天然物を利用した円偏光発光分子の新規合成法～２量体骨格の配座を制御して強力な円偏光発光を示す分子群を効率よく合成～

2024-01-22 東京大学

本田丞（化学専攻博士課程）
緒方大二（東京理科大学博士課程）
鶴井真（北海道大学博士課程）
吉田知史（東京大学大学院工学系研究科博士課程）
佐藤宗太（東京大学大学院工学系研究科特任教授）
村岡貴博（東京農工大学教授）
北川裕一（北海道大学准教授）
長谷川靖哉（北海道大学教授）
湯浅順平（東京理科大学教授）
大栗博毅（化学専攻教授）

発表のポイント

アミノ酸から化学合成した天然物骨格と芳香族クロモフォアを4連続の薗頭カップリングで連結し、高輝度な円偏光発光を示すキラル8の字型マクロ環状分子群の新規合成法を開発した。
2量体型天然物骨格を適切に化学修飾することで柔軟な配座を合理的に制御し、一般に合成が困難なねじれた8の字型のマクロ環を効率良く構築する合成プラットフォームを実現した。これにより、交差する芳香族クロモフォア同士の角度・距離・長さを自在かつ精密に制御しながら、実際に強力な円偏光発光を示すマクロ環状有機分子を創り出すことに成功した。
キラルカラム等による光学分割を必要とせず、発光特性を自在に改変できる本手法は3Dディスプレイやセキュリティインク、バイオイメージング分野への応用が期待される。

天然物を利用した円偏光発光分子の新規合成法

発表概要

東京大学大学院理学系研究科の本田丞大学院生、大栗博毅教授は、東京理科大学大学院理学研究科の緒方大二大学院生、湯浅順平教授、北海道大学大学院総合化学院の鶴井真大学院生、同大学大学院工学研究院の北川裕一准教授、長谷川靖哉教授、東京大学大学院工学系研究科の吉田知史大学院生、佐藤宗太特任教授、および東京農工大学大学院工学研究院の村岡貴博教授らと共同で、キラル^（注1）な天然物骨格を基盤とした分子設計により、強力な円偏光発光を示すキラルD₂対称性8の字型マクロ環を簡便に合成しつつ、芳香族クロモフォア^（注2）を自在に改変できるモジュラー式合成^（注3）プラットフォームを開発した。主にsp²炭素で構成されるキラルな芳香族化合物を用いる従来の合成法の多くでは、光学活性なマクロ環を得るためにキラルカラム等での光学分割が必要不可欠であり、キロプティカル特性^（注4）を有する有機分子創製のボトルネックとなっていた。

大栗らは、ロウバイ科植物 (Chimonanthus praecox) から得られるキモナンチン等に代表される二量体型天然物に着目した。これらの天然物は、キラルなC₂対称型二量体型含窒素縮環骨格［ビスピロリジノインドリン(BPI)］を有する。本研究では、アミノ酸の一種であるL- (D-)トリプトファンからBPI骨格をグラムスケールで簡便に合成し、種々の芳香族クロモフォアを4連続の薗頭カップリング反応^（注5）で一挙に連結させ、D₂対称性を有するキラルな8の字型マクロ環状分子をワンポット合成^（注6）で構築することに成功した。14〜66員環構造を有する8の字型マクロ環を系統的に合成し、互いに交差する芳香族クロモフォアの角度・距離・長さを精密に制御するモジュラー式合成プラットフォームを開発した。これにより、骨格や立体化学を改変したD₂対称型キラル8の字型マクロ環を自在に合成し、有機分子として非常に優れた円偏光発光効率を示す32員環マクロ環を創り出すことに成功した(図1)。天然物化学と材料化学を融合した本アプローチは、ほぼ独立して発展してきた両分野の架け橋となるユニークで重要な成果である。

本研究成果はAngewandte Chemie International EditionのFront Cover に選出されました。

図1：8の字型マクロ環形成に適した天然物骨格を活用した円偏光発光分子群の創製

発表内容

強力な円偏光発光を示す有機分子は、3Dディスプレイやセキュリティインク、バイオイメージングへの応用が期待されている。近年、大きな異方性因子 (g_lum) ^（注7）を示す有機分子としてD₂キラル対称性8の字型分子が注目されており、ビナフチルやヘリセンなどのキラルC₂対称性芳香族化合物を構築ブロックとした合成研究が盛んに検討されている。しかし、これら従来の合成アプローチでは、光学活性な分子を得るためにキラルカラムを用いた光学分割等が必要となるケースが多い。また、優れた円偏光発光特性を有する有機分子の開発においては、8の字型分子の異方性因子 (g_lum値) と発光量子収率 (Φ_fl)^（注8）が原理的に反比例する関係にあり、ねじれた分子のトポロジーとπ電子共役システムのサイズとの最適なバランスを見つける必要がある。

大栗らのグループでは、優れた発光特性を有する芳香族クロモフォアを組み込み、8の字型にねじれたマクロ環状骨格群を迅速かつ系統的に創出するためのモジュラー式合成プラットフォームを開発した。本研究では、ビスピロリジノインドリン(BPI)骨格の2つの芳香環にアセチレンを導入したキラル二量体型スキャフォールドを設計・合成した。C₂対称型二量体型構造をもつBPI骨格では、上下の単量体ユニットがsp³炭素で連結され、その中心結合が自由回転する配座特性を持つ。柔軟な配座を有するBPI骨格に適切な置換基を導入して、マクロ環形成反応に有利な配座に予め制御しておく分子設計が8の字型骨格を効率よく構築するために重要であった。BPI骨格の4つの窒素原子上にそれぞれBoc基を導入した基質では、アルキンのホモカップリングで24員環を形成するマクロ環化反応が高い効率(収率64%)で進行した。一方、Boc基をCO₂Me基に変更した基質や、エステル部位をリンカーを介して連結し中心結合の回転を抑制したラクトン型基質ではマクロ環化反応がほとんど進行しなかった。X線結晶構造解析や円二色性 (CD) スペクトル、DFT計算から、これら3種類の基質は異なる配座をとり、4つのBoc基を導入した環化前駆体では、8の字型のマクロ環形成に最適な配座特性を有していることが分かった。

図2：環化前駆体（3種類）の配座特性を踏まえた8の字型マクロ環状分子の構築

4つのBoc基を導入しアセチレンを連結したBPI骨格を有する環化前駆体と種々のジヨードアリール類との4連続の薗頭カップリング反応により、14から66員環骨格を有するキラルなマクロ環状分子群の構築に成功した。今回開発したモジュラー式合成プラットフォームでは、直線型の芳香族発光ユニットのみならず、折れ曲がった造形のクロモフォアや凝集誘起型発光^（注9）を示すユニットについても自在に導入することができた。

図3： 4連続薗頭カップリング反応によるD₂対称性8の字型マクロ環状分子群の合成

本反応で合成したキラルなマクロ環状分子群は、有機分子として高輝度な円偏光発光を示し、中でも32員環骨格を有するD₂対称性8の字型分子が最も強力な円偏光発光を示した。SPring-8の放射光を用いた結晶構造解析により、ねじれた8の字型構造を有する3次元構造を明らかとした。円偏光発光効率を示す異方性因子 (g_lum値) はシクロヘキサン中で最も高い値(0.011)を示した。また、発光量子収率も72%まで向上し、検出可能な円偏光発光特性の指標となるB_CPL値が480 となり、8の字型有機分子として最大級の値を示すことを見出した。

入手容易なアミノ酸(L/D-トリプトファン)から両鏡像体を簡便に大量合成できるキラルなBPI骨格を基盤として、D₂対称性8の字型マクロ環状分子群の円偏光発光特性を自在に改変できる本手法は3Dディスプレイやセキュリティインク、バイオイメージング分野への応用が期待される。

論文情報

雑誌名 Angewandte Chemie International Edition論文タイトル Rapid Synthesis of Chiral Figure-Eight Macrocycles Using a Preorganized Natural Product-Based Scaffold 著者 Tasuku Honda, Daiji Ogata, Makoto Tsurui, Satoshi Yoshida, Sota Sato, Takahiro Muraoka, Yuichi Kitagawa, Yasuchika Hasegawa*, Junpei Yuasa*, Hiroki Oguri* (* 責任著者) DOI番号 10.1002/anie.202318548

研究助成

本研究は、以下の助成金によって実施されました。
・JSPS科研費 (JP22H00346, JP22H02847)
・内藤記念科学研究助成金
・旭硝子財団研究助成金
・(本田丞)JST 次世代研究者挑戦的研究プログラム JPMJSP2108
X線結晶構造解析実験は以下のSPring-8課題枠で実施されました。
・BL26B1ビームライン　課題番号：2021B1512・2022A1551