計算手法により、光化学パラジウム触媒の最適な配位子を正確に予測し、アルキルケトンの新しいラジカル反応を可能にします。
ケトンは多くの有機分子に共通する成分であり、化学者は化学結合の形成にケトンを使用する新しい方法を継続的に探索しています。特に難しい反応の 1 つは、ケトンの一電子還元によるケチル ラジカルの生成です。これらのラジカルは反応性の高い中間体であり、天然物の合成や医薬品開発において重要な役割を果たします。
ただし、既存の技術のほとんどはアリールケトンに最適に機能しますが、単純なアルキルケトンの操作は依然として困難です。アルキルケトンの方がはるかに普及していますが、その化学構造により還元が大幅に困難になります。
この課題に応えて、WPI-ICReDD の有機化学者および計算化学者のチームが北海道大学は、アルキルケチルラジカルの生成に成功した新しい触媒法を開発しました。彼らの調査結果は、2025 年 10 月 20 日に、アメリカ化学会誌オープンアクセス研究として自由に利用できます。
WPI-ICReDDグループは、ホスフィン配位子と組み合わせたパラジウム触媒がアリールケトンとの光化学反応（輝く光によって活性化）を促進できることを以前に示した。ただし、このシステムはアルキルケトンでは機能しませんでした。彼らの実験では、最初はアルキルケチルラジカルが形成されるものの、さらなる反応が起こる前に、逆電子移動（BET）として知られるプロセスとして、すぐに電子をパラジウム触媒に戻すことが示されました。その結果、出発物質は変化しなかった。
計算化学が救う
従来のパラジウム触媒と同様に、光励起パラジウム触媒の反応性は、使用するホスフィン配位子の種類に大きく依存します。したがって、研究チームは、アルキルケトンに対する反応性を引き起こすことができる適切なホスフィン配位子を同定できるのではないかと仮説を立てました。
しかし、何千ものホスフィン配位子が知られているため、実験だけで未知の反応に最適なホスフィン配位子を特定することは難しく、時間がかかり、化学廃棄物による環境への負担も大きくなります。
研究者らは、計算化学を利用してこれらの問題を効果的に回避し、最小限の実験で最適なリガンドを効率的に探索しました。具体的には、WPI-ICReDDの松岡渉准教授と前田聡教授が開発した仮想リガンド支援スクリーニング（VLAS）法を採用した。 VLAS は、38 種類の異なるホスフィン配位子について、電子構造と立体構造に基づいてどの配位子が最も反応性を発揮できるかを予測するヒート マップを生成しました。
このヒート マップに基づいて、チームは実験テスト用に 3 つの有望なリガンドだけを選択し、最適なリガンドとして L4 であるトリス(4-メトキシフェニル)ホスフィン (P(p-OMe-C₆H₄)₃)。この配位子を用いることでBETを効果的に抑制し、アルキルケトンからケチルラジカルを生成することが可能となり、多彩な反応を高収率で実現できます。
この研究により、化学者はアルキルケチルラジカルの反応性に簡単にアクセスできるようになり、新しい化学反応を迅速に開発および最適化するための VLAS の有効性が強調されました。
参考文献：「光酸化パラジウム触媒によるアルキルケトンからのケチルラジカルの生成のための仮想リガンド支援スクリーニング」、田中耕作三世、山田蓮、Suvakar Debbarma、神奈渉、前津岡渉、前田聡、見田剛、2025 年 10 月 20 日、アメリカ化学会誌。
DOI: 10.1021/jacs.5c13115
助成：独立行政法人科学技術振興機構、日本学術振興会