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2021年ノーベル化学賞は「不斉有機触媒の開発」に!

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2021年のノーベル化学賞は「不斉有機触媒の開発」の業績に対し、ベンジャミン・リスト(マックスプランク石炭研究所/北大ICReDD)およびデヴィッド・マクミラン(プリンストン大学)の両氏に授与されました。

今年は分野の受賞周期から予想された通り、ガチの有機合成化学分野から受賞です!ケムステでも今年は有機化学の年と踏んでいたのですが、可能性が多すぎて、以下のように予想していました。

受賞者の特定は難しいですね。C-H活性化有機触媒クリックケミストリー、全合成もはいってくるかもしれません。不斉炭素ー炭素結合形成も可能性がないわけではないです。いずれにしても日本人が絡んでくる可能性は高いと思います。(引用:SNS予想で盛り上がれ!2021年ノーベル化学賞は誰の手に?)

残念ながら日本人は絡んできませんでしたが、日本でも多くの研究者が発展に貢献している研究分野です。

かくいう代表・副代表とも学生時代に取り組んだ専門研究は不斉触媒だったため、お二人の業績は深く把握しており、納得の受賞です。ケムステ読者の方々にも有機化学勢は沢山いらっしゃると思いますので、ご一緒に喜びを分かち合えますと幸いです。

今回は速報記事として、研究内容と受賞者二人の業績について簡単に解説致します。

なお、SNS予想結果に関しては、本記事が長いのと、捜索が難航していますので明日の朝に記事にて発表します!

[追記 10月7日9時] 当選者発表しました!詳しくはこちらの記事にて→ 2021年ノーベル化学賞ケムステ予想当選者発表!

環境に優しい有機合成への期待感

ご存じの通り「有機分子」は、材料、医薬、食品、エネルギーなど、我々の生活を便利かつ豊かにすることに貢献している存在です。

複雑な機能を持たせようとすると、構造が複雑な分子を用意しなくてはなりません。簡単な出発原料からスタートして望みの分子をどう作るか?を考えて行く学問が有機合成化学です。

しかし近年では環境への配慮などが求められる空気感にもなっており、「作れればOK」では済まされなくなってきています。特に毒性のあるゴミを出さず、環境へのダメージが少ない方法をつかってものづくりをしなくてはならない、とする考え方が広まるようになってきました。

化学反応を仲立ちして加速させる「触媒」についても例外ではありません。2000年以前には、金属触媒と生体触媒(酵素)の2タイプが合成化学で主に使われてきました。

そこに第3の触媒群としての「有機触媒(organocatalyst)」を提唱し、その実用性を示した化学者こそが今回の受賞者二人になります。酸素や水に敏感で有害かつ高価になりがちな金属元素を必要とせず、また酵素ほど複雑でもなく、人工チューニングがしやすい有機触媒には様々な可能性が見いだされ、爆発的に広まったのです。

アミノ酸一つが不斉触媒に!?プロリン触媒を開発したBenjamin List

立役者の一人・Benjamin Listは、スクリプス研究所のLerner研にて、抗体触媒の開発に従事していました。そこで活性中心のアミノ酸側鎖がアルドール反応の触媒機能に重要であることを見いだします。

ならばアミノ酸そのものが不斉触媒となっても良いのでは・・・という発想から検討を行うと、なんとたった1つの天然型アミノ酸・プロリンが不斉アルドール反応の触媒になることを発見(List-Barbas不斉アルドール反応)し、2000年に報告しました[1]。詳しい話はこちらの過去記事(もっとも単純な触媒「プロリン」)をご参照ください。あまりに単純すぎるため、逆に誰も考えつかなかった系の話です。同じ不斉触媒屋からしても、これを探し当ててこれる目線には、敬服するほかありません。

たった一つのアミノ酸・プロリン。今回の主役(出典:nobelprize.org)

 

プロリン触媒を使った不斉反応。List-Barbasアルドール反応と呼ばれる (出典:nobelprize.org)

より遡れば実は原型となる反応(Hajos-Parish反応)も1970年代に報告されてはいたのですが、フォロワーがつかず、長年にわたって日の目を見ませんでした。一方で2000年の報告がこれほどまでに注目を集めた背景には、不斉触媒という考え方が既に広く行き渡っていたことに加え、金属触媒全盛期ならではの課題感も徐々に認識されはじめていた事実もあります。勿論なんといっても、抗体触媒や酵素といった大サイズ分子集合体の触媒反応が多く報告されていたなかで、それらを構成するたった一つのアミノ酸(プロリン)が、単純な有機反応において一方の鏡像異性体だけをほぼ完全につくりわけたという事実が大変衝撃的であったのはいうまでもありません。時流の先を掴む研究コンセプトを、世界に先駆けて出すことの重要性を教えてくれます。

Hajos-Parrish反応 (出典:nobelprize.org)

 

革新的触媒開発を通じて「有機触媒」概念を提唱したDavid W. C. MacMillan

これとは全く独立かつ独自に不斉有機触媒系を開発したのが、もう一人の受賞者であるDavid W. C. MacMillan教授です。

MacMillan教授はアミノ酸(フェニルアラニン)そのものでは無く、それを加工して得られるキラル2級アミンを触媒として用いることで、不斉Diels-Alder反応が高い不斉収率で促進されることを2000年に報告しています[2]。「有機触媒(organocatalysis)」という学術用語は、このエポックメイキングな論文上で初めて使用されています。これまでの触媒系とはまったく駆動原理が異なることも特徴で、アルデヒドと共有結合を組むことで原料の求電子性を高めるという、LUMO-activationという考え方が提唱されています。

MacMillan触媒  (出典:nobelprize.org)

MacMillan触媒が促進する不斉Diels-Alder反応 (出典:nobelprize.org)

 

その後は独自の考え方をさらに発展させて、有機触媒に1電子レドックス過程を組み込み不可能性の高い反応を進行させていくSOMO-activation概念、光エネルギーで1電子移動を駆動して温和な反応促進に導く可視光レドックス触媒系などを世界に先駆けて報告しています。より最近では、可視光触媒が実現する温和な反応性を活かしたタンパク質修飾反応化学へも歩を進めています。

このように、現代有機合成化学界におけるありとあらゆる大流行領域を、自ら立ち上げ先導していく、まさに時代の寵児たる存在といえます。

おわりに

金属触媒が研究の中心だった当時の時代背景にあって、毒性が強く高環境負荷の元素をなるべく使わず化学合成を行うことは、重要な課題とされていました。

有機触媒は調製や実施も簡単だったため、合成化学の知識に乏しい幅広い分野からの研究者が多く参入してきました。結果として合成化学の技術レベルが一挙に引き上げられるとともに、ありとあらゆる応用も模索されました。ゴミを出さずに選択的かつクリーンな化学合成を行うことの大事さを伝え、研究者の意識レベルを引き上げ、グリーンケミストリー、より現代的には持続可能な開発目標(SDGs)の基盤づくりと発展に対して確たる貢献を果たした成果であることも疑いありません。

不斉有機触媒分野には無数のプレイヤーがおり、日本人研究者の貢献も大きなものがあります。たとえばListらと鍵論文の共著者となりつつ、自らもプロリン触媒系の研究を進めていたCarlos Barbas教授、プロリン触媒から技術をすすすめ最終形触媒にたどり着いた林雄二郎教授・Karl Anker Jorgensen教授、革新的なキラルブレンステッド酸触媒を同時に開発した秋山隆彦教授・寺田眞浩教授など、沢山のキープレイヤーも産み出しました。惜しくも今回選から漏れてしまった研究者の方々の貢献も、後ほどご紹介させていただければと思います。

この革新的コンセプトを最初に提唱し、先導的な研究で自ら広めて行った二人のトップ研究者には心から敬意と賛辞を表します。

最後に筆者(副代表)個人の意見ですが、この成果はやはりアメリカという土壌でこそ見つけうるものだったのだろうと思えています。

既にある簡単なものを複雑にしたり性能を良くすることは、日本人が他国を圧倒する得意分野です。一方で「一の根源」となるような、あまりに単純すぎるものを見つけて育てることは、仕組み的にもおそらくかなり不得意です。精緻な違いの分かる国民性とムラ意識も手伝って、比較不可能なものは無意識に排除する傾向もあります。さらに誰もが納得するような、時代を先取る概念・用語を作り上げ、国籍・人種を問わず周りを巻き込み一丸となって自ら広めて行くような先導的研究展開も、多くのケースで不得意です。

時代が求める「一の根源」を表す概念を産み出し、有用性と実用性を自ら広め、一大研究分野を作り上げる展開からノーベル賞にまで至った今回の受賞――化学研究に一段のレベルアップを期待するのであれば、我が国の研究者もここから多くのことを学ぶべきタイミングにあるように思います。

余談

ちなみに余談となりますが、筆者(代表)は大学院生のときに、林雄二郎先生(当時東京理科大学・現在東北大学教授)全合成研究の合間にプロリンを用いた不斉有機触媒反応を開発していました。そういうつながりもあり、List教授が当時(2005年3月)大学で講演してくれました。(林研究室の)異常なほど狭く、機器(エバポ)が敷き詰められている様をみて、彼が興奮し、しきりに写真をとりまくっていたのを覚えています。その後、2012年に代表は名古屋大学の准教授となり、サバティカルにてヨーロッパに2ヶ月ほど滞在しました。その際、List教授のいるマックスプランク石炭研究所も訪問させてもらい、講演しました。ちなみにその写真をとってくれたのは当時List研のグループリーダーであったNuno Maulideです(苦笑)。その際のディスカッションで、「活性化エネルギーが高い反応を進行させるような有機触媒はないのか?」という生意気なことを質問してしまい、会うたびに、「やまぐちさーん、結構いいのできたと思うんだけど、お気に召さないかな?」と冗談でいわれます。めちゃくちゃいいひとです(笑)。

関連動画

関連文献

  1. (a) List, B.; Lerner, R. A.; Barbas III, C F. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 2395. DOI: 10.1021/ja994280y (b) Notz, W.; List, B. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 7386. DOI: 10.1021/ja001460v
  2. Ahrendt, K. A.; Borths, C. J.; MacMillan, D. W. C. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4243. DOI: 10.1021/ja000092s

関連書籍

ケムステ内関連リンク

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Chem-Station代表。早稲田大学理工学術院教授。専門は有機化学。主に有機合成化学。分子レベルでモノを自由自在につくる、最小の構造物設計の匠となるため分子設計化学を確立したいと考えている。趣味は旅行(日本は全県制覇、海外はまだ20カ国ほど)、ドライブ、そしてすべての化学情報をインターネットで発信できるポータルサイトを作ること。

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博士(薬学)。Chem-Station副代表。国立大学教員→国研研究員にクラスチェンジ。専門は有機合成化学、触媒化学、医薬化学、ペプチド/タンパク質化学。
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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