第 689 回のスポットライトリサーチは、東京大学 大学院薬学系研究科 有機合成化学教室 (金井 求 研究室) 博士課程１年の 井上 丈司 (いのうえ たけし) さんにお願いしました！
井上さんの所属される金井研究室では、さまざまな触媒反応を巧みに活用した研究によってライフサイエンスへの多大な貢献をなされており、これまでに Chem-Station でも幾度となくご成果を紹介させていただいております。
今回、井上さんらの研究グループでは、身の回りに広く存在するカルボン酸化合物を高効率に脱炭酸できる新しい光触媒を開発しました。そして、この触媒により今まで用いることが難しかった芳香族カルボン酸やパーフルオロアルキルカルボン酸を原料とした複数のラジカル変換反応を実現しました。医薬品や機能性材料などの効率的合成に加え、近年環境問題として注目される PFAS 類のアップサイクリングへの応用が期待される本研究成果は高く評価され、J. Am. Chem. Soc, 誌に掲載されるとともに、東京大学よりプレスリリースも行われました。
Azaanthraquinone PCET Catalysis Enables Chemoselective Decarboxylative Functionalization of Diverse Carboxylic Acids
Takeshi Inoue, Daiki Tomiya, Masaaki Fuki, Yasuhiro Kobori, Masahiro Higashi, Kaito Uesaka, Akira Yamakata, Shigehiro A. Kawashima, Kenzo Yamatsugu, Harunobu Mitsunuma*, Motomu Kanai*
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 40272–40281, DOI: 10.1021/jacs.5c10807,
本研究を現場で統括された、教授の 金井 求 先生より、井上さんへのコメントを頂戴しております！
井上君は、正統という言葉がぴったりの学生です。頭も手もよく動き、ハードワーカーでアイディア豊富で明るくコミュニケーションも円滑で、後輩への指導力もあり、他人に対して常に尊敬の念をもって接せられる人です。学部時代から始めた今回の研究も、触媒の分子設計から適用する反応の選択に至るまで、自分のアイディアで実施しました。ものすごいポテンシャルを持っているので、自分の能力に自信を持って、弱気な目標設定に甘んじないで目標を高く持って、広い分野に波及を及ぼせる基礎の研究者として大きく羽ばたいてほしいと心から願っています。
それでは、インタビューをお楽しみください！
Q1. 今回プレスリリースとなったのはどんな研究ですか？簡単にご説明ください。
Proton-coupled electron transfer (PCET) 機構と三重項光触媒として知られるアントラキノン骨格を組み合わせることで、芳香族カルボン酸やTFAなどのカルボン酸の光誘起脱炭酸反応を効率的に進行させる触媒を開発しました。
光誘起脱炭酸反応は feedstock chemical であるカルボン酸から温和な条件下で合成的に有用な炭素ラジカルを生成する重要な変換として、さまざまな有機合成反応に応用されています。しかしながら、これまでのほとんどの反応系の基質適用範囲は、脂肪族カルボン酸に限定されていました。
従来の反応系で困難とされてきた基質として、芳香族カルボン酸と TFA などの電子不足カルボン酸が挙げられます。芳香族カルボン酸のラジカル脱炭酸では、脱炭酸後に生成する sp2 炭素ラジカルが不安定であるため、脱炭酸過程が著しく遅くなります。その結果、光触媒とカルボキシルラジカル間での逆電子移動 (BET) が優先して起こり、脱炭酸反応が非効率となります。1 一方、TFA などの電子不足カルボン酸では、カルボキシラートの酸化電位が 2.4 V (vs SCE)2 と極めて高いことから、一電子酸化過程に問題を抱えており、有機分子触媒による光脱炭酸例は報告がありませんでした。
以上の全く異なる問題を有する不活性なカルボン酸基質に対して、一般性高く光脱炭酸を促進する新規触媒としてアザアントラキノン触媒を設計しました。本触媒は、アントラキノン骨格に由来する高効率かつ高速な項間交差により、三重項励起状態を一電子酸化の活性種とします。その結果、一電子酸化により生成するラジカル対が三重項となり、溶媒ケージ内での逆電子移動が抑制されます。さらに、本触媒が有するピリジン部位は、一電子酸化の過程でブレンステッド塩基として機能し、カルボン酸からのプロトン移動と電子移動を協奏的に促進します。このような proton-coupled electron transfer (PCET) 機構により、一電子酸化の活性化障壁が低下し、反応のさらなる高効率化が実現されます。以上の設計をもとに最適化を重ねて、本 PCET 触媒の開発に至りました。また、本触媒を用いて、芳香族カルボン酸やTFAを原料としたカップリング反応やトリフルオロメチル化反応を開発しました。
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。
本光触媒は、もともとケミカルバイオロジーを志向した別のテーマの中で検討していた分子です。その研究においても大きな課題となっていた逆電子移動を克服するためにアザアントラキノン触媒を設計・合成しました。しかしながら、当該テーマの文脈ではこれ以上の展開が難しく、当時は本触媒の応用範囲に限界を感じていました。一方で、この触媒が脂肪族カルボン酸の脱炭酸反応をわずか 10 分ほどで完結させるほどの高反応性を有することも分かっていました。これほどの高反応性であれば、報告例の少ない芳香族カルボン酸を基質としても少しは脱炭酸が進行するかもと、ダメ元で 3-phenylbenzoic acid を原料として反応を試みました。その結果、原料の full conversion という予想を大きく上回る反応性を見出しました。NMR 解析で目的物であるビフェニルのピークを確認した時の驚きと感動は、今でも忘れられません。
この発見をきっかけに、研究の方向性を大きく転換し、芳香族カルボン酸の脱炭酸反応として基質一般性の検討を進めました。並行して、銅触媒とのハイブリッド触媒系による、芳香族カルボン酸とアミンのカップリング反応や、TFA を原料とした不活性アルケンのトリフルオロメチル化反応への展開を行いました。
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？
前述の通り、本研究を現在の方向性・問題設定のもとで形にまとめるまでには、かなりの遠回りをしてしまいました。その間はなかなか成果を挙げられず、苦労も少なくありませんでしたが、最終的に納得のいく形で研究をまとめることができたことを嬉しく思います。
また、本触媒の機構解析の面にも多くの時間を要しました。EPR測定では神戸大学の小堀康博教授、婦木正明特命助手、冨弥大暉さんに、DFT計算では名古屋大学の東雅大教授に、過渡吸収測定では岡山大学の山方啓教授、上阪海翔さんにご協力をいただきました。これらの共同研究で得られた実験データに基づき、最終的には本触媒の反応性を説明する機構を提示することができたと考えております。本成果は、上記の共同研究者の皆様のお力添えなくしては成し得なかったものであり、この場を借りて深く感謝申し上げます。
Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか？
今しばらくの間、現在の恵まれた環境にて研究を続けることができますので、化学を楽しみつつ、素晴らしい分子や反応を見出せるよう努力したいと考えております。
現時点では、本アザアントラキノン触媒に注目して下さっている化学者は、まだほとんどいないのではないかと思います。もう少し本触媒の検討を続け、その興味深い反応性をより広くアピールできるよう、面白い成果を挙げられればと考えております。
Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします！
本研究の遂行にあたり、多大なるご指導とご鞭撻を賜りました金井求教授と三ツ沼治信助教に、心より深く御礼申し上げます。
本触媒の機構解析に際し、神戸大学 小堀康博教授、婦木正明特命助手、冨弥大暉さん、名古屋大学 東雅大教授、岡山大学 山方啓教授、上阪海翔さんに貴重なご協力とご助言を賜りました。また、本研究を開始した学部 4 年次に千葉大学 山次健三教授、東京大学金井研究室 川島茂裕准教授、藤吉浩平博士に実験・研究の基礎など手厚いご指導を賜りました。改めて、深く御礼申し上げます。
また同時に、学会等で本研究を発表する機会を通じて、多くの先生方および学生の皆様から貴重なご助言を頂き、新たな視点や可能性を得ることができました。この場を借りて、深く御礼申し上げます。今後も機会があれば積極的に自身の研究を発信していきたいと考えております。ご興味をお持ちいただけました際には、ぜひご意見を賜れますと幸いです。
最後になりましたが、平素より拝読しております本企画にて、本研究を紹介する貴重な機会を賜りました Chem-Station スタッフの皆様に、厚く御礼申し上げます。
引用
- (a) Kubosaki, S.; Takeuchi, H.; Iwata, Y.; Tanaka, Y.; Osaka, K.; Yamawaki, M.; Morita, T.; Yoshimi, Y. Org. Chem. 2020, 85, 5362–5369, DOI: 10.1021/acs.joc.0c00055. (b) Xu, P.; López-Rojas, P.; Ritter, T. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 5349–5354, DOI: 10.1021/jacs.1c02490.
- Depecker, C.; Marzouk, H.; Trevin, S.; Devynck, J. New J. Chem. 1999, 23, 739–742, DOI: 10.1039/A901305I.
研究者の略歴
名前: 井上 丈司
所属: 東京大学大学院 薬学系研究科 金井研究室 博士課程１年
研究テーマ: 光レドックス触媒を用いた化学反応開発
経歴:
2023年3月 東京大学薬学部薬科学科卒業
2023年4月 東京大学大学院薬学系研究科修士課程進学 (金井求教授)
2025年3月 東京大学大学院薬学系研究科修士課程卒業 (金井求教授)
2025年4月–現在 東京大学大学院薬学系研究科博士課程 (金井求教授)
左: 金井 求 教授、右: 井上 丈司 さん
井上さん、金井先生、インタビューにご協力いただき、誠にありがとうございました！
それでは、次回のスポットライトリサーチもお楽しみに！
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