１．はじめに

　医薬品・プラスチック・液晶など、私たちの身のまわりには有機化合物があふれています。これらの有機化合物が望む機能を発現しているのは、それらの化学構造と密接な関係があります。したがって、望む機能を持つ有機化合物を生み出すためには、その構造を構築するための手段、すなわち化学反応の開発が不可欠です。1828年にドイツのヴェーラーらにより尿素がフラスコ内で化学合成されて以来、人工的に有機化合物を合成するための方法論が多く開発されてきました。21世紀になった今日でも新しい化学反応が続々と開発されており、不斉水素化および酸化・メタセシス・クロスカップリングなどノーベル化学賞の授賞対象となったものも多くあります。新反応の発見は既存の物質製造プロセスを効率化するだけではなく、それまで存在しなかった新物質の化学合成を可能とし、社会に大きなインパクトを与えてきました。一方で、既存の化学反応だけではスマート材料の創製・環境調和性・持続可能性、といった現代社会の要請に応えるためには不十分であるのも事実です。これらの難題を解決するためには19世紀から蓄積された有機化学反応の定石にとらわれない自由な発想に基づいた新反応の開発が必要であると私たちは考えています。本講演では、そのような私たちの取り組みの一端について紹介します。

２．安定化学結合の活性化

　化学反応とは原料分子が持つ化学結合を切断し、構成原子間で新しい結合を形成するというプロセスです。このプロセスを効率よく進行させるには、できるだけ弱い結合を切断し、より強い結合をつくることが必要です。したがって必然的に既存の化学反応の多くは、炭素－ハロゲン結合やパイ結合^[１]などの反応性に富む弱い結合を持つ化合物を用いるのが定石でした。一方、この定石は化学反応に利用可能な原料を制限し、化石資源など限りある炭素資源の利用を非効率なものにしているという側面もあります。有機化学の世界では、この問題を解決するためにそれまで反応性が低いと考えられていた炭素－水素結合^[２]を利用する化学反応が発見され有機化学反応の新しい定石となりました。一方、炭素－水素結合以外にも安定すぎるために有機化学反応に利用されていない化学結合は依然としてたくさんあります。私たちは、炭素－炭素や炭素－酸素結合などの多様な安定化学結合を直接反応させるための触媒の開発し、化学反応の原理的な多様化への道筋をつけました。たとえば、私たちが開発した炭素－酸素結合を切断する触媒を使うことで、これまでは炭素－ハロゲン結合を含む原料を用いる必要があった反応を、ハロゲンを含まないフェノールの誘導体を原料とすることができるようになります。このことはハロゲンを含む廃棄物を回避したり、化石資源ではなくバイオマス由来の炭素源の利用を可能にしたり、既存の有用物質の化学構造の修飾を可能にしたりと、ものづくりに様々な恩恵をもたらします。

　また、私たちは炭素－炭素結合を切断する化学反応の開発にも成功しました。炭素－炭素結合は分子の骨格を構成する安定な結合であり、選択的に切断して化学反応に利用することは通常容易ではありません。私たちはアミドというありふれた分子中の炭素－炭素結合を切断し、そこへ別の分子を挿入したり、あるいはアミド基を取り除いたりする化学反応を発見しました。これらの反応は、一旦つくった有機化合物の分子骨格を伸ばしたり縮めたりと後から改変するための技術を開発するための第一歩となる成果であると考えています。

３．貴金属を凌駕する典型元素触媒

多くの化学反応ではパラジウムなどの貴金属が触媒として利用されます。もし貴金属の代わりに、より豊富に存在する典型元素化合物^[３]を触媒として利用できれば希少資源への依存を低減することができます。しかし、それには学術的に大きなチャレンジを要します。貴金属に代表される遷移金属元素^[３]は価電子^[４]がｄ軌道^[５]に収容されるため複数の酸化状態が安定であり、分子を配位させる能力にも優れます。遷移金属の持つそれらの特徴が触媒としての機能発現の鍵となっています。一方、典型元素では価電子が存在するのはｐ軌道^[５]であるため上記のような触媒作用に必要な性質を一般に示しません。私たちは典型元素であるリンが貴金属に類似する酸化還元能を示し、一般に安定な３価の状態と高配位５価の状態の相互変換が可能であることを発見しました。このことを活用することで、３価のリン化合物が遷移金属と同様の酸化還元をともなった触媒作用を示すことを明らかにしました。例えば、このリンの酸化還元触媒作用を活用することで、フッ素化合物の炭素－フッ素結合を切断し、そこへアルキンを挿入するという新しい化学反応を開発しました。これらの化学反応は、貴金属を用いた場合でさえ困難であった化学変換であり典型元素が遷移金属以上の特異な触媒能を示し得ることを実証しました。

４．炭素原子１つを正確に埋め込む反応

私たちが有機化学を学ぶときに最初に教わるのがオクテット則です。炭素を基本構成単位とする有機化合物は炭素原子のまわりにある価電子数が８個になるように化学結合（共有結合）を形成します。しかし実際には価電子数が８個より少ない化学種も存在し、それらは有機化学反応において重要な役割を果たしています。価電子が７個である中性炭素種はラジカルとよばれ、ハロゲン化物などの安定な前駆体から容易に発生可能です。ラジカルはオクテット則を満たしていないため不安定ですが、裏を返せば高い反応性を示すということであり、ラジカル中間体を経由する様々な変換反応が有機化合物の合成において活用されています。同様に価電子が６個であるカルベンや価電子が５個であるカルバインという炭素種も知られており、それぞれ共有結合を２つあるいは３つ新たに形成できる化学種として有機化学反応で利用されています。電気的に中性な炭素化学種の中で価電子数の最も少ないのは炭素原子です。炭素原子は価電子を４つしか持たないことから予想されるとおり、極めて不安定な化学種です。それゆえ選択的に反応させることは困難ですが、一挙に４つの共有結合を形成可能な魅力的な反応中間体ともいえます。実際、アーク放電によりグラファイトから発生させた炭素原子がべンゼンなどの有機化合物と特異な反応を起こすといった報告は古くからありました。しかし、複数の生成物を与えるうえに収率は１％未満と、そのままでは有機合成反応として利用することはできませんでした。合成化学者に利用しやすい熱や光のエネルギーにより分解し、炭素原子を放出する分子もいくつか報告されていますが、裸の炭素原子の高すぎる反応性を制御し、有機合成反応として利用するには至っていません。最近私たちは、炭素原子に比べるとはるかに安定な有機化合物であるＮ-ヘテロ環状カルベン^[６]（以下、ＮＨＣ）を炭素原子等価体として用い、炭素原子１つだけを原料分子に選択的に導入する反応を発見しました。具体的には、カルボン酸とアミンとの反応により簡単に手に入るアミドという化合物に対してＮＨＣを反応させると、炭素原子一つだけが選択的に取り込まれγ－ラクタムという環状の化合物が得られるということを発見しました。この反応では、一つの炭素中心に対して４つの共有結合が一段階で形成されます。「単純な構造の原料から複雑な分子構造をいかに効率よくつくるか」ということは、有機化学における永遠の課題の一つです。本反応はそのための全く新しいアプローチとなると私たちは考えています。

５．おわりに

私は小学生のころ、当時はやっていたロボットアニメのプラモデルを作るのに熱中していました。市販のキットを単に作るだけではなく、細部に手を加えていかによりカッコよく仕上げるかに苦心していました。研究者となった今でも分子の世界で同じことをやっている気がします。化学は構造と性質の関わりを明らかにする学問です。紙と鉛筆さえあればいくらでも自分で好きな構造を想像し、デザインすることができます。また、大がかりな装置などなくても昔ながらのフラスコや試験管を使って、自分が描いた構造を実世界で創れるかどうかを試すことも比較的簡単です。このお手軽さに反して、ひとたび創造された一つの分子や物質が世界を一変するような力を持っているかもしれないのです。こんなワクワクする化学の世界に一人でも多くの人が興味を持つきっかけになればと願っています。