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スポットライトリサーチ

ハイブリット触媒による不斉C–H官能基化

第157回目のスポットライトリサーチは、北海道大学大学院 薬学研究院 博士後期課程2年の佐竹 瞬 (さたけ しゅん)さんにお願いしました。

佐竹さんの所属する研究室(松永 茂樹 教授)では、医薬分子の迅速合成に向け、主に遷移金属触媒を用いた炭素–水素結合活性化反応や不斉反応の開発に精力的に取り組まれています。
今回佐竹さんらは、遷移金属触媒と有機分子触媒からなる独自のハイブリッド触媒を用いることで、高エナンチオ選択的なC–H官能基化反応を開発することに成功しました。
本成果は、最近刊行されたNature Catalysis誌に掲載されるとともにプレスリリースが行われています。

“Pentamethylcyclopentadienyl Rhodium(III)-Chiral Disulfonate Hybrid Catalysis for Enantioselective C-H Bond Functionalization”

Satake, S.; Kurihara, T.; Nishikawa, K.; Mochizuki, T.; Hatano, M.; Ishihara, K.; Yoshino, T.; Matsunaga, S.
Nature Catalysis 2018, Published online. DOI: 10.1038/s41929-018-0106-5

実際に実験に取り組まれた佐竹さんに関して、松永先生と吉野 達彦 助教からコメントをいただいています。

2015年4月に研究室を立ち上げるにあたり、当時修士1年生になったばかりの佐竹君にはラボ内でもっとも挑戦的なことに取組んでもらうことにしました。「原料回収のみ」または「滝のようなTLC」という厳しいデータしか出てこない日々が続き、正直、ボツとなったテーマの数は数えきれません。そのような状況でも、新しいことに挑戦しようという信念をもって丹念に研究に打ち込んでくれました。佐竹君の前向きな性格と混沌からタネを拾いだせる繊細さがあってこそ成功したテーマだと思っています。(松永茂樹)

佐竹君は、今の研究室の体制がスタートしてからいくつもの難しいテーマに挑戦してくれました(没になったものも多いですが、そこは教員の力不足です)。その行動力と前向きさで多くの試行錯誤を繰り返してくれた結果が今回の成果につながっています。後輩の面倒見もよく、今回の仕事でもM2の栗原君と一緒にがんばってくれました。失敗も成功も経験したことで大きく成長して、これからも活躍していってくれると期待しています。(吉野達彦)

研究(室)立ち上げ時のテーマに関わるという経験は、誰もができるわけではありません。苦労も人一倍多いかと思いますが、そのような経験でしか得られない、特別な実力をつけることができるのだと思います。そのような状況にいる方は特に、論文と合わせて佐竹さんのインタビューをご覧ください!

Q1. 今回のプレスリリース対象となったのはどんな研究ですか?

不斉C–H官能基化を実現するハイブリット触媒を開発しました。

Cp*ロジウム錯体は、配位性官能基 (DG) を用いるC–H官能基化反応において、優れた触媒として広く用いられています。本触媒による反応を不斉反応へと発展させるには、Cp配位子にキラルな構造を導入する手法が一般的でした。1) しかしながら、錯体の調製に合成上の手間が多く、より簡便な手法が望ましいと考えられました(図1)。

 

私たちは、触媒活性種がカチオン性である点に着目し、有機分子触媒をキラル対アニオンとして導入したハイブリット触媒を開発し、不斉C–H官能基化に成功しました。導入するアニオン種はビナフチルジスルホナート(BINSate) が最適であり、錯体の調製は極めて容易なものとなっています(図2)。

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

本研究テーマは研究室立ち上げに際し、多くテーマをボツにした上で初めて得られたポジティブな成果で、最初にHPLCを確認した時の喜びは忘れられません。そのため、今回のハイブリット触媒自体に深い思い入れがあります。

また、工夫した点は添加剤です。様々な配向基を持つ基質を検討しましたが、ピリジン類でのみ良い選択性が得られました。基質以外のピリジン類の添加がポジティブに働くと想定し、わずかではありますがエナンチオ選択性の向上を確認した時は本研究の最初の壁を超えた瞬間でした。

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか?また、それをどのように乗り越えましたか?

不斉反応では当然のことではありますが、選択性を上げる点です。本研究では既存の戦略の多くが裏目に出ました。例えば、ビナフチル骨格への3,3’位への置換基の導入、接触イオン対の形成を狙った非極性溶媒の利用 2)、等々です。メカニズムの予想がつかない中で、まさに手探りで実験・考察・議論を繰り返し、選択性を高めた過程は難しかった点ではありますが、頭と身体をフルに働かせる実験科学の醍醐味であった気がします。基質に細工を加えることで目標の選択性に到達し、また後輩の栗原くんの成果にも助けられて、今回の報告に至りました (図3)。3)  しかし、難関の立体反応経路に対する検証が残っており、未だに全てを乗り越えられていないという印象です。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか?

化学をベースに新たな価値を見出し、社会に貢献することが目標です。今回の成果は、先生方をはじめとした研究室のメンバーとの議論のおかげで達成できました。今までの研究生活で、議論は良い成果につながるだけでなく、多くの学びを与えてくれると強く感じています。将来は、同じ目的を持つ人たちと熱く議論をすることで、化学だけに留まらずさらに幅広い分野を学び続けて、目標に向かって邁進できたら幸せだろうと思います。

Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

今回の紹介の機会を頂きありがとうございました。ケムステの読者の一人である私にとって大変光栄に思います。

元々、化学や実験がそれほど好きでなかった私が、研究の楽しさに目覚めたのは「とりあえず、やってみる」ができる様になってからです。初めのうちはできることが少ないのですが、可能な限りで「とりあえず、やってみる」を繰り返すうちに知識と技術が身につき、できることが増えて研究がどんどん楽しくなっていきました。研究に上手く乗れていない学生の参考になると幸いです。

最後に、松永茂樹先生、吉野達彦先生をはじめ研究室の皆様、共同研究先の石原一彰先生、波多野学先生、並びに石原研関係者の皆様に深く御礼申し上げます。

研究者の略歴

名前:佐竹 瞬(さたけ しゅん)

所属:北海道大学大学院 生命科学院 薬品製造化学研究室 博士後期課程2年(日本学術振興会特別研究員 DC2)

研究テーマ:Cp*Rh(III)-キラルジスルホナートハイブリット触媒による不斉C–H官能基化反応の開発

 

参考文献

1) Newton, C. G.; Kossler, D.; Cramer, N. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3955. DOI: 10.1021/jacs.5b12964

2) Hamilton, G. L.; Kang, E. J.; Mba, M.; Toste, F. D. Science 2007, 317, 496. DOI: 10.1126/science.1145229

3) Kurihara, T.; Satake, S.; Hatano, M.; Ishihara K.; Yoshino T.; Matsunaga, S.
Chem. Asian. J. 2018Early ViewDOI: 10.1002/asia.201800341

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