高難度物質変換反応の開発を指向した

精密制御反応場の創出

文部科学省科学研究費補助金

新学術領域研究（平成 27－31 年度）

領域略称名「精密制御反応場」

領域番号 2702 http://precisely-designed-catalyst.jp/

News Letter Vol. 17 May, 2017

Precisely Designed Catalysts

目次：

(1) 研究紹介

• 炭素ー窒素単結合の遷移金属錯体への酸化的付加を鍵とする飽和環状アミン類の 変換反応

大阪大学大学院工学研究科・准教授

A01 班 武田 洋平

• タンパク質の「動的構造効果」による生体触媒の反応場変換 奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科・准教授

A03 班 松尾 貴史

(2) トピックス

• 業績、報道、活動等の紹介 • 領域内における測定機器開放のお知らせ

「精密制御反応場」

News Letter Vol. 17

1

炭素ー窒素単結合の遷移金属錯体への酸化的付加を鍵とする

飽和環状アミン類の変換反応

大阪大学大学院工学研究科・准教授

A01 班 武田 洋平

E-mail: takeda@chem.eng.osaka-u.ac.jp

１．はじめに

天然物をはじめ様々な飽和アミン類にみられるありふれた結合である C(sp3)‐N 単結合の

遷移金属錯体への酸化的付加（C‐M‐N 種の形成）過程を、他の素反応に円滑にリレーして

触媒サイクルを完結させることができれば、入手容易な飽和アミン化合物を合成素子とする

多様な変換反応の実現が期待できる。しかし、一般的にアミノ基そのものはハロゲノ基やエ

ステル基ほど優れた脱離基ではないことから、前述した反応はハロゲノ基や酸素官能基を脱

離基とするアルキル擬ハライドの C‐X 結合の酸化的付加を経る触媒反応と比べると困難で

ある。我々は、環状飽和アミン類の C(sp3)‐N 単結合の位置選択的・立体特異的（選択的）

酸化的付加を経る触媒反応の開発に従事してきた。本稿では、当該研究プロジェクトの足掛

りとして、筆者らが最近注力している Pd 触媒によるアジリジンの位置選択的かつ立体特異的

な開環的クロスカップリング反応について紹介する。

２．Pd/NHC触媒による位置選択的・エナンチオ特異的 C-Cクロスカップリング反応

アジリジンは、大きな環ひず

みを有する（~27 kcal/mol）こ

とから、C‐N 結合が低原子価の

遷移金属錯体へ SN2 型で酸化的

付加することが報告されている1)。本研究プロジェクトを推進す

る上で、アジリジンの遷移金属

錯体への酸化的付加を経るクロ

スカップリング反応をモデル反

応として種々検討した結果、

NHC‒Pd(II)触媒存在下、室温で

トルエン/水溶媒中、N-トシル

-2-アリールアジリジンに1.1当

量のアリールボロン酸および塩

Scheme 1. Pd/NHC-catalyzed regioselective and enantiospecific

ring-opening Suzuki–Miyaura cross-coupling of 2-arylaziridines

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2

基を作用させると、アジリジン基質のベンジル位 C(sp3)‒N 結合の位置選択的開裂を伴う C-C

結合形成クロスカップリング反応が効率よく進行することを見出した（Scheme 1）2)。本反応

において光学的に純粋なアジリジンのエナンチオマー（>99% ee）を用いると、絶対配置が完

全に反転したカップリング生成物のみが収率良く得られることがわかった。この特徴を活用

すると、本触媒反応は、アルツハイマー病治療薬などの生理活性物質にしばしばみられる 2-

アリールフェネチルアミン類の不斉合成法としても有用であることを明らかにした。

３．Pd/PR3触媒による C̶Bクロスカップリング反応

Pd(0)/P(t-Bu)2Me 触媒存在下、60 ˚C で MTBE/水溶媒中、N-トシル-2-アリールアジリジン

に B2(pin)2 (1.2 当量)を作用させると、末端側の C(sp3)‐N 結合の位置選択的開裂を伴う炭

素‐ホウ素結合形成反応が進行し、2-アリール-2-アミノエチルボロン酸エステルを収率よく

与えることを見出した（Scheme 2）3)。3 位のメチレン水素の一つを重水素化した基質を用い

た反応からは、本ボリル化反応

が立体特異的(立体反転)に進行

していることもわかった。本反

応は塩基の外部添加が不要で、

中性条件下反応が進行する点で

も特徴的である。理論計算によ

る反応機構解析からは、水が触

媒サイクルにおいて複数の重要

な役割（酸化的付加、及び Pd-OH

発生過程）を果たしていること

が示唆される結果が得られた。

４．まとめと今後の展望

以上、アジリジンの位置選択的かつ立体特異的な開環を伴うクロスカップリング反応の開

発に成功した。今後は、さらに多様な触媒反応への展開を目指し、アジリジンの酸化的付加

を起点とするタンデム反応や、より環ひずみの小さい飽和環状アミン類の開環的変換反応を

開発する予定である。

５．参考文献

(1) (a) Lin, B. L.; Clough, C. R.; Hillhouse, G. L. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 2890–2891. (b) Ney, J. E.; Wolfe, J. P. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 15415–15422. (2) Takeda, Y.; Ikeda, Y.; Kuroda, A.; Tanaka, S.; Minakata, S. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 8544–8547. (3) Takeda, Y.; Kuroda, A.; Sameera, W. M. C.; Morokuma, K.; Minakata, S. Chem. Sci. 2016, 7, 6141–6152.

Scheme 2. Pd/phosphoine-catalyzed regioselective and stereospecific

ring-opening borylation of 2-arylaziridines

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タンパク質の「動的構造効果」による生体触媒の反応場変換

奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科・准教授

A03 班 松尾 貴史

E-mail: ｔmatsuo@ms.naist.jp

１．緒言

タンパク質ベースのバイオ触媒を構築する際、多くの場合、ホストタンパク質の高次構造

による事前組織化された構造に着目し、アミノ酸置換、合成分子の化学修飾等によって活性

部位構造を最適化する 1)。しかし、天然には、リガンド結合等の外部刺激によって大きく構

造を変化させるものがあり、リン酸転移酵素であるアデニル酸キナーゼや、細胞内でカルシ

ウムシグナルを担うカルモジュリンは、その一例である(図 1)。そこで、我々は、このような特徴を持つタンパク質を用いて、「反応場変換を行えるバイオ触媒」の開発をめざしている。

Figure 1. Structural changes of adenylate kinase (a: left) and calmodulin (b: right)

２．アデニル酸キナーゼによるπ共役系分子の機能スイッチング 2,3)

数十 Å単位の構造変換によって化学修飾分子の機能スイッチングが可能であることの妥当性を検証するために、大腸菌由来アデニル酸キナーゼ三変異体 (Adktm: A55C/C77S/V169C)のシステイン残基をピレンで修飾し、ピレンの光学的特性変化を評価した。その結果、ピレン

の光学的特性は双方向にスイッチし、本研究の戦略が妥当であることを示された。また、タ

ンパク質表面上でのピレンのπ－πスタッキングを X線結晶解析によって明らかにできた。

Figure 2. Adenylate kinase with pyrene; (a) strategy; (b) emission change; (c) pyrene stacking structure

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4

３．アデニル酸キナーゼの構造変化による DNA切断機能の制御

以前に、我々のグループでは、Zn(II)錯体を末端に持つアゾベンゼンの光異性化によって、

金属中心間の距離を制御し、DNA切断活性の ON/OFFスイッチングが可能であることを報告

している 4)。このことを基に、Adktm表面にフェナントロリン Cu(II) 錯体を 2分子導入した修飾ア

デニル酸キナーゼを調製し、プラスミド DNA pUC19 の切断活性の制御ができるか検討した。しかし、

予想と反して、２つの金属中心間の距離が大きい OPEN構造の方が、CLOSED構造よりも DNA切

断活性が大きいという結果が得られた(OPEN: 80%, CLOSED: 32%)。これは、CLOSED構造におけ

る２つの金属中心の接近による効果よりも、OPEN構造において、表面電荷が正であるタンパク質部

分構造と DNA との相互作用が優ったため（すなわち、酵素反応における「Km駆動型」）と考えられる。

なお、OPEN/CLOSEDで DNA切断機能に顕著な差があったことから、pHの変化で、表面電荷を最

適化すれば、切断活性制御の逆転が期待できる。

Figure 3. Regulation of Cu(II)-catalyzed DNA cleavage on the surface of adenylate kinase

４．まとめ

上述の例の他に、右に示すようなタンパク質のシステイン残基に導入で

きる新規 Co(II)サレン錯体を開発し、Adktmへの導入も行った。このサレン修飾 Adktmは、CLOSED 構造において、可視領域における吸収スペクトル変化を示し、２つの金属中心の相互作用が示唆された。現在、還元剤存在

下、ハロゲン化アルキルの脱ハロゲン化についても条件検討を進めている。 アデニル酸キナーゼは本来 ATP/ADP/AMP 間のリン酸基転移を媒介する「酵素」であることから、これらの金属錯体を修飾することで、一分子で２種類の触媒反応を媒介する「dual enzyme」としての機能をもつ新しいタイプのバイオ触媒として期待される。

５．参考文献

(1) Matsuo, T.; Hirota, S. Bioorg. Med. Chem. 2014, 22, 5638. (2) Fujii, A.; Hirota, S.; Matsuo, T. Bioconjugate Chem. 2013, 24, 1218. (3) Fujii, A.; Sekiguchi, Y.; Matsumura, H.; Inoue, T.; Chung, W.-S.; Hirota, S.; Matsuo, T. Fujii, A. Bioconjugate Chem. 2015, 26, 537. (4) Panja, A.; Matsuo, T.; Nagao. S.; Hirota, S. Inorg. Chem. 2011, 50, 11437.

N NCo

O O

NI

O

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5

◆トピックス

【業績、報道、活動等の紹介】

論文表紙掲載：

• 水野哲孝氏（A01 班、東大院工・教授）、野崎京子氏(A01 班、東大院工・教授)ら

の共同研究論文（Chem. Commun. 2017, 53，5267-5270）が Front Cover に採用され

ました。（左図）

• 小池隆司氏（A02 班、東工大化生研・助教）らの論文（Chem. Commun. 2017, 53，

4681-4684）がBack Cover に採用されました。（右図）

学会案内：

本領域が協賛する第８回ハロゲン化学国際会議（実行委員長 A04 班 石原一彰氏）が開催

されます。ご発表、ご参加くださいますようお願いします(参加予約登録〆切:５月３１日)。

国際会議：HALCHEM VIII（第８回ハロゲン化学国際会議）

主催：HALCHEM VIII 実行委員会

協賛：新学術領域研究「精密制御反応場」等

会期：2017 年 9 月 12 日（火）～15 日（金）

会場：名鉄犬山ホテル&犬山国際観光センター「フロイデ」（愛知県犬山市）

討論主題：ハロゲン族（F, Cl, Br, I）の元素化学およびその応用に関する研究発表と討論

を目的とする。

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6

発表形式：招待講演、依頼講演、一般発表（ポスターのみ）

超原子価ハロゲン、ハロゲン結合、フルオロ化学などのハロゲン特有の性質に着目した元素

化学、有機合成化学、結晶工学、理論計算化学などの幅広い分野を対象とする。招待講演 26

件、依頼講演 15 件、一般発表（ポスターのみ）100 件程度を見込んでいる。優れたポスター

発表に対し、Young Scientist Poster Award や Chemistry Letters Young Award を授与する

（学生・ポスドク対象）。

参加登録予約申込締切：2017 年 5 月 31 日（水）（早割）

発表申込締切：2017 年 6 月 30 日（金）

予稿原稿締切：2017 年 6 月 30 日（金）

発表申込方法：HP よりお申し込みください。

https://www.ishihara-lab.net/japanese/halchem-viii/registration/

参加登録費：一般 30,000 円（早割）、ポスドク・学生 10,000 円（早割）、同伴者 5,000 円

（早割）

懇親会：名鉄犬山ホテル 10,000 円

参加登録予約申込方法：上記 HP よりお申し込みください。

申込先・問合せ先：〒464-8603 名古屋市千種区不老町 B2-3(611) 名古屋大学工学研究科 1

号館

HACLHEM VIII 実行委員会委員長 石原一彰, E-mail: ishihara@cc.nagoya-u.ac.jp

https://www.ishihara-lab.net/japanese/halchem-viii/

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【「精密制御反応場」領域内における測定機器の開放について】 新学術領域「精密制御反応場」では、共同研究の推進および各研究の支援を行うために、以

下のリストにある測定装置を領域内班員に優先的に開放しています。領域の研究推進のため

の共有機器と位置づけていますので、原則、機器使用料はかかりません。機器の設置機関に

赴いての直接測定、および、機器管理担当班員への依頼測定について、随時、受け付けてい

ます。測定希望サンプルがある場合には、各管理担当班員にお気軽にご相談ください。なお、

公募班員が共同研究実施に伴う機器使用のために出張する場合には、総括班経費にて旅費等

の支援を致します。事前に領域代表（真島）までご相談ください。

領域測定機器リスト（型式等）（設置機関：管理担当班員）：

1. 核磁気共鳴装置（日本電子 JNM-ECZ500）（東京工業大学：A02 班 岩澤）

2. ガスクロマトグラフ質量分析計（島津製作所 GCMS-QP2010）（北海道大学: A02 班 松永）

3. 電子スピン共鳴装置（Bruker EMXmicro）（大阪大学：A03 班 林）

4. 単結晶Ｘ線構造解析装置（リガク XtaLAB P200 MM007HF(Mo)）（大阪大学：A04 班 真島）

発行・企画編集 新学術領域研究「精密制御反応場」http://precisely-designed-catalyst.jp/

連 絡 先 領域代表 真島 和志 （mashima@chem.es.osaka-u.ac.jp）

広報担当 松永 茂樹（smatsuna@pharm.hokudai.ac.jp）