共同研究・競争的資金等の研究課題

本研究では、水素原子移動触媒として機能する新しいアミジルラジカル前駆体として、双性イオン型トリアゾリウムアミデートを開発した。この双性イオンは安定な化合物であり、単独では触媒機能を発揮しない。しかし、適切な光レドックス触媒によって一電子酸化されることで、強力な水素原子引き抜き能を有するアミジルラジカルとなり、各種炭化水素化合物の結合を切断する。ここで生成する炭素ラジカルの反応性を活かすことで、様々な炭素－炭素結合形成反応を実現することに成功した。また、メソリティック開裂の能動的制御により、シリルエノールエーテル類のアリル位炭素ー水素結合変換反応を開発した。 有機分子に遍在する炭素－水素結合を切断し、任意の官能基に変換する手法は、効率的な物質生産の実現に貢献する重要な化学技術である。本研究で開発したトリアゾリウムアミデートによる水素原子移動反応や、メソリティック開裂の能動的制御によるシリルエノールエーテル類のアリル位炭素－水素結合変換反応は、反応基質に存在する極性官能基を残したまま比較的安定な炭素－水素結合を官能基化できるという特徴をもつ。合成化学の分野で長足の進歩を遂げてきた極性反応と組み合わせることで、単純な原料から複雑な化合物を効率的に合成する道を切り拓いたという点に、本研究成果の意義がある。

可視光照射下、シリルエノールエーテルの一電子酸化によって生じるラジカルカチオンが非常に強い酸として振る舞うことを発見し、シリルエノールエーテルのアリル位-Hアルキル化反応を開発した。本反応は、シリルエノールエーテルのケイ素上の置換基にはほとんど依存せず、ラジカル受容体であるオレフィンも含めて広範な基質が適用可能であり、複雑な天然物誘導体の位置選択的な官能基化にも応用できる。また、基質適用範囲を実験的に検証すると同時に、計算化学的手法による基質と収率の相関解明にも取り組み、発生するアリルラジカルのアリル位のスピン密度の大きさが付加段階の活性化エネルギーに影響することを突き止めた。 ラジカルカチオンの高い酸性度を改めて明示し、適切な触媒を用いることでメソリティック開裂によるフリーラジカルの生成過程を制御できることを実証した点で、有機化学分野に有益な知見を与えることができた。この知見をもとに様々な反応開発が可能になることから、萌芽的研究としての役割を十分に果たしたと考えられる。また、開発した反応は、従来変換困難であった位置での結合形成を可能にするため、天然物や医薬品などの複雑化合物の新規誘導体の提供につながると期待される。

本研究では、既存法では困難な末端C－H選択的官能基化反応の開拓を目的に、ラジカルの発生制御を担う新規触媒システムの開発を行う。特に、N-ホスフィニルトリアゾリウムアミデートを前駆体とするラジカルカチオン触媒の分子設計と反応位置制御を中心的課題とし、HATに対して活性なC－H結合を有する化合物を基質とした末端C－H選択的変換反応を実現する。構造修飾が容易というN-ホスフィニルトリアゾリウムアミデートの特長を活かし、活性中心周りの空間を効果的に遮蔽できる分子構造を合理的に設計する。また、触媒合成と機能評価を通して、位置選択的なC－H結合変換を実現する触媒分子設計のひとつの指導原理を確立する。 双性イオン型トリアゾリウムアミデートの機能を多角的に追究し、高いHAT触媒活性を発揮し得るN-ホスフィニルトリアゾリウムアミデートを開発するとともに、アルキルベンゼンの末端C-Hアルキル化反応を進行させるユニークな性質を発見した。また、反応性の高い官能基存在下における化学選択的C-H結合変換の開発へと研究を展開し、ベンジルフルオリド類のジェミナル二炭素官能基化という新しい分子変換を提案した。さらに、トリアゾリウムアミデートの共役酸が光レドックス触媒との協働によってプロトン還元を実現できることを見出して、異なる2つのC-H結合間でのアクセプターレス脱水素型クロスカップリングを開発するに至った。 有機分子に遍在する炭素－水素結合を切断し、任意の官能基に変換する手法は、持続可能な物質生産の実現に貢献する重要な化学技術である。双性イオン型トリアゾリウムアミデートによる選択的水素原子移動反応は、反応基質に存在する極性官能基を残したまま比較的安定な炭素－水素結合を官能基化できるという特徴をもち、遍在する原料から複雑な化合物を無駄なく合成する道を切り拓いたという点で意義深い。また、分子状水素のみを副生成物として、２つのC-H結合をC-C結合に組み換えるアクセプターレス脱水素型クロスカップリングは、高効率かつ環境負荷の少ない化学合成の実現に資する手法として学術的のみならず実用的に高い価値をもつ。

本研究では、物質創製の合理化・効率化に資する合成化学技術の開拓を指向し、多種多様な化合物を原料としたC(sp3)-H結合変換を可能にする新規触媒の創製に挑む。特に、可視光を駆動力として高い反応性を発揮する光励起窒素ラジカルの設計と触媒機能の創出に注力する。分子中に存在する官能基の反応性を足掛かりとして化学反応を実現してきた従来の合成化学と一線を画し、反応性の高い官能基存在下、安定なC(sp3)-H結合の選択的変換を可能にする光励起ラジカル触媒によって、天然物等の複雑分子の効率的合成や直接構造変換を実現する。 不活性結合の直接変換を可能とする光励起窒素ラジカル触媒の機能探求にもとづき、高難度な分子変換反応の開発を行なった。今年度の研究ではとくに、ラジカル触媒と金属触媒とのハイブリッドシステムとして、双性イオン性アクリジニウムアミデートとコバルト錯体を組み合わせたアルカン類の脱水素反応の開発に注力した。酸化剤を必要としない触媒的脱水素化反応（Catalytic Acceptorless Dehydrogenation, CAD）は、分子状水素(H2)のみを副生成物として発生させつつ、芳香族化合物やオレフィン類を構築する持続可能かつ直接的な方法として注目されているが、反応自体が吸熱的であり、進行には強力な駆動力が必要となる。本研究では、光誘起による直接的水素原子移動（direct Hydrogen Atom Transfer, d-HAT）を担うアクリジニウムアミデート触媒と、水素発生に関与するコバルト錯体を組み合わせることで、温和な条件下で効率的なCAD反応を実現した。具体的には、テトラヒドロナフタレンやインドール、イソキノリン、2-ピリドンといった複素環化合物を含む幅広い基質に対して適用可能であり、選択的かつ高収率で不飽和化合物へと変換することに成功した。また、ベンジルアルコール類の酸化的変換や、複雑なステロイド化合物に対して、特定部位の脱水素化が達成され、その応用可能性の広さを実証した。 本研究では、光励起窒素ラジカルの機能追究と水素原子移動反応等による不活性結合の直接変換の開拓を目指しており、当初の計画に沿って着実に進展を見せている。今年度においては、独自に開発した双性イオン型アクリジニウムアミデートを用いた光誘起水素原子移動（direct HAT）と、コバルト錯体による水素発生反応を融合させたハイブリッド触媒系を構築し、温和な条件下で多様な基質の脱水素化に成功した。ベンゼン縮環化合物や含窒素複素環に加え、天然物誘導体に対しても高い変換効率と選択性を示し、実用的な有機合成手法としての有望性を明示した。また、触媒作用機構の検証においても、ラジカル種の生成と反応経路に関する知見を得ることができ、触媒設計の指針となる基盤的知識を確立しつつある。これらの成果は、研究目標に対して極めて良好な進捗を与えるものであり、今後さらに多様な結合変換反応の検討を通じて、研究の深化と波及的展開が期待される。 これまでに得られた成果に基づき、今後は以下の三点を中心に研究のさらなる推進を図る。第一に、基質適用範囲の拡大である。現時点でベンゼン縮環系や含窒素複素環への適用が可能であることを確認しており、今後は脂肪族化合物や複数の官能基を含む医薬品候補化合物への応用を目指す。また、結合活性化の位置選択性制御の高度化やC-H結合以外の不活性結合を標的とした官能基選択的活性化の可能性も検討する。第二に、アクリジニウムアミデート光触媒の構造多様化を通じた触媒性能の最適化である。電子的・立体的特性を精密に調整することで、励起状態のエネルギープロファイルやラジカル生成能を制御し、より選択的かつ効率的な反応設計を可能とする。第三に、反応機構の更なる解明を通じて触媒作用の本質を明らかにし、設計指針の汎用化を図る。特に、時間分解分光法や理論計算を活用し、反応中間体や電子移動過程を詳細に解析する計画である。これらの戦略的方策を通じて、有機分子光触媒を基盤とした持続可能な分子変換技術の確立を目指す。