有機結晶のみぎひだり・

1. は じ め に

高橋弘樹拿＊

については、いまだ未知の部分が多く興味

私が有機結晶の研究をはじめたのは、博が持たれる分野である。有機分子のキラリ反応のメカニズムの研究を行なっていた。

類すことができる（図 1) 。炭素の四本の結士課程に入ってからでそれまでは有機合成

ティーは、その構造により主に 3 種類に分結晶の右も左も分からぬまま研究を始め、合に異なる原子団が存在する場合（上）、環り、いささか周りの状況が見えたきた様に（中）、分子中の回転軸がかさ高い原子団に状の化合物等に見られる面性キラリティー

自分で単結晶の構造解析を行う ようにな思える。結晶の解析後に分子の姿が手に取よってその回転が規制されることによってるように分かるのは、いつも新鮮でとても生じる軸性 キラリティー（下）である。

キラル化合物は今日の医薬、農薬、化学、組むことにより知ることができる。しかしその需要は年々増大する傾向にあり、いか結晶を構成する分子構造から 一義的に決定分子がキラルであるか否かはその模型を感動的である。

結晶の場合、不斉結晶であるか否かをその物理の各分野において必要不可欠であり、すること困難である。それは結晶が不斉でに安く大量に光学純度の高い物質を入手するか様々な研究がなされている。この入手法にはラセミ体を結晶化や光学活性カラムなどにより物理的に、または酵 素などを用いて化学的に分離分割する方法と、キラル触媒を用いて不斉分子を匝接合成する方法などがある。不斉合成反応は多くの研究者

三／疇ごにより開発されてきた。折しも、 2001 年のノーベル化学賞は「キラル触媒による不斉酸化反応および不斉水素化反応」に対して贈られた。現在、分子のキラリティーに関Aする研究分野は大きな広がりを見せている。

2. 分 子 と 結 晶 の キ ラ リ テ ィ ー

有機分子のキラリティー（掌性）は、生命現象と切り離す事の出来ない璽要な性質の一つであり、生命のキラリティーの起源

図1

分子のキラリティーの種類..)京都大学大学院人間・環境学研究科〒 606‑8501 京都市左京区吉田 二本松町

(11)

海 洋 化 学 研 究 第 15 巻第 1 号 平 成 14 年 4 月

あるためにはキラルな分子で構成されてい（半面体）が生成することを発見し、これをる必要はなく、アキラルな分子（分子内にルーペとピンセットを用いてより分け、両不斉となる要素がない）でも不斉結晶を生工ナンチオマーを分割することに成功し成する場合があるためである。（注：単結晶た。これが不斉結晶（ラセミ混合物）の光がとる空間群は結晶系と対称操作の組み合学分割（自然分晶）の最初の例である (2] 。

斉結晶になる空間群は 65 種類であり、この結晶が十分に大きく成長し、その半面体を化合物では、分子に不斉が存在しない SiOZあった。しかし、多くの結晶の場合、不斉わせにより 230 種類存在する。この中で不いずれかである必要がある。）

例えば無機

この酒石酸アンモニウムナトリウムの様に区別できた事は Pasteur にとって幸運での結晶が右水晶、左水晶として存在するこ結晶を目視で区別できるほどの大きく成長においてもグリシン、尿素やフェノールが弟子である Gernetz は自然分晶するラセミ分子内にらせん構造を持つ不斉結晶を生成を少贔加える（接種）ことにより、これととが広く知られている。同様に有機化合物不斉結晶を生成する [1] 。これらの化合物はさせることは困難である。そこで Pasteur の体の過飽和溶液に、 一方の光学活性体結晶同じキラリティーを持つ高光学純度の結晶する。分子が溶液中から三次元に規則正しく集合する結晶は、その形成に伴い様々な興味深い現象を示すことがある。

その一つが、結晶化（再結晶）を利用した光学分割である。古典的な再結晶による光学分割は Pasteur によって行われ、結晶をルーペとピンセットで取り分けた話は余りにも有名である。

を優先的に析出させ光学分割を行う方法（優先晶出法、図 2) を考案した (3] 。以後、優先晶出法によるラセミ混合物の光学分割の工業化に道を開いた。

3. ラセミ結晶の結晶形態と光学分割

1848 年、 Pastem しまラセミ体の酒石酸アン

ラセミ結晶[ ( + ）、（‑ ）エナンチオマーから成る結晶 lを再結晶により光学分割を行う

化させると、 一対の鏡像関係にある結晶セミ結晶の形態は、構成する( + ) 、（‑ ）エナモニウムナトリウムを 28℃でゆっくり結晶ためには、その結晶形態が重要である。ラ

100%ee100%ee100%ee（低い ee)100%ee

図2Transactions of T h e Research Institute of
Oceanochcmistry Vol.15, N o.I, Apr.. 2002

優先晶出法による光学分割(12)

ンチオマーの配列の様式により 3 種類に分百数十種類が知 られているだけでその詳細(‑）エナンチオマーが対をなして配列した

このようにラセミ体の結晶形態を考慮すと類することができる（図 3) 。一つは（＋）

は分か っていない 。

結晶で（ラセミ化合物結晶）、これは有機化るならばラセミ化合物やラセミ混晶を再合物のラセミ結晶の中で約 90 ％ を占める結晶により光学分割することは原理的に不可能である 。 しかしこの例外が、 生塩、田最も 典型的な結晶形態である 。二つ目はラセミ混合物で、こ の形態は一つの結晶 が村らにより報告さ れた [4] 。こ の現象 （優先富化）は、先に 示 した優先晶出法とは全く(＋）または( ‑ ) エナンチオマ ーのみで構成される不斉結晶で、ラセミ体はこの不斉結晶逆で、結 晶ではなく溶液中に 一方の エナ ンチオマーが濃縮される（図 4) 。この新しいの等モル混合物である。こ の結晶形態 をも光学分割現象の特徴は、 (1) ラセミ体の再結つ化合物に限り、先に述べた優先晶出法が適用できる。この形態はラセミ結晶の約 10晶を行うと母液中でどちらか一方のエナンチオマーが最高 100 % ee まで光学富化が起％ を占める に過ぎない 。最後は混晶（固溶こる 。(2) この際する 析出する結晶は、 母液と逆 のキラリティー (5‑10 % e e ) を持つ 。と（＋）
体）と呼ばれる形態である 。混晶 は( ‑ ）エナンチオマーがランダムな組み合わせで結晶中に配列てしており、ラセミ体は(3) この析出した低光学純度の結晶の再結晶を行うと、母液は再結 晶前の結晶と同じ キ両エナンチオマ ーが等モル含まれている。
この結晶の 解析例は極めて少なく、現在、ラリティ ーに光学富化し、新たに析出する結晶は再結晶前のそれとは逆になる。 4) 種結晶を加える必要はない。

□□

また、この現象を 示す化合物の結晶を調べたところ、次の性質をもつことが明らかになっている。 (i) ラセミ体 の安定結晶形はラセミ化合物である。 (ii) ラセミ体には準安ラセミ化合物＞::) 11 C 三) C三王X コ＜＜王火コ＞ ＜二以二二）〉
く C D I I G : : > C三）乞＜） C D l l 0 :）王＜結晶（土）
1st<10 % e ec b c b l l 6 dっi

i

11ii

ラセミ混合物母液，R）
三) C王＜王火三＞ ＜） ＜三火三＞C=::::> C 三）
三
Xご＜王ンこD I I Cエ

こ CDIICDく::

11::::＞
主火
乞三 ＜C D C）::

混晶（固溶体）
図3

ラセミ結晶の 結 晶形態

100%ee< 1 0 o/oee

母液，RI

I Oo/oee

百晶，互」し竺堕心2nd結晶，S
3rd￨結晶，R￨

4th結晶， S

100%ee<10%eeI I 母液，S100%eeI <10%ee

100%ee

図4(1 3)

優先富化現象による光学分割
海 洋 化 学 研 究 第 15 巻第 1 号 平 成 14 年 4 月

定な混晶が存在する。 (iii) 非ラセミ体の安定なる結晶が得られると説明することができす結晶多形に起因していると示唆される。
この現象のメカニズムは、結晶解析、熱分移が鍵となっているが、この多形は分子の配座が異なるのではなく、分子間の相互作は雑誌等に報告しているのでそちらを参照してもらいたい [5]。

段階では同じキラリティー分子の会合（ホモキラルな相互作用）が起こり、結晶の成。
る
先にも述べたが優先富化現象では多形転結晶形は混晶である。
、ii) に示
この光学分割現象は、上記 の(i)（用が異なる結晶形態間（混晶 ーラセミ 化合物）の多形である。 これは結晶生成の初期析等の実験結果を基に、結晶生成時の多形転移を鍵とした機構を提唱した。その詳細

長過程で異なるキラリティー 分子の会合（ヘテロキラルな相互作用）に転移する。つ4 . 結晶多形と Ostwald の 段 階 則
結晶多形は有機結晶にはありふれた現象で、結晶化の条件（温度、濃度、溶媒等）がまり、溶液中ではホ モキ ラル、結晶ではヘテロキラルな相互作用が安定であることを意味する。この様な結晶形態間の多形転移変わると、構造が異なる 2 種類以上の結晶が生成することを指し、これらの結晶の物は非常に稀な現象である。

結晶が生成するプロセスは、はじめに溶媒和された単分子または数個の集団が凝集性（融点、溶解度、屈折率等）も互いに異なる。

してクラスターを形成し、その後結晶核の生成、結晶成長という過程をとる。この過結晶が析出する際の経験則としてOstwald の段階則が知 られている (6]。これ程での分子認識がその後の結晶形態を左右する 。ラ セミ体が結晶核を生成する際ヘテは、「最初に 析出する結晶は、速度論的に生成した準安 定な結晶であり、それが段階的により安定な結晶に転移し、最終的に最もロキラルな分子認識が優先的に起こり結晶成長が進むとラセミ 化合物になり、ホモキ安定な結晶に転移する（図 5) 。」というもラルな分子認識[ (+) と（＋）分子または( ‑ ) と分子）が集合するとラセミ混合物となる 。
(‑）のである。 この経験則か ら結晶多形現象を考えると、結晶化の条件が変化 すると分子また、互いに認識することない分子が結晶化すると混晶が生成することになる 。ここで、の安定配座も変化する 。このため構造の異ラセ ミ結晶の結晶形態

でラセミ 化合物が多い

八
安定世準安こし口こ：という事実は、結晶生0成の際、ヘテロキラルな分子認識が多く起こるためと考えられる。

しかし、解析に用いら準安定形 IV
最安定形．
大
図5O s t w a l d の段階則（模式図）

Transac tions of T h e R esearch In stit ut e o f
Oceanochemistry V o 1.1 5, N o .1, A p r.，2002(1 4)れる結晶は良質であること が 求 め ら れ る ため、非常にゆっくりと結晶成長を行うケ ースがほとんどである。このため結晶解析で得られる構造は熱力学的様々な現象をもたらす一因なっていると考Ostwald の段階則で示唆される速度論的にが無いものと考えがちであるが、結晶が生に最安定な結晶構造である。先ほど示したえられる。結晶は規則正しく配列し、動き生成する準安定結晶は、得られても脆弱で成する際にはその構造を刻々と変化させて

しかし現在では、単結晶の構造解析は技術い将来訪れると期待したい。

測定することが可能になってきた。これに参考文献

質も十分では無いため解析が困難である。

的に大きく進歩し不安定な結晶でも迅速により準安定な結晶を解析することが出来れば、結晶形態間での多形についてより多くの知見が得られるはずである。

5. ま と め以上のように分子が集合し結晶を生成する際、結晶または溶液中に 一方のエナンチオマーが高純度に濃縮される場合がある事を示した。この現象が自然界で起こってもなんら不思議はなく、生命がどのようにキラリティ ー獲得したかという解答の一助になると考えられる。また、有機物にありふいる。この姿を捉えることが出来る日が近[l] J. Jacques, A .Collet, S. H. Wilen, E nanti‑omers, R acemates and R esolulion, Wiley,(1981), N e w York.

[2] L. Pasteur, Ann. Chim. Phhys., 2 4, 442‑459, (1848) .

[3] M. C. R. Gernetz, H e b d.Sances Acad.Sci.,
6 3,843, (1866).

(4] T . Ushio, R. Tamura, H . Takahashi, N .
A z u m a ,K. Yamamoto, Angew. C h e m. Int.

Ed. E n gl., 3 5,2372‑2374 (1996).

(5] 田村(2001):

優先富化現象ー結晶構造と多形転移ー、日れたラセミ体の溶液中での相互作用は、条件により変化する曖味さが存在する。この類、高橋弘樹、生塩孝則

本化学会誌， 2, 71 ‑82.

(61 W . Ostwald, Grundriss der Allgemeinen

Chemie, (1899), Leipzig.

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溝 洋 化 学 研 究 第 15 巻第 1 号 平 成 14 年 4 月