安価で安全な、環境にも優しい触媒が、有機分子の合成の新たな可能性を開く

本研究のポイント

• ピルビン酸エステルから価値ある有機分子をつくる工程を改善する有機触媒システムを開発した。
• ピルビン酸からつくられるグリコール酸やアミノ酸などの分子は、生物医学研究や医薬品に使われている。
• 有機触媒は、これまで使われてきた金属触媒よりも安価で、取扱う上で安定しており、安全で、環境に優しい触媒である。
• 開発した有機触媒システムを使用すると、ピルビン酸エステルは電子を与える反応を起こすため、さまざまな種類の価値ある有機分子が合成しやすくなる。
• この有機触媒システムを使用すると、鏡像の関係にある、互いに生物活性などが異なる有機分子の、必要な側一方のみをつくることができるため、重要な意味を持つ。

プレスリリース

沖縄科学技術大学院大学(OIST)の化学者グループは、ピルビン酸と呼ばれる、代謝経路において、多くの分子に変換される原料となる重要な生体分子の誘導体を利用し、従来の技術では行うことが困難であった反応を行うことができる、有機触媒システムを開発することに成功しました。

Organic Letters誌で発表された本研究成果は、製造工程を簡略化し、創薬や医薬品製造に用いられるアミノ酸やグリコール酸などの多くの種類の分子を、ピルビン酸エステルから製造することを可能にする、重要な一歩となります。

OISTの生体制御分子創製化学ユニットの博士課程学生で、本研究論文の筆頭著者であるサンタヌ・モンダルは、次のように述べています。「触媒は、化学反応を制御したり加速したりする物質ですが、最終生成物には残りません。化学者にとって極めて重要なツールです。特に有機触媒は、産業を革新し、化学をより持続可能なものにします。」

新たに設計した有機触媒システムのモデルを参考に、ピルビン酸エステルの反応をスケッチする博士課程学生で本研究論文の筆頭著者のサンタヌ・モンダル。

現在、産業界では金属触媒が使用されていますが、高価であったり、有害廃棄物が発生したりすることがあります。また、金属触媒は空気や水と反応しやすいため、保管や取り扱いに注意が必要です。しかし、有機触媒は炭素、水素、酸素、窒素などの一般的な元素でできているため、より安価で安全性が高く、環境にも優しいのです。

モンダルは、「さらに、今回開発した有機触媒システムは、ピルビン酸エステルの反応も促進します。その反応は、従来、金属触媒を用いたのでは実施困難です」と付け加えています。

モンダルの説明によると、化学反応は分子が電子を与えるか、受け取るかのどちらかで起こり、通常、ピルビン酸エステルは電子を受け取る方が得意だそうです。その反応は、有機アルコールや溶剤の産業的な製造にもよく使用されているということです。しかし、私たちの体内では、酵素と呼ばれるタンパク質の触媒によって、ピルビン酸が電子を与えることで反応が起こり、脂肪酸やアミノ酸などの分子がつくられているそうです。

研究チームは、それらの酵素にヒントを得て、酸とアミンの、小さい有機分子2つからなる触媒システムを設計し、ピルビン酸エステルに電子を与えさせる反応を行うことに成功しました。

この反応では、アミンがピルビン酸エステルに結合し、中間体分子を生成します。そして、酸が中間体分子の一部を覆い、別の部分を空けておくことで、その部分が電子を与えることができ、反応し、新しい生成物を生成することができます。

注目すべき点は、この触媒システムでは、どの形の生成物をつくるかが決まっていることです。多くの生体分子は不斉で、私たちの両手のように互いに鏡像のような2つの形をとります。これらの分子の見た目は似ていますが、多くの場合、生物活性などの特性は異なっています。

ある分子の鏡像体は、見た目は似ているが、異なる特性を持っている。リモネンを例にとると、一方はレモンの風味がするが、その鏡像体はオレンジの風味がする。

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/press-release/ スウェーデン王立科学アカデミー Johan Jarnestad氏。

モンダルは、次のように述べています。「反応後の生成物が鏡像体のどちらか一方の形だけになるように有機触媒を設計することができます。これは、特に製薬業界に有益です。なぜなら、一方の形の生成物は有効な治療薬となるかもしれませんが、もう一方は有毒なものとなることも考えられるからです。」

ピルビン酸エステルの反応では、反応を触媒するアミンの鏡像体の形を変えることで、最終生成物として、2つの鏡像体のうちの、どちらをつくるかを選択することができるようになったのです。

サンプルを分析して鏡像体の一方だけが存在することを確認する博士課程学生で筆頭著者のサンタヌ・モンダル。

現在、この有機触媒システムは、ピルビン酸エステルを環状イミンという特定の種類の有機分子と反応させるときのみ機能します。しかし、研究チームは最終的な目標として、ピルビン酸エステルと幅広い種類の有機分子との反応を促進する、次世代の万能触媒を創ることを夢見ています。

「万能触媒があれば、ピルビン酸エステルからさまざまな生成物を、両方の鏡像体のそれぞれを簡単につくることができるようになるでしょう。これは、新薬の開発を加速させるなど、社会に重要な影響を与えるでしょう」とモンダルは締めくくっています。

発表論文詳細

論文タイトル：Control of Reactions of Pyruvates by Catalysts: Direct Enantioselective Mannich Reactions of Pyruvates Catalyzed by Amine-based Catalyst Systems
発表先：Organic Letters
発表日：2022年2月28日
DOI： 10.1021/acs.orglett.2c00436
著者：Santanu Mondal,¹ Ravindra D. Aher,¹ Venkati Bethi,¹ Yu-Ju Lin,¹ Tohru Taniguchi,² Kenji Monde,² and Fujie Tanaka^*1

¹. 沖縄科学技術大学院大学 生体制御分子創製化学ユニット
².北海道大学大学院 先端生命科学研究院
^* 責任著者