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化学者のつぶやき

二核錯体による窒素固定~世界初の触媒作用実現~

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Tshozoです。先月このような論文がNature本誌に発表されました。窒素固定と言えばやはり筆者ですので詳細ご紹介いたします。

“Nitrogen reduction by the Fe sites of synthetic [Mo3S4Fe] cubes”, 86, Vol 607,  7 July 2022, Nature   論文リンク

Yasuhiro Ohki, Kenichiro Munakata, Yuto Matsuoka, Ryota Hara, Mami Kachi, Keisuke Uchida, Mizuki Tada, Roger E. Cramer, W. M. C. Sameera, Tsutomu Takayama, Yoichi Sakai, Shogo Kuriyama, Yoshiaki Nishibayashi & Kazuki Tanifuji

  ※京都大学からのプレスリリースはこちら→リンク 
         Natureの特集でも紹介されています→リンク 

今回の主要著者は京都大学化学研究所の大木靖弘教授(研究室→リンク)、谷藤助教授、そして東京大学応用化学専攻の西林教授、栗山助教授ら。有機金属化学による窒素固定分野は日本が世界を牽引している分野なのですが、今回はこれまで色々記事を書いてきた内容とは少し意義が異なるものになります。そのあたりがわかるよう留意しますのでお付き合いを。

はじめに

動植物が生きていくには窒素化合物は不可欠。偉大なリービッヒが17世紀に窒素・リン・カリウムが人体に必須であると見抜いて以来、人類は農業や化学を通じこれらをどううまく摂取するかに総力を挙げてきたと言っても過言ではありません。しかしこのうち窒素は非常に反応性に乏しく、雷とか火山とかによる超高熱や極端な紫外線などに晒されたりしないと他の物質と反応しない。カリウムとリンはまぁ掘ったりすれば出てくる(近年リンは枯渇の問題あり)ものですが、窒素はそこら中にあるのに摂取できないという悩ましい元素。まさか御筆先だの神頼みだので雷が落ちるのを待つわけにはいかんですし、人間がいくら空気を吸い込んでもアンモニアのアの字も出てこない。しかし動植物の生体には必須なのでこいつをどうやって供給するかの歴史は生物の発展の歴史とも大きく関係するということになります。

ですがうまくしたもので、現代の自然界には大気中の窒素を常温常圧のマイルドな条件で反応させられる生体酵素「ニトロゲナーゼ」が存在する(下図窒素循環の矢印部)。特に土中で嫌気性の状態で活動する一部の細菌の中にこの酵素が存在するため、一部の肥沃な土壌では大量に窒素系化学肥料を供給しなくても農作物の良好な収穫が出来るといったふうになっています(もちろんマスバランスを考える必要あり)。(注:本記事ではハーバー・ボッシュ法については触れません ご注意ください 関連記事リンク

ではこの酵素、ニトロゲナーゼとは何なのか。基本的には特定の菌類の細胞内にある、常温常圧雰囲気で空気中の窒素を利用し窒素固定反応を行うことのできる有機金属化合物と蛋白質との複雑な化合物です。その反応中心の構造は色々タイプがあるようなのですが、代表的なものとしては鉄系の多核錯体、モリブデン系の多核錯体の2種類が主要なものを占めると言われています(文献1)。

2002年に示された代表的な窒素固定酵素 ニトロゲナーゼ(左)のFeMo活性部位分子構造(右・あくまで推定構造)(文献1)
(文献1)ではMoが活性中心という推論を出していた (電子供給部である鉄タンパク部の構造は省略)

そもそも何故こんな複雑な分子構造のものを作ってまで細菌類が窒素固定を行っているのか、例えば植物に窒素化合物という貢物をしないと生きていけない細菌類がこのように進化してしまったのかのかどっちなんだい、という大きな疑問もあるのですが、学術的にはこんな複雑な分子構造を調べるだけで大仕事。実際、この構造がほぼ確定したのは結構最近(2002年)で、その結果はScienceに掲載されていることから学術的に如何に重要であったかは伺い知れるでしょう。

ニトロゲナーゼ内の各錯体による推定還元機構の一例
(文献1)が出る前にC&ENで組まれた特集”BREAKING UP IS HARD TO DO” より引用
Cummins教授がMoを用いた画期的な窒素分子開裂を提案した際のもの(1997年)
この時点で反応中心はだいたいこうじゃないか、と見極めができていたらしい

こうした自然界の仕組みを取り入れ新たな化学反応を生み出したり反応機構をマイルドしていきたい、という機運は当然近代以降常に存在しました。とはいえこうした生体内反応の解明は非常に難しい。というかこのニトロゲナーゼ単離とかの努力がいかに大変なものであったかは想像に難くない(FeMo多核錯体を持つタンパク質で分子量23万以上、鉄タンパク質部が分子量6万以上…(文献2))。しかも生化学的な真理の解明には上記のタンパク質で阻まれるように存在する活性金属中心での反応を、土の中の状態を再現しつつ解析するとかいう話になるわけで、正直余りにも巨大な課題であり着手したくない。というか分子量23万とか普通の高分子でも分析に一苦労するってのにその中での小さな現象なんか捉えられるわけがない(偏見)。

ではその一方で化学者はどうやってこの機運を生かし反応機構を明らかにし関連技術を発展させるか、という大きな流れにおいて、今回の論文はマイルストーンの一つになり得る成果である、というのが今回の記事で紹介する内容です。

関連研究の経緯 ショート版

まずこの窒素固定に関する研究の主課題が何か、という問いが必要になりますがこれについては故 溝口裕司東大教授の資料(文献2)が今なお素晴らしいので簡単のためこれに沿って前段の説明を行います

それによると、自然界中での化合物による反応が存在した場合、その課題設定のため科学者のとるやり方は2つ。一つは化合物内で何が起きているかを突き止め、更に同じ構造のものを作って反応を再現し分析する忠実なやり方。もう一つはこれまでの現象から「おそらくこうだ」と反応を推定し、モデル化合物を作って再現するやや先行したやり方。ただ前者の方は上述したように、また溝部教授も述べられておりますように大体の場合極めて難しい、というか不可能に近い。となると研究開発の軸足は後者に置かざるを得ない。

で、後者の方では単核錯体についてはChatt教授のサイクル提案や山本明夫教授の世界初の窒素分子配位錯体を起点として今なお世界中で窒素固定の取組みは続けられていて、現在はアンモニアへの窒素固定モデル反応・モデル触媒において世界的にも圧倒的なペースで西林教授がけん引されていますが、この取組は単核錯体でのもの。その一方で2種類以上の元素からなる多核触媒における「高度な」触媒的窒素固定モデル反応(触媒が多数回まわって窒素固定反応を進めることのできるもの・これに対し回せない反応は量論反応と言います)は現在に至るまで顕著な成果が実現されていない難易度の極めて高い課題であったわけです。

とはいえ、たとえば①上記の酵素の反応中心と似た構造の分子は作れる、②量論反応に留まるけど窒素固定反応のようなものは進む、③一種類の元素からなる多核錯体なら反応は回り得る、という研究成果は存在しました。①の例では下図。

(文献2)から引用 実論文は(文献3)

分子構造が確定した2002年よりずっと前に既にこういうものが合成出来ている点、更に(文献2)内では「こういうものが、ガサっと入れれば作れる」と書かれていますがこの構造が自然に出来上がるという点もどちらも驚きで、自然界の生物はこれらをうまく応用している可能性があります。しかし、残念ながらここまで似ていても上記の系統の多核錯体は窒素固定まで至らなかった(雑に反応させた例はあるが省略)。そこで溝部教授は更にこれを小型化したようなキュバン型とも言える構造のモリブデンーイリジウム型の多核触媒を提案し、ヒドラジンを経由した反応を複数種類実現させます。

(文献2)から引用 実論文は(文献4)

(文献2)から引用 実論文は(文献4)

ただお気づきの通りこれは部分的反応で、また鉄を含んでいないことも考えると上記②に留まる(③は後述)。そもそも一番大事なポイントである空気中/反応雰囲気中の窒素由来での窒素分子を多核錯体での金属原子上に配位出来ておらず、それを単離することも困難という壁が立ちはだかっていました。単金属原子から成る有機金属錯体上ならば多くの実例があるにも関わらず、です。これに加え触媒的反応を実際に示すという更なる高い壁、この2つを突破しなければならない、ということが多核錯体を用いた窒素固定研究分野の大きな課題でした。

そこで道を拓いたのが今回の論文とそれに至る一連の研究になります。ここまでが前段です

なお上記で多核錯体で触媒的窒素固定反応がなかなか出来ていなかった、と書きましたが嘘です。いや、本当です。より正確に書くと、触媒的窒素固定の大事なステップとして(1)雰囲気中窒素を起源とした窒素分子錯体の成立  (2)窒素三重結合の開裂   (3)開裂後の(還元)反応  (4)(3)を触媒的に進行、の4点があるのですが、今回のこのうち部分的には成功しているものが結構あるのです。例えば去年出たこの↓論文(文献6)。

(文献5)より引用 モリブデンと鉄と硫黄のモデル構造を組み合わせて
鉄原子上に窒素を配位させることを目論んだスキーム
同じく(文献5)より引用 ただ、カチオンになってるところの電子を奪うのに
カルベンを使って、還元剤に金属Liを使うという、エネルギー効率的には相当無茶をしたもの

これは一応(1)(2)までは至ったことが示された形になりますが、結局(3)(4)には至っていない。ただニトロゲナーゼ中の錯体に似た硫黄を用いた多核錯体でまがりなりにも開裂まで進めたのでNature Chemistryに掲載された、という点でかなりインパクトがあったことは推定できましょう。このほか、この↓論文(文献6)や、

(文献6)より筆者が編集して引用 窒素活性部位にFeではなくチタンを使っている
今回の筆頭著者 大木先生によるもの

またこちらの↓論文(文献7)のように、

Abstract Image

(文献7)タイトルイラストを引用 実際にはこれにクラウンエーテルを加えている

このように金属中心が2個だけではありますが多核錯体を用いて開裂まではまぁ何とか進む、また低いTONであれば進む、といったものなど、ようやく少しずつ出てくるようになってきた、というのが(文献2)が出た2003年前後からの進捗であります。ただ多核錯体の上に分子状窒素が配位した錯体も単離出来ているのか、と思いきや(文献7)のPeters教授のもの以外意外とほとんど見つからない(注:筆者の調べが悪い可能性あり)。上記の先行例も2つの触媒間で窒素をブリッジする形に持っていくもので前述の山本触媒のような形で窒素分子が配位しているのが見つからない、というのは結構な驚きです。多核錯体であるがゆえに安定性が低いのでは、という推測はある程度できますが…

ともかくこうした流れを引き継いで今回の論文。内容上は(文献6)が下敷きになっており、この開裂後の反応をどうやって触媒的に回すかについて相当苦労されたと思われます。

本論文について前置きと詳細

今回論文の1st Autherでらっしゃる大木教授は長年窒素固定に関わる多核錯体を研究されてきており、特に大木先生は昔から20年近くこの課題に取り組んでおられます。実際、直近でも上記(文献6)で既に今回の構造に近い錯体を合成し、(文献8)で今回の主題となるFeMO多核錯体構造に近いFe単種多核金属錯体でトリメチルシリル化窒素固定反応を高いレベルで実現し、更に(文献9)でFeとMoを含んだ多核錯体で同じ反応を達成、というように大きな成果を上げるなどしてこられ、今回の研究もその延長線上にあります。加えて同じく論文のLast Authorの谷藤助教も生物化学分野で著名なカリフォルニア大学アーバイン校のRibbe教授の研究室に所属されていたことがあり、同研究室所属時にも成果を挙げてこられたことが確認できました(リンク)。

大木教授の直近での顕著な成果の例 (文献8)

そこで満を持した形で今回の論文。メインスキームは下図ですが、かさ高いシクロペンタジエンでMo部をガードしている構造であることを考えると上に挙げた(文献6)が下敷きになっていることが伺えます。Schrock教授による世界初のMo単核触媒窒素固定反応も「いかに配位子をかさ高くし錯体をガードして副反応を進ませないか」がポイントであったので、その戦略が下地になっているのでしょう。論文では、生体中ではおそらくタンパク質分子がシクロペンタジエンと同じ役割を果たして金属中心を守っているのでは、と指摘されていますがおそらくその通りなのではないでしょうか。実際、Mo金属をガードしておかないとFeではない部分に変な形で配位したりして狙い通りの反応が進まなかったのもあるのかもしれません。

本論文より引用
KC8・金属Naなどの強い還元剤を使用・併用しPrecatalystを作り出したうえで
そこから下図↓の反応式が進むかを検証した形 結論を言うと3が一番高活性だった

本論文より引用
3が一番高活性だったが、Precatalystの1bも
かなり活性が高いのが興味をそそる

なお筆者が本論文の詳細に記述するのも烏滸がましいので意義のみ述べさせていただきますと、「FeMo多核錯体中の鉄原子上に分子状窒素が配位した錯体を単離でき、しかもそれらのうちでかなり高い窒素固定モデル反応※触媒性能を示すグループを見出すことができた」(※モデル、と記載したのはトリメチルシリルアミン合成の反応であったため)、そして「これにより、生体内で起きているであろう反応にかなり近い現象が模倣できた」と言えるかと。また学術的意義としては分子上窒素ではないにしろ、それに準じた窒素分子が配位したものを確定した出来た点が大きい意味を持つと考えられます。今回の結果から推定するに、分子状窒素が配位した多核錯体は非常に不安定で、すぐに今回の分子のような構造に移行する状態であるのが生体内反応のポイントなのかもしれません。論文中でも述べられていますが、これらを実現したキーとしては前述の(文献6)でTiでの窒素開裂に成功していたのがあったため、これをより電子吸引性の高い鉄に入れ替えても十分反応が回り得ると判断したところにあるような気がします。

また性能的にもトリメチルシリルアミン合成触媒としてこれまでに単核錯体で開発された最高性能のもの(文献9)に近いレベルのTONに至っており、還元系を適正に構築出来れば更にTONが伸びる可能性があります。ここらへんは今後の性能向上をどう果たしていくか、ということに期待しましょう。

なお性能以外の特記事項としては、論文内でも触れられていますが良好に本反応を回すためには大過剰の還元剤(金属Na)とシリル化剤(トリメチルシリルクロライド)が必要になってくる、という点。生体内の環境ではこのセットが無い、少なくともストイキレベルでは存在しないであろうことは容易に推定できますが、今回はそれと真逆の環境に置くことが触媒性能を逆に発揮する、ということが科学的にも非常に興味深い点です(カチオンの種類が効く、ということも記載されていますので、最適化すれば大過剰に入れなくても進むかもしれませんが)。

終わりに・次なる課題は

やはりズバリアンモニア合成、ヒドラジン合成です。極めて僭越な言い方ながら申し上げると、今回合成できたのはトリメチルシリルアミンのみ(もちろんそれでもすごいのですが)。トリメチルシリル基でなければ窒素への付加的触媒反応が回らなかった触媒がある、というのは過去に経験した、と溝部先生のご講演などで聞いたことがあり、今回はおそらくまだ触媒安定性という面でしんどかったようです(論文中にも「錯体中のSがプロトン化されて触媒として回らなかった」と記載がありましたが、既にこの問題を解決されていましたらお詫びいたします…)。

またいつもの話ではありますが、(触媒合成ではなく)触媒反応に金属Na等の強い還元剤を使う点はエネルギー的に不利なため今後改良が必要な点であります。もっともここまで強い還元剤使っても多核錯体が簡単に分解しないのはちょっと驚きですが。じっさい金属錯体など一見不安定な構造に対して反応性の高いプロトンが介在するのは狙った以外の反応が起きやすく、多角錯体では単核錯体に比べ弱点がさらに増えるという懸念があり困難度合いは更に大きい、と予想されるわけでしょうから。

それを十分理解したうえで、今後多核錯体に関する窒素固定反応開発がどのような方向性を示すのでしょうか。

もちろん様々なことを先生方がお考えになっていると思われますが、筆者が個人的にかつ学術的に非常に興味があるのが「では生体内での窒素固定は、いったい何を還元剤または還元機構としているのか」という点。今回論文で用いられた金属Naやほかの論文で用いられているLi金属はもちろん、西林先生が示されているPCETを進めることの出来得るSmI2などであっても非常に強い電子供与性を持ち、ここまでの還元材料は生体内ではおよそ存在し得ない。というか嫌気性の環境であってもほかの材料と反応して分解してしまう。

では生体はほかの酵素とどのように連動して、マイルドな状態で窒素固定反応をかなり早い速度で進められているのか。プロトンはまぁ何とかなるかもしれないですが問題は還元性の高い状態の電子をどう提供するのか。ここに非常に興味があるわけです。もしかしたら生体内で電子回路のようなものを組んでいわば起電力を上げ、還元作用(電位)を増したうえで反応を進めているのかもしれない。ニトロゲナーゼが反応を進める時に水素がなぜ同時に発生しているのか、という点も昔から非常に気になっていたのですが、多核錯体での窒素固定反応の実現を目指すプロセスの中でこの点も含めた解明の方向性を示すことが出来るのかもしれない、そしてそれを実際の反応、つまりマイルドな還元剤をどう使えばいいかの指針に繋げられるのかもしれない、と夢想しております。

このように多核錯体と単核錯体とは窒素固定研究の進歩にとっていわば「両輪」であり、それぞれの理解が進んでより良い方向を示していける可能性が高まるのではないでしょうか。もちろん時代の流れやプレーヤーの数でその進行が少しずつ違ってくる可能性はあるでしょうが、いずれも大きな意味では「次世代窒素固定反応の工業化」という大きな目的に進んでいることは間違いありません。また、今後の研究の進展によっては単核錯体には出来なくて多核錯体には出来る反応が存在する可能性だってあるわけです。その意味で是非、今回の論文などを通じ本分野の研究が更に活発になり、炭素中心の社会であった20世紀を補完していく意味での「窒素をもっと活用できる社会」が実現することをひたすらに願うものであります。

それでは今回はこんなところで。

参考文献

1. “Mechanism of Mo-Dependent Nitrogenase”, Seefeldt, L. C.; Hoffman, B. M.; Dean, D. R. Annu. Rev. Biochem. 2009, 78, 701-7022. リンク

2. “金属酵素活性部位をモデルとした高活性金属クラスター触媒の創製”, 溝部裕司, 2004 年 56 巻 5 号 p. 383-395, 生産研究, 2004年, リンク

3. “Synthesis of a Molecular Mo2Fe6S9 Cluster with the Topology of the PN Cluster of Nitrogenase by Rearrangement of an Edge-Bridged Mo2Fe6S8 Double Cubane”, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 13, 3910–3920, リンク

4. “Synthesis of Bimetallic Cubane-Type Mo2M2S4 Clusters (M = Ir, Rh, Ru) and Reductive Cleavage of the N−N Bond of 1,1-Methylphenylhydrazine Affording N-Methylaniline Using Mo2Ir2S4 and Mo2Rh2S4 Clusters as Catalyst Precursors”, Organometallics 2003, 22, 17, 3424–3431, リンク

5. “Dinitrogen binding and activation at a molybdenum–iron–sulfur cluster”, Nature Chemistry volume 13, pages 666–670 (2021), リンク

6. “N2 activation on a molybdenum–titanium–sulfur cluster”, Nature Communications volume 9, Article number: 3200 (2018)、リンク

7. “Diiron Bridged-Thiolate Complexes That Bind N2 at the FeIIFeII, FeIIFeI, and FeIFeI Redox States”, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 23, 7310–7313, リンク

8. “[Fe4] and [Fe6] Hydride Clusters Supported by Phosphines: Synthesis, Characterization, and Application in N2 Reduction”, J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 15, 5596–5606, リンク

9. “Synthesis of Dinuclear Mo−Fe Hydride Complexes and Catalytic Silylation of N2”, Chemistry—A European Journal Volume26, Issue43 August 3, 2020 Pages 9537-9546, リンク

10. “Synthesis and Reactivity of Cobalt–Dinitrogen Complexes Bearing Anionic PCP-Type Pincer Ligands toward Catalytic Silylamine Formation from Dinitrogen”, Inorg. Chem. 2022, 61, 13, 5190–5195, リンク

Tshozo

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メーカ開発経験者(電気)。56歳。コンピュータを電算機と呼ぶ程度の老人。クラウジウスの論文から化学の世界に入る。ショーペンハウアーが嫌い。

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