Research

東京工業大学理学院化学系後藤・小野研究室
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研究概要
新たな物性・機能を有する有機物質の創製において、ヘテロ原子は物質の特性を決定づけるいわば「キープレーヤー」としての役割を果たしています。また、生体機能を分子レベルで理解する上でも、活性部位におけるヘテロ原子の役割の解明は欠かせません。新たな有機合成試剤の開発という観点からも、ヘテロ原子の個性を活かした分子設計は、今後ますます重要になると予想されます。有機化学の領域をさらに拡大していくためには、周期表上の各元素がもつ従来の常識を越えた特性を引き出すとともに、個々の元素の特性を統一的に理解するための新たな概念を構築する必要があります。そして、そこで得られた知見をいかに新物質の創製に活用していくかが鍵になると考えられます。後藤研究室では、独自にデザインしたキャビティ型反応空間を活用して、従来合成が困難だった様々な高周期ヘテロ元素化合物を創製し、その性質を明らかにする研究を行っています。そして、生体反応機構の解明や、新たな機能性物質の開発などへの応用を図るとともに、総合的な解釈を加えることにより、有機元素化学の新たな体系を形成することを目指しています。
主な研究テーマ（１）ボウル型分子キャビティを活用した生体反応活性種の安定化（２）ボウル型構造をもつナノスケール配位子の開発と応用（３）カプセル型分子の設計と内部空間の反応場としての活用
この他にも、高配位典型元素の特性を活用した巨大分子・超分子の構築など、様々な研究を行っています。

（１）ボウル型分子キャビティを活用した生体反応活性種の安定化
生体反応のメカニズムを解明するためには、様々な解析手段を適用できる人工系でのモデル研究により、反応中間体の構造および反応性について分子レベルの情報を得ることが必要不可欠である。しかし、生体内では安定に存在して生理作用を及ぼす反応中間体が、人工系では極めて不安定であるためにモデル系を構築することができない場合が多くある。たとえば、生体内では数十時間も安定に存在し、重要な生理作用を及ぼしている化学種が、人工系では最長でもミリ秒オーダーの寿命しかもたない例などが知られている。従来ブラックボックスであったそれらのメカニズムを明らかにするためには、これまでの「非常識」を「常識」に変える革新的な人工モデル系を構築する必要がある。当研究室では、この目的を達成するために、巨大ホスト分子の内部空間を活性な官能基の反応空間として活用するという独自の発想に基づき、ナノメートルサイズの空孔内に官能基を固定したボウル型分子を開発した。それにより、通常過渡的にしか生成できない種々の生体反応中間体を安定な化合物として合成・単離し、従来検証が困難であったそれらの構造および反応性を実験的に明らかにすることに成功した。

ボウル型分子は、高反応性化学種の多量化や自己縮合を効果的に抑制する一方で、基質分子に対する反応性は損なわないという優れた特質をもつ。目的とする化学種に応じて設計した種々のボウル型分子を活用することにより、スルフェン酸（RSOH）およびセレネン酸（RSeOH）など、生体反応の重要な中間体として注目を集めていながら人工系での合成が困難であった様々な化学種の合成に成功した。中でもセレネン酸は、人体を過酸化物から防御するグルタチオンペルオキシダーゼ（GPx）の触媒サイクル中間体として注目を集めている化学種であり、これまで多くの研究者が様々な手法により合成を目指してきたが単離には至っていなかった。我々は独自に開発したボウル型分子キャビティを活用することにより、安定なセレネン酸の合成・単離に初めて成功した。また、ボウル型セレネン酸を活用して、GPxの触媒サイクルとして提案されているすべての反応素過程を初めて実験的に証明した。さらに、GPxと活性窒素種との相互作用により生成すると提唱されていながら、これまで化学種の存在自体が確認されていなかったSe-ニトロソセレノール（RSeNO）の合成にも成功した。ボウル型分子の発展形として開発したデンドリマー型分子を活用することで、提唱されているGPxと活性窒素種の反応と同様のプロセスにより、Se-ニトロソセレノールを合成し、結晶構造を明らかにした。この化合物は特徴的なスペクトル的性質を有しており、今後生体内でこの化学種を探索・同定するための手がかりになることが期待される。甲状腺ホルモン活性化酵素の触媒サイクルについても、活性中間体であるヨウ化セレネニル（RSeI）を合成し、広く提唱されていながら仮説の域に留まっていた反応素過程を実証している。他にもS-ニトロソチオール（RSNO）、ヨウ化スルフェニル（RSI）など、種々の生体反応中間体の安定化に成功しているが、設計に際して意図したとおり、得られた化合物は高い安定性を示しながら、適当な基質分子に対しては十分な反応性をもつことが明らかになっている。
総説：有機合成化学協会誌, 2005, 63, 1157-1170. 　　　ファインケミカル, 2009, 38, 27-36.
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ボウル型構造をもつナノスケール配位子の開発と応用
ボウル型分子を遷移金属への配位子として活用すれば、金属上に導入される配位子の数を立体的に制御しつつ、金属の周辺には比較的広い反応空間を確保できると期待される。トリアリールメチル型分子の中心元素をリン、ケイ素、およびゲルマニウムに置換した、ボウル型ホスフィン配位子、シラノラト配位子、およびゲルマノラト配位子を開発した。

通常、ホスフィンとPdCl₂との反応では単核あるいは二核錯体が得られるが、非常に大きなcone angleをもつボウル型ホスフィンTRIPの反応では、ホスフィン過剰の条件下でも三核錯体のみが生成した。これは、構造決定されたPdCl₂三量体錯体の初めての例である。このように、ボウル型分子を配位子として活用すれば、金属上に導入される配位子の数を効果的に制御できることが明らかとなった。

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さらに、ボウル型カルベン配位子としてITmtを開発し、ITmtをもつPd(0)錯体が、結晶状態において、空気中から酸素のみならず二酸化炭素を固定することを見いだした。空気中に0.035%しか存在しない二酸化炭素を固定できる人工分子は極めて限られており、遷移金属錯体結晶による固定はこれが初めての例である。


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　カプセル型分子の設計と内部空間の反応場としての活用

　ボウル型分子の化学を三次元的に閉じた分子キャビティの化学へと発展させ、分子カプセルの内部を官能基の反応空間として活用するという着想に基づいてランターン型分子を開発した。そして、この内部空間を活用することで、一置換シンプルエノール（分子内水素結合など熱力学的な安定化を受けていないエノール）の合成・単離に初めて成功した。その合成は、前駆体となるケトスルフィドユニットをのようにカプセルの内壁に固定しておき、光照射により内部でエノールを発生させる手法により行った。生成したシンプルエノールはシリカゲルクロマトグラフィーにより精製可能であり、結晶として単離された。さらに、このエノールはトリフルオロ酢酸存在下でさえケト化には室温・溶液中で３日を要した。これは、「シンプルエノールは速やかにケト化し、純粋な形では得られない」という有機化学の常識を覆す結果といえる。

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