[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

HTEで一挙に検討!ペプチドを基盤とした不斉触媒開発

[スポンサーリンク]

複数の基質を用いたハイスループット実験により、広範な基質適応範囲をもつ不斉アミノキシルラジカル触媒を開発した。最適化においてペプチド鎖の多様性を利用したことが鍵である。

ハイスループット実験による不斉触媒開発法

不斉触媒はここ半世紀で飛躍的な進歩を遂げ、生物活性物質やビルディングブロックの不斉合成を可能にした。不斉触媒反応の開発では、一つの基質をモデルに用いて触媒を最適化することが常法である。迅速な触媒探索ができるが、基質一般性の低下を招くことも少なくない。これに対し、Jacobsenらは、数例知られる不斉Pictet–Spengler反応を対象に、複数の基質を既存の複数の不斉触媒で網羅的に評価するハイスループット実験(HTE)系を確立した(図1A)[1]。しかし、このような評価系が、未開拓の不斉反応で高い基質一般性をもつ新規触媒の開発に適用できるかは不透明であった。

本論文著者らは、ペプチドを基盤とする不斉触媒がHTEによる一般性指向型触媒開発(最適化)法に適すると考えた。ペプチドの多様性・合成容易性がその理由である。対象とした反応はアミノキシルラジカル触媒によるアルコールの不斉酸化である。これまでにBobbittやToniolo、岩渕らによってジオールの不斉非対称化、2級アルコールの光学分割などに有効な不斉アミノキシルラジカル触媒が開発されたが、立体選択性と基質一般性に改善の余地が残されていた(図1B)[2]。今回、著者らはアミノキシルラジカル(Azc-OMe)にペプチド鎖を縮合させた触媒Pを設計し、meso-ジオールの酸化的不斉非対称化の開発に取り組んだ(図1C)。広範な基質セットを用いて触媒活性を評価する一般性指向型触媒開発法により、基質一般性の高いキラルペプチド触媒を見いだした。

図1. (A) HTEを用いた不斉触媒探索 (B) 不斉アミノキシル触媒の先行例 (C) 本研究

 

“Generality-oriented Optimization of Enantioselective Aminoxyl Radical Catalysis”

Rein, J.; Rozema, S. D.; Langner, O. C.; Zacate, S. B.; Hardy, M. A.; Siu, J. C.; Mercado, B. Q.; Sigman, M. S.; Miller, S. J.; Lin, S. Science 2023, 380, 706–712.

DOI: 10.1126/science.adf6177

論文著者の紹介

研究者:Matthew S. Sigman

研究者の経歴:

1996                               Ph.D., Washington University, USA (Prof. Bruce E. Eaton)

1996–1999                  Postdoc, Harvard University, USA (Prof. Eric N. Jacobsen)

1999–2004                  Assistant Professor, University of Utah, USA

2004–2008                  Associate Professor, University of Utah, USA

2008–2016                  Professor, University of Utah, USA

2016–                             Distinguished Professor, University of Utah, USA

研究内容:統計学的最適化手法、電解合成化学、不斉触媒反応の開発

研究者:Scott J. Miller

研究者の経歴:

1994                               Ph.D., Harvard University, USA (Prof. David A. Evans)

1994–1996                  Postdoc, California Institute of Technology, USA (Prof. Robert H. Grubbs)

1996–2001                  Assistant Professor, Boston University, USA

2001–2002                  Associate Professor, Boston University, USA

2002–2006                  Professor, Boston University, USA

2006–                             Professor, Yale University, USA

2008–                             Irénée du Pont Professor of Chemistry, Yale University, USA

研究内容:ペプチドを組み込んだ触媒分子の開発

研究者:Song Lin (林松)

研究者の経歴:

2013                               Ph.D., Harvard University, USA (Prof. Eric N. Jacobsen)

2013–2016                  Postdoc, University of California, Berkeley, USA (Prof. Christopher J. Chang)

2016–2021                  Assistant Professor, Cornell University, USA

2021–2022                  Associate Professor, Cornell University, USA

2023–                             Full Professor, Cornell University, USA

2023–                             Tisch University Professor, Cornell University, USA

研究内容:電解合成化学、不斉触媒反応の開発

論文の概要

まず、ジクロロメタン中、アミノキシルラジカル触媒P1と酸化剤にトリクロロイソシアヌル酸(TCCA)、炭酸水素ナトリウム存在下、meso-ジオールS1を–40 °Cで反応させたところ、ラクトンL1が75%eeで得られることを見いだした(図2A)。その後、コンピュータによる化合物のデータ解析等を用いて単環、多環、鎖状ジオールからなる基質Sを14種類選定し、S1を含めた基質セットを用意した。触媒P1を用いてこれらの基質を反応させ、エナンチオマー過剰率の中央値(eemed)を評価した結果、eemedは16%eeにとどまった。触媒P1のペプチド部位(各アミノ酸)を種々変化させた触媒ライブラリと15種の基質SをHTEし、キラルGCで触媒性能を評価した。このワークフローで得られた各基質群に対するeemedをもとに触媒を構造改変し、最終的に高い基質一般性をもつ不斉触媒P7を開発することに成功した(eemed = 93%ee)。本ワークフローの詳細は論文を参照していただきたい。

基質一般性の一部を示す(図2B)。単環、多環、鎖状の1,4-ジオールから、対応するγ-ラクトンL1, L4, L10が高エナンチオ選択的に得られた。また、上述のワークフローで選択した基質セットに含まれていないシクロブタン環をもつジオールも反応に適用でき、ラクトンL19を98%eeで与えた。1,3-ジオールでも反応が進行し、β-ヒドロキシアルデヒドH23が91%eeで得られた。

著者らは、KIE実験やモノオールを用いた競合実験などによりエナンチオ選択性の発現機構を調査した (図2C)。その結果、系中で生じたオキソアンモニウムイオンがジオールと共有結合および水素結合により錯体を形成すること、この錯形成は平衡であること、続くCope脱離が律速段階であることがわかった。以上のことから、この錯体の安定性がエナンチオ選択性発現の鍵であると示唆された(詳細は論文を参照)。

図2. (A) meso-ジオールの非対称化における触媒構造の最適化 (B) P7を触媒とした基質適応範囲 (C) 推定反応機構

以上、複数の基質を用いたHTEにより触媒の構造を最適化することで、高い基質一般性をもつ触媒が開発された。データ駆動形の触媒開発、ペプチド触媒、ラジカル(触媒)化学の三者の匠が織りなす次世代型の触媒開発法は圧巻の一言である。

参考文献

  1. Wagen, C. C.; McMinn, S. E.; Kwan, E. E.; Jacobsen, E. N. Screening for Generality in Asymmetric Catalysis. Nature 2022, 610, 680–686. DOI: 1038/s41586-022-05263-2
  2. (a) Ma, Z.; Huang, Q.; Bobbitt, J. M. Oxoammonium Salts. 5. A New Synthesis of Hindered Piperidines Leading to Unsymmetrical TEMPO-type Nitroxides. Synthesis and Enantioselective Oxidations with Chiral Nitroxides and Chiral Oxoammonium Salts. J. Org. Chem. 1993, 58, 4837–4843. DOI: 1021/jo00070a018 (b) Murakami, K.; Sasano, Y.; Tomizawa, M.; Shibuya, M.; Kwon, E.; Iwabuchi, Y. Highly Enantioselective Organocatalytic Oxidative Kinetic Resolution of Secondary Alcohols Using Chiral Alkoxyamines as Precatalysts: Catalyst Structure, Active Species, and Substrate Scope. J. Am. Chem.Soc. 2014, 136, 17591–17600. DOI: 10.1021/ja509766f (c) Tomizawa, M.; Shibuya, M.; Iwabuchi, Y. Highly Enantioselective Organocatalytic Oxidative Kinetic Resolution of Secondary Alcohols Using Chirally Modified AZADOs. Org. Lett. 2009, 11, 1829–1831. DOI: 10.1021/ol900441f (d) Formaggio, F.; Bonchio, M.; Crisma, M.; Peggion, C.; Mezzato, S.; Polese, A.; Barazza, A.; Antonello, S.; Maran, F.; Broxterman, Q. B.; Kaptein, B.; Kamphuis, J.; Vitale, R. M.; Saviano, M.; Benedetti, E.; Toniolo, C. Nitroxyl Peptides as Catalysts of Enantioselective Oxidations. Chem. Eur. J. 2002, 8, 84–93. DOI: 10.1002/1521-3765(20020104)8:1<84::AID-CHEM84>3.0.CO;2-N

 

Avatar photo

山口 研究室

投稿者の記事一覧

早稲田大学山口研究室の抄録会からピックアップした研究紹介記事。

関連記事

  1. マイクロプラスチックの諸問題
  2. とある社長の提言について ~日本合成ゴムとJSR~
  3. 第43回ケムステVシンポ「光化学最前線2024」を開催します!
  4. カルロス・シャーガスのはなし ーシャーガス病の発見者ー
  5. 岩塩と蛍石ユニットを有する層状ビスマス酸塩化物の構造解析とトポケ…
  6. 虫歯とフッ素のお話② ~歯磨き粉のフッ素~
  7. 医薬品の品質管理ーChemical Times特集より
  8. なんとオープンアクセス!Modern Natural Produ…

注目情報

ピックアップ記事

  1. 硫黄―炭素二重結合の直接ラジカル重合~さまざまなビニルポリマーに分解性などを付与~
  2. ケムステタイムトラベル2011~忘れてはならない事~
  3. 三共・第一製薬の完全統合、半年程度前倒しを検討
  4. MOF-74: ベンゼンが金属鎖を繋いで作るハニカム構造
  5. 脱酸素的フッ素化 Deoxofluorination
  6. アラン・ロビンソン フラボン合成 Allan-Robinson Flavone Synthesis
  7. 史跡 土肥金山
  8. 光照射下に繰り返し運動をおこなう分子集合体
  9. 炭素-炭素結合を組み替えて多環式芳香族化合物を不斉合成する
  10. 町田 慎悟 Shingo MACHIDA

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2023年8月
月 火 水 木 金 土 日
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
28293031  

注目情報

最新記事

光前駆体法の活用によって、ヘプタセンで初の一重項分裂を観測!

第725回のスポットライトリサーチは、京都大学大学院 理学研究科化学専攻 有機元素化学研究室(山田研…

【スタッフ・寄稿募集】Chem-Stationで、化学を「伝える側」になりませんか?

Chem-Station(ケムステ)は2000年に開設された国内最大の化学ポータルサイトです。大学・…

第17回大津会議―とある参加者の記録―

2026年9月28日~29日に開催された第17回大津会議についての、とある参加者の記録です。この記事…

第17回大津会議 -Otsu Conference- 2026 開催報告 ~新体制で紡ぐ「有機合成の夢」~

第17回大津会議が2026年9月28日(月)〜9月29日(火)びわ湖大津プリンスホテルにて開催されま…

有機合成化学協会誌2026年10月号:医薬品プロセス開発・σ芳香族性・含窒素複素環・メロテルペノイド二量体・高歪み化合物

有機合成化学協会が発行する「有機合成化学協会誌」2026年10月号がオンラインで公開されています。…

時代は水だ! セメントのように水と混ぜるだけで成形・硬化できる「水硬性」高分子

第724回のスポットライトリサーチは、東京科学大学物質理工学院(大塚研究室)博士前期課程2年の徳満玲…

複雑さを設計して、結晶の動きをプログラムする

第723回のスポットライトリサーチは、高知工科大学大学院工学研究科(林研究室) 博士後期課程3年の樋…

ハロゲンの力で強力な結合を切断!天然物クマリンから医薬品・機能性材料原料のクマラノン類へ

第 722 回のスポットライトリサーチは、立命館大学大学院薬学研究科薬学専攻 精密合…

観察を写真で残す!カメラ内蔵リアクタ EasyMax 102i を使ってみた

反応の温度も、攪拌(かくはん)も、滴下も、サンプリングもいまや自動で記録される時代になりました。とこ…

ケムステ人気新着記事 トップ 5【2026年9月版】

2026年9月にケムステでは21本の新しい記事を公開しました。この記事では、その新着記事の中から、ペ…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP