新しい不斉源「トポロジカルキラリティ」の機能を解明

新しい不斉源「トポロジカルキラリティ」の機能を解明
―医薬品開発などにも応用可能な優れた不斉源の開発に成功―

要点

• トポロジカルキラリティを有する化合物の不斉源としての機能を初めて評価
• ロタキサンを不斉源として高分子に一方巻きらせんを誘起できることを見出した
• ロタキサンは従来の点不斉を有する分子よりも優れた不斉源となり得る

概要

東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の石割文崇助教（兼・同大学 科学技術創成研究院 助教）、高田十志和教授らの研究グループは、新しい不斉^[用語1]源である「トポロジカルキラリティ^[用語2]」を持つ分子の優れた機能を初めて解明した。トポロジカルキラリティを持つ分子の不斉源としての利用を推進・加速し、不斉分子の選択的合成・認識・分割を達成する優れた機能分子の開発につながると期待される。

同研究グループは、トポロジカルキラリティを持つロタキサンを側鎖に有するポリアセチレン^[用語3]を合成し、その主鎖にトポロジカルキラリティに対応した「一方巻きらせん構造」が誘起されることを見出した。また、より一般的な不斉である「点不斉」と「トポロジカルキラリティ」を組み合わせた系においては、トポロジカルキラリティが主たる不斉源となることも明らかにした。

医薬品などの有機化合物の多くは不斉を持ち、通常鏡像異性体混合物ではなく片方の鏡像異性体のみが使用される。このため、片方の鏡像異性体を選択的に合成・分離・識別するのに有効な不斉源となる分子の開発が求められている。

複数の分子が絡み合ってできた分子マシンとしても知られるロタキサンやカテナンなどのインターロック^[用語4]分子は、構成分子がそれぞれ不斉を持たなくとも、その組み合わせ次第で「トポロジカルキラリティ」と呼ばれる不斉を発現することが知られていたが、これまでトポロジカルキラリティを持つ化合物を不斉源として応用した研究はなかった。

研究成果は2017年10月3日にドイツ科学雑誌「Angewandte Chemie（アンゲヴァンテ・ケミー）International Edition」に掲載された。

研究の背景

医薬品などの有機化合物の多くは不斉（キラリティ）を有していることから、鏡像異性体の片方を選択的に合成・分離・識別するために有効な不斉源となる分子の開発が強く求められており、有効な不斉源の創出は極めて重要な研究課題となっている。不斉源としてはこれまでに、点不斉や軸不斉、面不斉などに分類される不斉を有する化合物の応用が検討されてきた（図1左）。

一方で、分子マシンとしても知られるロタキサンやカテナンなどのインターロック化合物には、トポロジカルキラリティと呼ばれる特徴的な不斉が発現することが報告されている（図1右）。これらのインターロック分子は、構成成分が不斉を持たなくても、ほどくことのできない絡み合いにより不斉を発現する。このような分子は構成成分が高い運動性を持っているため、不斉源としてどのような機能を有するかに興味がもたれていた。

しかし、各構成成分には不斉は無いこれらの分子が果たして不斉源として機能するのか、機能するとしたらそれらが従来の不斉源と比較するとどのような性質をもっているか。これらは、2016年度ノーベル化学賞受賞者のジャン＝ピエール・ソヴァージュ教授も提示していた長年の疑問だったが、今日まで検討されることはなかった。

研究内容と成果

東工大 物質理工学院 応用化学系の石割助教、高田教授、中薗和子特任助教、富山県立大学 小山靖人准教授（研究当時・東工大助教）らは、代表的ならせん高分子として知られるポリアセチレンに対する一方巻きらせん誘起を題材に、新しい不斉源である「トポロジカルキラリティ」を持つ分子の優れた性質を初めて確認した（図2）。

ポリアセチレンに一方巻きらせんを誘起するためには、有効に働く不斉分子を側鎖に導入する必要がある（図2右上）。同グループはトポロジカルキラリティを持つロタキサンの鏡像異性体の片方を単離し、ポリアセチレンの側鎖に輪成分もしくは軸成分を介して結合させると、主鎖に一方巻きらせんが誘起できることを発見した（図2左下）。

また、トポロジカルキラリティに加えて点不斉を不斉源として導入しても、点不斉に基づく一方巻きらせんは全く誘起されず、ロタキサンのトポロジカルキラリティに基づく一方巻きらせんのみが誘起されるという驚くべき結果も見出した（図2右下）。これは、トポロジカルキラリティを有する化合物が従来の点不斉などを有する化合物と比べて不斉源として優れた機能を持つことを示唆する結果といえる。

今後の展開

不斉を持たない分子の絡み合いにより発現する「トポロジカルキラリティ」を持つ分子の不斉源としての優れた機能の一端を明らかにした。これはソヴァージュ教授の提示していた長年の問題に対するひとつの答えである。今後、トポロジカルキラリティを持つ分子を不斉源とする研究が加速され、不斉分子の選択的合成・認識・分割を達成する優れた機能分子の開発につながると期待される。

論文情報

掲載誌 :	Angewandte Chemie International Edition
論文タイトル :	"Induction of Single-Handed Helicity of Polyacetylenes Using Mechanically Chiral Rotaxanes as Chiral Sources"
著者 :	Fumitaka Ishiwari, Kazuko Nakazono, Yasuhito Koyama, Toshikazu Takata
DOI :	10.1002/anie.201707926

• プレスリリース 新しい不斉源「トポロジカルキラリティ」の機能を解明 ―医薬品開発などにも応用可能な優れた不斉源の開発に成功―
• 高田研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 高田十志和 Toshikazu Takata
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 石割文崇 Fumitaka Ishiwari
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• 物質理工学院 応用化学系
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