステルです。

この化合物は、アナモックス菌の代謝が行われる細胞質区画であるアナモキソーム(Anammoxome)の膜に存在します(図1)そこで脂質二重膜を形成しています。つまり、アナモキソームでは嫌気的アンモニア酸化が行われており、その内には細胞に有害な化学物質が存在します。ペンタシクロアナモキシ酸脂質膜は、それらを排出させない障壁として、さらに濃度勾配を維持する膜として機能しているわけです。

図2. アナモックス細菌細胞の脂質膜と嫌気的アンモニア酸化(論文[2]より引用)

図1. アナモックス細菌細胞の脂質膜と嫌気的アンモニア酸化(論文[1b]より引用)

ペンタシクロアナモキシ酸のような階段構造をもつ分子をラダラン(ladderane)分子といい、自然界では発見例が ありませんでした(人工分子としては、オプトエレクトロニクス分野での有望素材として知られています)。

ペンタシクロアナモキシ酸の全合成

ペンタシクロアナモキシ酸は合成化学的にみても「面白い」構造です。

合成戦略を考える際には、5つの連続したシクロブタン環をいかにして合成するかが鍵となります。以下のようなヘキサトリエン2分子が[2+2]光環化反応を起こせば、理論上、ラダラン分子は一挙に合成できます(図2)。しかし、ラダラン分子の構造は非常にひずんでおり、試験管のなかでの実施は困難です。

図2

図2

ハーバード大学・E. J. Coreyらはこの化合物の合成に挑戦し、2004年にはそのラセミ体合成を報告しました[2a]。概要は以下の通り (図3)。

 

シクロオクタテトラエンから既法に従い合成できる2環性化合物から2段階で上段中央の化合物へ誘導します。ここからシクロペンテノンとの[2+2]光環化反応、窒素保護基の除去を経て上段右の化合物を得ます。このカルボニル基を保護した後、再び光環化を行い、中段左の化合物を合成します。2段階の反応でα-ジアゾケトンへ誘導し、Wolff転位により環縮小させ、5つのシクロブタン環が接続したアルデヒドを合成しました。最後はWittig反応で側鎖を伸張することで、ペンタシクロアナモキシ酸のラセミ全合成を達成しました。

図3. ペンタシクロアナモキシ酸のラセミ全合成[2a]

図3. ペンタシクロアナモキシ酸のラセミ全合成[2a]

しかしこの合成経路では各所の収率が低いことが問題で有り、不斉全合成によりシクロブタン環根元の立体化学を明らかにする課題も残されていました。2年後に彼らはこれらを解決した、光学活性体の合成経路を報告しました[2b](図4)。

ラセミ体合成でも用いられた[2+2]光環化→Wolff転位を繰り返し使うことが鍵となっています。シクロブテン+シクロペンテノンノ組み合わせから図3と同様の経路を経て中段左のカルボン酸へと誘導します。このカルボン酸を除去して3環性シクロブテンを合成後、シランを結合させた光学活性シクロペンテノンと再び[2+2]環化を行います。これにより光学活性な形で5環性化合物がつくれます。この先はシリル基除去後図3と同様に合成し、ペンタシクロアナモキシ酸の不斉全合成を達成し、その絶対立体配置を決定できました。

図4. ペンタシクロアナモキシ酸の不斉全合成[2b]

図4. ペンタシクロアナモキシ酸の不斉全合成[2b]

以上、ペンタシクロアナモキシ酸について、の化学合成までを簡単に説明しました。が、この分子がどのように生体内でつくられているのか(生合成されているか)は、現在でもミステリアスな部分です。このような「面白い」構造の分子を生み出す自然界は、人間にとってまだまだ奧深い存在で有り続けることでしょう。

(※本記事は以前公開されていたものを加筆修正のうえ「つぶやき」に移行したものです)
(2006.2. 5  by ブレビコミン 2016.2.7 加筆修正 by cosine)

参考文献

  1. Damste, J. S. S.; Strous, M.; Rijpstra, W. I. C.; Hopmans, E. C.; Geenevasen, J. A. J.; van Duin, A. C. T.; van Niftrik, L. A.; Jetten, M. S. M.  Nature 2002, 419, 708. doi:10.1038/nature01128 ()DeLong, E. F. Nature 2002, 419, 676.
  2. (a) Mascitti, V.; Corey, E. J. J. Am. Chem. Soc. 2004, 127, 15664. DOI:10.1021/ja044089a (b) Mascitti, V.; Corey, E. J. J. Am. Chem. Soc.  2006, 128, 3118. DOI: 10.1021/ja058370g

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博士(薬学)。Chem-Station副代表。現在国立大学教員として勤務中。専門は有機合成化学、主に触媒開発研究。
関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。
素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

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