ベルト構造を有する環状分子の精密合成法を開発

東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の野上純太郎大学院生、永島佑貴助教、田中健教授、理学院 化学系の植草秀裕准教授と、分子科学研究所の杉山晴紀助教、理化学研究所の村中厚哉博士、東京大学 大学院薬学系研究科の田中裕介大学院生、宮本和範准教授、内山真伸教授の共同研究グループは、ベルト型芳香族炭化水素^[用語1]の中でも未踏の分子とされた「シクロフェナセン^[用語2]」類縁体のボトムアップ合成^[用語3]と、「キラル型ベルト共役分子^[用語4]」の不斉合成^[用語5]を初めて達成した。

「シクロフェナセン」はベンゼン環が交互に縮環した構造を持つ、ベルト型芳香族炭化水素の代表分子である。その美しい構造は30年以上も前から提唱されていたものの、現代の有機合成技術をもってしてもボトムアップ合成が達成されていない夢の分子である。また、「キラル型ベルト共役分子」は不斉を有するベルト型芳香族炭化水素として、光学・色素材料への応用が期待されるものの、これまでに合成例がわずか1例しかなく、新たな合成法の開発が望まれていた。

本研究では、カチオン性ロジウム触媒^[用語6]によって芳香環を「組み立てる」芳香環構築反応^[用語7]を応用し、ベルト構造の輪を「閉じる」合成戦略を立案した。その結果、シクロフェナセン類縁体のボトムアップ合成とキラル型ベルト共役分子の不斉合成を達成し、これらの分子が有する蛍光特性や円偏光発光特性^[用語8]を明らかにした。また密度汎関数法^[用語9]を用いた計算化学的シミュレーションにより、立案した反応メカニズムを理論的に明らかにした。

今回の成果は、複雑な3次元芳香族炭化水素の合成にも広く適用可能であるとともに、キラル光学材料^[用語10]など機能性有機材料への応用が期待される。

研究成果はドイツ化学会誌「Angewandte Chemie International Edition」のHot Paper（編集委員が特に重要性を認めた論文）に選出、バックカバーピクチャーにも採用され、オンライン版が2月14日付で掲載された。

カーボンナノベルト^[用語11]に代表されるベルト共役分子は、美しい構造的外観や湾曲構造由来の特異な物性発現が期待される夢の有機化合物である（図1）。ベルト型の構造を持つ共役分子は非常に珍しく、その合成や物性評価が進めば、レアメタルなどの資源を用いない有機発光材料などの新素材・材料の開発につながる可能性がある。なかでも「シクロフェナセン」はベンゼン環が「交互に」縮環した構造をもつ代表的な分子である。六角形が交互に縮環した構造は美しく、炭素以外の原子（酸素原子や窒素原子など）に置き換わった類縁体も含めて広く合成の興味がもたれてきた。これまでにはC₆₀フラーレン^[用語12]を分解しながら、その過程でベルト型の分子を得るというトップダウン合成の例があったものの、小さな分子から組み上げていくボトムアップ合成は類縁体においても不可能であった。さらに、ベルト共役分子の中にはキラル光学特性が期待される「キラル型ベルト共役分子」というカテゴリーが存在し、合成法の確立と物性解明が求められている。しかし、そのボトムアップ合成は極めて難しく、これまでに1例しか報告されてこなかった。さらに「キラル型ベルト共役分子」は、ちょうど左手と右手の関係のような鏡合わせのペアが存在する面不斉という性質を有し、これらを作り分ける合成法（不斉合成）を確立することが、キラル物性の解明に向けた重要な課題であった。

シクロフェナセン類縁体やキラル型ベルト共役分子のように合成困難なベルト共役分子をつくるためには、緻密に反応を設計することが重要である（図2）。たとえば既存の合成法では、複数の芳香環同士を「つなぐ」ことを繰り返してベルトを形づくる戦略がとられる。しかし、今回の目標であるベルト型共役分子は分子の歪みが大きいため、ベルトの輪を「閉じる」ことができず、うまくいかない。さらに、不斉合成へと展開できないことも難点であった。

そこで本研究では、研究グループが有するカチオン性ロジウム触媒を用いた芳香環を「組み立てる」反応（芳香環構築反応）を中心とする合成計画を立案した。まず（1）柔軟な大環状の分子を合成し、その後（2）分子内で芳香環構築反応を用いることで、環を「組み立て」ながらベルトの輪を「閉じる」計画である。芳香環構築反応は大きなエネルギーを放出する発熱反応であるため、歪んだベルト分子の輪を「閉じる」ための十分なパワーを有していると考えた。

具体的にはまず、基礎骨格としてナフタレン^[用語13]環を有する2種類のナフタレンジオールを出発原料とし、（1）複数の反応を段階的におこなうことで、柔軟な大環状分子である環状ポリイン^[用語14]を合成。続いて（2）カチオン性ロジウム触媒を用いた芳香環構築反応によって、赤色と青色のアルキンをベンゼン環（芳香環）へと「組み立て」、ベルトの輪を「閉じて」いく。このとき、対称な構造を持つ環状ポリインからはシクロフェナセン類縁体が、非対称な構造を持つ環状ポリインからはキラル型ベルト共役分子がそれぞれ構築される。また、キラル型ベルト共役分子の面不斉は、ロジウム触媒上の軸不斉配位子^[用語15]によって精密にコントロールされるよう設計した。

対称な環状ポリイン 1に対してカチオン性ロジウム触媒を作用させたところ、分子内の4か所で芳香環構築反応が進行し、望みどおりのシクロフェナセン類縁体 2を得ることに成功した（図3）。その構造は単結晶X線構造解析^[用語16]により決定され（図3右）、6員環が20枚交互に並んだシクロフェナセン類縁構造が確認された。シクロフェナセン類縁体の溶液は緑色の強い発光を示し、良好な蛍光分子であることが明らかとなった。

続いて非対称な環状ポリインを原料として、キラル型ベルト共役分子の不斉合成をおこなった。こちらも望みのとおり、環状ポリイン 3からはP巻きのキラル型ベルト共役分子 4が得られ、環状ポリイン 5からはM巻きのキラル型ベルト共役分子 6を得られた（図4左下）。いずれのキラル型ベルト共役分子もロジウム触媒によって不斉が完全にコントロールされた。合成したキラル型ベルト共役分子の構造は単結晶X線構造解析で決定し（図4右）、4と6は確かに異なる不斉（P巻き／M巻き）を有していることがわかる。キラル型ベルト共役分子の特性は円偏光発光スペクトルなどの測定にて評価をおこない、良好なキラル光学特性を有することが明らかとなった。

最後に、密度汎関数法（DFT）を用いた計算化学的シミュレーションを行うことで、芳香環を「組み立て」ベルトの輪を「閉じる」戦略を理論的に解析した（図5）。同手法により反応中の化学構造・エネルギー推移を求めることで、分子が反応する様子をまるでスナップショットを撮るかのように追跡することが可能になる。シクロフェナセン類縁体の芳香環構築反応の反応経路を網羅的に計算で追跡することによって、中間体や遷移状態の構造を特定することに成功した。その結果、本研究で採用した芳香環構築反応は大きなエネルギーを生じ、それが駆動力となってベルト型共役分子の合成（輪を閉じる）が実現していることを、理論的に裏付けることができた。

今回の研究では、ベルト構造を有する環状分子の合成法として、芳香環を「組み立て」ベルトの輪を「閉じる」戦略を開発することで、これまで未踏の分子であった「シクロフェナセン類縁体」や「キラル型ベルト共役分子」の（不斉）ボトムアップ合成を達成した。

今後は、本成果で構築した合成戦略をさらに発展させることで、夢の分子である純正シクロフェナセンを含めた様々な3次元芳香族炭化水素の合成も可能になるのではないかと考えている。また、合成したベルト共役分子のさらなるキラル物性の解明とそれを用いた有機発光材料などへの応用が期待される。