トンネル効果が支配する有機化学反応

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化学者のつぶやき

トンネル効果が支配する有機化学反応

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ケムステ海外研究記の第35回目は、Justus Liebig University Giessen（ギーセン大学）に留学されている齋藤文登さんにお願いしました。

齋藤さんは慶応大学の垣内研究室で学部教育を受けたのちに、スイスのETH Zurichの修士課程に進学、その後同大学のBode研究室で博士課程を修了されています。博士課程での研究はSnAP試薬を用いたsp3リッチなヘテロ化合物群の合成や^[A]、特殊ペプチドの合成^[B]など多岐にわたっておりBode研究室でもトップクラスの業績を上げておられます。現在は研究内容もガラッと変わり、ヒドロキシカルベンのユニークな反応の研究に従事されています。お忙しい中の依頼にもかかわらず、丁寧にインタビューにご回答頂き、スタッフ一同感謝申し上げます。それでは今回もお楽しみ下さい！

Q1. 現在、どんな研究をしていますか?

新規ヒドロキシカルベンの生成とそのトンネル効果による反応性について研究しています。

トンネル効果

トンネル効果は電子，原子や分子にみられる粒子と波動の二面性のうち波としての性質に関係しています。有限の壁(エネルギー障壁)に囲まれた青い粒子(図1)の波動関数(赤)は壁内部に染み出しています。波動関数は波ですから壁の中を伝播し，壁の外へと到達します。この際，波の振幅は壁の内部で指数関数的に減衰するので，壁の外では波は小さくなります。波動関数の振幅は確率密度(粒子がそこで見つかる確率)に関係するので，波が大きいところほど青い粒子が存在する確率が大きく，逆に波が小さいところ(壁の外)に青い粒子が存在する確率は低いということになります。ここでポイントになるのは，確率は「低い」が「ゼロ」ではないということです。つまり，青い粒子は自身を囲むエネルギー障壁を越えるのに十分なエネルギーを持っていなくとも，ある確率で壁の外に見つかるということになります。このとき粒子がまるで壁の中を通り抜けたかのように見えるので，この現象をトンネル効果と呼びます。

図１トンネル効果

このように書くと，いつでもトンネル効果が観測されるように聞こえるかもしれませんが，そうではありません。例えば，トンネル効果が観測されるかどうかの重要な因子の一つとしてエネルギー障壁の幅があります。上で述べた通り，波の振幅は壁の内部で指数関数的に減衰するので，壁の幅が狭ければ狭いほど大きい波が壁の外に伝わり，トンネル効果が観測されやすくなります。逆にエネルギー障壁の幅が広いと極々小さい波しか壁の外に伝わりません。結果，粒子が壁の外で見つかる確率はゼロではないがほぼゼロとなり，トンネル効果を観測するのに何千年何万年(もしくはそれ以上)かかる，すなわち事実上観測できないということになります。

ヒドロキシカルベン

最も単純なヒドロキシカルベンであるヒドロキシメチレン(1)の生成・マトリックス単離は2008年に報告されました(図2)^[1]。マトリックス単離法では，カルベンやラジカルといった非常に反応性の高い化学種を反応性の極めて低いアルゴンや窒素ガスなどで希釈し，それをヨウ化セシウムなどの基板上に極低温(約10K)で吸着させ分光学的手法により観測します。計算によればカルベン1からアルデヒド2への変換には約30 kcal mol^–1必要であることがわかり，11Kのような低温ではこの反応は起こらないはずです。しかし，実験を行ってみると生成したカルベン1から時間の経過とともにアルデヒド2が生成されていくことがわかりました。トンネル効果の登場です。カルベン1は山(活性化エネルギー)を越えるのに十分なエネルギーを持っておらずとも，山をすり抜ける(ように見える)反応によりアルデヒド2へと変換されたのです。

図２. ヒドロキシメチレン(1)の生成とマトリックス単離，トンネル効果によるホルムアルデヒド(2)の生成。

これをさらに応用させた例が2011年に報告されたメチルヒドロキシカルベン(3)に関する研究です^[2]。有機化学反応の選択性は速度論的支配によるものがほとんどであり，図3のようなエネルギー断面図から考えると，マトリックス単離されたカルベン3からはビニルアルコール4が生成すると予想するのが一般的でしょう。実際には，カルベン3からは4ではなくアルデヒド5が生成しました。またしてもトンネル効果の登場であり，この選択性はまさに”トンネル効果支配”^[3]と呼べるものです。

図3. メチルヒドロキシカルベン(3)からの“トンネル効果支配”によるアセトアルデヒド(5)の生成。

上の例では熱力学的支配と同じ生成物ができていますが，次のような場合はどうでしょう。ある出発物から3通りの生成物ができうるとします。すなわち，一つは速度論的支配による生成物，一つは熱力学的支配による生成物，そしてもう一つはそのどちらでもないトンネル効果支配による生成物です。もしこれらの反応を制御することができれば，これまでの選択性の概念(速度論的・熱力学的)では作ることのできなかった分子を作ることができるかもしれません。大きな可能性を感じませんか?

具体的なことは未発表なので書けませんが，今のところ目的としていた新規ヒドロキシカルベンはできていそうなので今後の展開に期待しています。また，パーヒドロアズレンに関する研究も平行して行っており，こちらはすでに論文として発表されています^[4,5]。

Q2. なぜ日本ではなく、海外で研究を行う選択をしたのですか?

私が海外留学をするに至った最初のきっかけは一ヶ月にわたるスイスでのホームステイでした。それは，当時大学一年生の私自身そこまで乗り気ではなく両親に半ば勝手に決められたものでした。おそらくかなり嫌だったのでしょう，飛行機のモニターに映る現在地マークがスイスに近づいていくのを見ていてつらかったのを覚えています。着いてからも，ドイツ語はおろか英語も話したことがない，相槌の打ち方さえわからない，Verstehen Sie?と言われても「verstehen」が「理解する」という意味を理解していないのでどうしようもない。それでも，語学学校に通い，そして何より親切なホストファミリーとの交流を通じ，それまでの自分が知らなかったまさに違う世界を見ることができました。スイス最後の日にはむしろ日本に帰るのが嫌になるぐらいでした。自分の人生の転換点があるとすれば間違いなくこの時です。自分の人生を変えてくれたホストファミリーには今でも感謝しかありません。

この経験から海外に対するハードルが全くなくなり，ドイツへの短期留学(大学二年)やスイスへの一年間の交換留学(大学三年)をするに至りました。この時にはもう日本は選択肢のうちの一つでしかないとわかりました。いつからか「大学院からは海外に行く」という漠然とした思いを持ちはじめ，上に書いたスイスでの経験と研究レベルの高さからETH Zurichを選びました。そこには人と違うことをしたいという自分の原点のような考えもあるのだと思います。大多数が海外へ行き，少数が国内に残るというのが一般的な世の中であれば，国内に残る選択をしていたかもしれません。ただ現実はその逆ですので，何の迷いもなく留学を決めました。

Q3. 研究留学経験を通じて、良かったこと・悪かったことをそれぞれ教えてください。

良かったこと

・先生(ボス)に恵まれたこと。Bode研究室(修士・博士課程)とSchreiner研究室(ポスドク)を選んだことに一切の後悔がありません。研究者として(今より)未熟だった時に長い時間を過ごしたBode研究室では特に多くのことを学び，おそらく最初と最後でほとんど違う人間になったのではないかというぐらい成長したように思います。

Prof. Jeffrey Bode (left) and Prof. Peter Schreiner (right)

・博士課程在学中に大学から給料がもらえること。特に，スイスの大学では一人暮らしをするには十分すぎる額をもらえます。経済的余裕は精神的余裕につながるので，より一層学業・研究業に励むことができたと思います。

・有給休暇制度を利用して休めること。例えば，プロジェクトがひと段落した時や長めの週末を楽しみたい時など，いつでも申請をして休むことができます。この制度の重要な点は「休める」はもちろんのこと「いつでも」ということです。実際に休暇を取るかどうかに関わらず，この「いつでも」があるおかげで，日々の研究生活が精神的にかなり楽になります。しんどい時に自由に休めるか休めないかは大きな差です。

・TAの経験ができたこと。一人の外国人が大勢の現地の学生の前に立って化学を教えるという経験(最初はかなりのストレス)は外国でなければできないでしょう。

悪かったこと

・日本語の表現力が低下すること。その反面，英語(とドイツ語)の表現力は間違いなく向上するので必ずしも悪いことばかりではありません。

Q4. 現地の人々や、所属研究室の雰囲気はどうですか?

雰囲気をどう感じるかは人によるので，あくまで私の場合ということで。Bode研究室は国際色が本当に豊かで，外国人にとっても居心地の良い研究室です。意識の高い人が多いせいか，プレッシャーというか緊張感が(少し)ラボにあったように思います。私自身も尖っていたので，そう感じていた(周りに感じさせていた)のかもしれません。それに比べるとSchreiner研究室は(だらけているということではなく)良い意味でリラックスしていると思います。より自由を与えてもらっており，また自分が丸くなったこともあり楽しく研究できています。とはいうものの，結局のところ研究室の雰囲気はその時々の構成員(自分と合うかどうかなど)によって大きく左右されますので，留学を考えている人の参考にはあまりなりません。

(左)Bode研究室と(右)Schreiner研究室。こう並べてみると雰囲気が同じでないことはわかりますね(笑)。

Q5. 渡航前に念入りに準備したこと、現地で困ったことを教えてください。

渡航前に念入りに準備した(せざるをえなかった)ことは英語の勉強です。ETHの修士課程に入るためにはTOEFL iBTで100点(満点は120点)を取らないといけないのですが，これが非常に大変でした。何回か試験を受け，リスニングでリスニングをしなくても答えがわかる問題(環境問題がテーマだったと思います)が出題された回に幸いにも101点をとることができ，なんとか条件をクリアできました。

現地で困ったことで一番記憶に残っているものでいえば，やはり住居関係でしょうか。私の場合は住居の引き渡しに苦労しました。私がチューリッヒで住んでいた物件の場合，契約を止めることができるのは年に2回の決まった日のみ，そして契約を止める旨をその日の3ヶ月前までに申し出なければならない決まりになっていました。その日までに申し出ないと契約が切れず，次の半年間も(住んでいるか否かに関わらず)家賃を払い続けないといけなくなります。結局，契約書の内容をきちんと頭に入れておらず，博士論文のディフェンスの日が決まったすぐ後にアパートのことを考えなかったため，まさにその状況に陥ってしまいました。幸いにも研究室の同僚の紹介で(私の契約期間中から)そこに住んでくれる人が見つかったため半年すべてを払うことは免れましたが。このことから，ドイツの住まいに移った際にはどのタイミングで契約を切ることができるのかをまず確認しました。

Q6. 海外経験を、将来どのように活かしていきたいですか?

自分の人生において具体的にどう活かしていきたいかはわかりません。なぜなら海外経験で得たことはすでに自分という人間の一部となり，それらは意識せずとも活かされていると思うからです。例を挙げるならば，中学や高校の部活動で多くのことを学んだと思いますが，それらを具体的に「こうやって活かそう!」と考えて生きていませんよね?でも，部活動の経験はもちろん無意味なんかではなく，自分の一部になって意識せずとも人生に活かされていますよね。それと同じことです。そういう意味ではこの海外研究記が一番わかりやすいかたちで海外経験が活かされているのかもしれません。この記事が一人でも多くの方にとって何らかの参考になれば非常に嬉しく思います。

Q7. 最後に、日本の読者の方々にメッセージをお願いします。

海外留学に関しては，明確な理由を持って決断するべき派と漠然としたとりあえずの理由で決断してもよい派に分かれると思うのですが，私はもちろん後者の支持者です。もしあなた(特に10代から20代前半の若い人!)が少しでも留学に興味があるのなら，留学することをお勧めします。私のように大した理由もない，いやむしろ行きたくないと思っていた人間が予想もしない様々な体験をして180度違う考えで帰ってくることもあるのです。

もちろん大変なこともあります。私の例を一つ挙げましょう。交換留学の時は周りの人と実験技術に差がありすぎて予定された学生実験をこなせず，つらくて荷物も残したままラボを飛び出したことがありました。キャンパスの片隅でなぜここ(スイス)に来たのだろうと物思いに耽っていると，TAの人から話をしようと連絡がきました。翌日TAのラボを訪ね，そこで悩みを打ち明け，周りの人の理解と協力を得て，なんとか全ての実験を終えることができました。(こう書いてみると，よく修士でスイスに戻ろうと思ったなと今さらながら思いますが，海外にはそれだけ何か私を惹きつけるものがあったのでしょう。ただこのような苦労があったおかげで，修士以降の留学はむしろラクにさえ感じました。)

私の場合は海外を知って間違いなく人生が好転しました。誰の言葉かはわかりませんが，「良い道を選ぼうとするのではなく，選んだ道を良いものにする」はまさにその通りだと思います。理由なんて後で考えてそれらしく話せば良いものであって，少しでも興味があるのならばあれこれ考えるより行動した方が良いと私は考えます。進路に関して正解はありませんので，(他人ではなく)自分が納得していることが大切です。

最後になりますが，ケムステ記事の愛読者として，何かお返しできるものがあるとすれば記事を書くことだと思っていました。その折，このような記事を書く機会を与えてくださったケムステスタッフ皆様にお礼申し上げます。

略歴

名前: 齋藤文登

略歴: 2008–2012年　慶應義塾大学理工学部化学科 (垣内史敏研究室)
2012–2018年　ETH Zurich 修士・博士課程 (Jeffrey W. Bode研究室)
2018–現在　　 Justus Liebig University Giessen, Alexander von Humboldt postdoctoral fellow (Peter R. Schreiner研究室)
所属: Justus Liebig University Giessen, Peter R. Schreiner 研究室
研究テーマ: 新規ヒドロキシカルベンの生成とそのトンネル効果による反応性
海外留学歴: 8年
ORCID: 0000-0002-3371-1031
Google Scholar: Fumito Saito

参考文献

[A] Saito. F.; Trapp. N.; Bode, J. W. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 5544-5554. DOI: 10.1021/jacs.9b01537.
[B] Saito, F.; Bode, J. W. Chem. Sci. 2017, 8, 2878–2884. DOI: 10.1039/C7SC00021A.
[1] Schreiner, P. R.; Reisenauer, H. P.; Pickard IV, F. C.; Simmonett, A. C.; Allen, W. D.; Mátyus, E.; Császár, A. G. Nature 2008, 453, 906–909. DOI: 10.1038/nature07010.
[2] Schreiner, P.R.; Reisenauer, H. P.; Ley, D.; Gerbig, D.; Wu, C.-H.; Allen, W. D. Science 2011, 332, 1300–1303. DOI: 10.1126/science.1203761.
[3] Schreiner, P. R. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 15276–15283. DOI: 10.1021/jacs.7b06035.
[4] Saito, F.: Becker, J.; Schreiner, P. R. J. Org. Chem. 2020, 85, 4441-4447. DOI: 10.1021/acs.joc.0c00167.
[5] Saito, F.: Gerbig, D.; Becker, J.; Schreiner, P. R. Org. Lett. 2020 DOI: 10.1021/acs.orglett.0c01184.