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天然物の全合成研究

ジャガイモシストセンチュウふ化促進物質の化学合成
Chemical Synthesis of Hatch-Stimulating Agent of Potato CystNematode北海道大学

キ ーワード

01

大学院理学研究院 教授

谷野 圭持

Keiji Tanino (Professor)
Faculty of Science, Hokkaido University

全合成、炭素環、環化反応

シストセンチュウふ化促進物質の化学

1-1. ジャガイモシストセンチュウの生活史

ジャガイモシストセンチュウ（Potato Cyst Nematode：以下、PCNと略す）
は、ジャガイモの根に寄生してその収穫に打撃を与える体長1ミリメートルほどの線虫である（図1, 2）。その起源はジャガイモと同じく南米にあるが、PCNの生息域は国境や海洋を超えて拡大し続け、世界的な食料問題をもたらしている。PCNは、以下に述べる特殊な生活史を持つことから、その駆除は極めて困難な課題とされている。カイコの幼虫が桑の葉のみを摂食するように、PCNはジャガイモやトマトなどナス科植物にのみ寄生することができる。卵からふ化したPCNは寄主作物の根に体ごと侵入し、栄養を摂取して成長する。交尾を終えて体内に数百個の卵を内包したメスは、球状に膨れあがって根からはみ出し、やがて死んでミイラ状の殻（シスト）となる（図図3

ジャガイモの根からはみ出したPCNのシスト

1-2. シストセンチュウふ化促進物質の発見

休眠状態にあるシストセンチュウの卵は、寄主作物の根から3）。収穫後の畑に残存したシストは，その硬い殻で乾燥・低温や分泌される特定の物質を感知してふ化する。この現象を初めて殺虫剤から卵を保護し、寄主作物が植え付けられるまで10年化学的に解明したのが、北海道大学理学部の正宗らである。彼

以上も休眠状態を続ける。

らは、PCNの近縁種であるダイズシストセンチュウを研究対象とし、インゲン豆の乾燥根から得た抽出物を原材料として、ふ化促進物質を探索した1)。最初に得られる抽出物は、多種類の有機化合物を含む混合物である。これをクロマトグラフィーで分離し、得られた画分の各々に対してふ化活性を測定する。活性を示した画分をさらに別種のクロマトグラフィーで分離し、各画分のふ化活性を測定する。このような作業を延々と繰り返した末に、100キログラム以上のインゲン豆の乾燥根から50マイクログラムの有機化合物が単離され、グリシノエクレピンAと命名された（図4：左）。そのふ化促進活性は極めて強力であり、水1ミリリットルあたり1ピコグラム（ドラム缶1杯の水に対して0.2マイクログラム）の低濃度で効果を示した。グリシノエクレピン
Aの分子構造を決定後2)、同グループの村井らが最初の化学合成に成功し3)、合成品が天然物と同等の活性を示すことを明らかにした。これら一連の研究は、自然科学研究の最高到達点の図1（左） PCNの拡大写真。本来は無色であるが、緑色に染色されている一つといえるものである。この先駆的研究に続いてPCNのふ図2（上） PCNの被害を受けたジャガイモ。
成長の途中で既に枯れ始めている

Mulderらによりジャガイモの水耕栽培液からソラノエクレピン化促進物質が探索された結果、1990年代に入ってオランダの17THE CHEMICAL TIMES

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Aが発見された4)。その分子構造はX線結晶解析によって決定さ酸と共に加熱すると、エノールエーテル部位の加水分解およびれ5)、グリシノエクレピンAと共通する部分構造を含むものの、分子内アルドール縮合が連続的に進行し、双環性エノンが得らそれより遥かに複雑なものであることが明らかとなった（図4：れる。環化体は、メチル基とシアノ基に関するジアステレオマー

右）。特に、トランスヒドロインダン骨格上に4員環が架橋したト1aおよび1bの混合物であるが、Luche還元を経て酢酸エステ（図4に赤色で表示された部分）
リシクロ[5.2.1.0 ]デカン骨格1,6が特徴的である。

ルに変換し、この時点で再結晶を行うことで、単一のジアステレリパーゼによる速度オマーrac -5を得ることができた。次いで、論的光学分割に付して、ソラノエクレピンAの鍵中間体(+)-5が10グラムスケールで供給可能となった。
2-2. エポキシニトリルの環化反応を鍵とする分子右側骨格の構築

次なる課題は、ヒドロインダン骨格の核間位への立体選択的なビニル基の導入である。最初に、ジアゾエステル6の分子内
図402

グリシノエクレピンAとソラノエクレピンAの分子構造式コキシド導入を立案したが、6の環化反応は全く進行しなかった（図7：上段）。さらに、検討を尽くしてシクロプロパン構築を試

ソラノエクレピンAの全合成研究みた結果、エノン1aに共役付加反応によりビニル基を導入し、生じたエノールシリルエーテル8をスルフェニル化する方法を見出した（図7：下段）。なお、ビニル基の共役付加は、メチル基お2-1. シクロペンテンアヌレーション法の開発

よびシアノ基との立体反発を避けてβ面から選択的に進行して構築するかが、ソラノエクレピンAの全合成上の最重要課題とニル基の共役付加体8が問題解決の決定的なヒントを与えるこなる。筆者らが本研究に着手した時点で、ソラノエクレピンAのととなった。すなわち、ビニル基をこの位置に導入しておき、こ全合成は達成されておらず、分子内光[2+2]付加環化反応によれを1,2-転位によって核間位に移動させるという戦略である。

この特徴的なトリシクロ[5.2.1.01,6]デカン骨格をいかにしてるモデル合成が報告されているのみであった。これに対して筆いる。最終的に、9から先の変換には成功しなかったものの、ビ

まず、(+)-5の酸素官能基を3工程でトランスポジションし、エ者らは、Storkにより開発されたエポキシニトリルの分子内環化ノン10を合成した（図8）。ビニルセリウム試薬との付加反応はエポキシド反応6)を基軸とする合成戦略を立案した。すなわち、β面から進行し、生じた3級アルコールの環内アルケンを立体とシアノ基を合わせ持つトランスヒドロインダン誘導体に塩基選択的に酸化してエポキシアルコール11とした。セミピナコーを作用させて、4員環を構築する計画である（図5）。
筆者らはまず、以下のシクロペンテンアヌレーション法を開発
7)。すなわち、し、双環性エノン1の大量供給法を確立した（図6）

エノールエーテル部位を有するニトリル2から調製したアニオンとエノン3の共役付加反応を行い、生じたエノラートを無水酢酸で捕捉してエノールエステル4を合成する。次に、4を希塩

図5

ル転位反応は、2,6-ルチジンおよびTMSOTfの存在下で円滑に進行し、one-potでのシリル基除去を経て、目的のトランスビシクロ骨格を有するケトン12の合成に成功した。次いで、ケトンの還元、水酸基の保護、およびm CPBA酸化を経てエポキシニトリル13に変換し、LDAを作用させて分子内環化反応を行った。反応は極めて円滑に進行し、one-potでのシリル化を経てエポキシニトリルの分子内環化によるトリシクロ[5.2.1.01,6]デカン骨格の構築

図618

シクロプロパン化反応と、3員環開裂を伴う環化体7へのアルシクロペンテンアヌレーションによるヒドロインダン骨格の構築

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図7

シクロプロパンを経由するトランスヒドロインダン骨格構築の検討

図8 ソラノエクレピンAの分子右側骨格の構築

望みの4-exo環化体14がほぼ定量的に得られた。ニトリル部位をDIBAL還元してアルデヒドとし、Honor-Emmons反応を2-3. 分子内Diels-Alder反応による分子左側骨格の構築

後半の課題は、分子左側の6-7縮環骨格の構築である。渡経てアリルアルコール15に変換した。シクロプロパンの立体選

環エーテルを有する6員環の構築には、フラン誘導体の分子択的構築には、光学活性ホウ素試薬存在下でSimmons-Smith

内Diels-Alder反応を適用することとし、フラン誘導体21から反応を行うCharette法 が有効であった。4員環上の1級アル調製したアニオンとアルデヒド20の付加反応を行った（図9）。

コール部位にGrieco-西沢法9)を適用してアルケン17に導き、フラン環上のシリル基除去と水酸基の保護を経て得た中間体

5工程で6員環上のシロキシ基をケトンに、5員環上のシリル基22は、8:1のジアステレオマー混合物であり、主生成物のC198)をベンジルオキシメチル (BOM) 基に各々変換した。ケトン18位の立体配置は天然物と逆のα配置であることが判明した。ことBredereck試薬の縮合反応で合成したエナミン19にトリフこで重要な点は、分子右側の縮環骨格の立体化学がアルデヒ

ルオロメタンスルホン酸無水物を作用させた後、加水分解しドの反応面に影響を与え、遠隔不斉制御が認められたことでて、右側セグメント20の合成を完了した。

ある。これにより、C19位の立体配置を利用した、分子内DielsAlder反応における反応面の制御が可能となった。

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クロスカップリングによるエノン側鎖の導入に際してminor貴重な原料26を50％回収することができた。

ジアステレオマー由来の成分は失われ、環化前駆体23がやや低収率で得られた。分子内Diels-Alder反応は、エーテル中で天 然 物の全 合 成 研 究

塩化ジメチルアルミニウムを作用させることで円滑に進行し、2-4. 不斉全合成の完成とPCNのふ化活性試験

最後の課題は、4員環上のメチレン基のケトンへの酸化、保護望みの立体異性体24が選択的に生成した。エノールエーテル基の除去、および側鎖上の１級アルコールのカルボン酸への酸部位を加水分解してジケトン25に導き、C19位水酸基をケトン化である（図10）。まず、アルコール27のC19位をTMS基で保に酸化した。さらに、2段階の酸化反応を経てエノン26に変換護した後、エキソメチレン基をオスミウム酸化してジオール28

後、C19位の立体選択的還元を試みたところ、通常の還元条件に変換した。過ヨウ素酸酸化を経て得たケトン29のベンジル基

ではC19位水酸基はα配置となってしまい、他のケトンの還元とベンジルオキシメチル基を同時に除去し、生成物を過剰量のが同時に進行した。唯一、DIBAL還元で目的のβ配置を有するTMSClでシリル化した後、少量の水を加えて撹拌すると、最も化合物が部分的に生じたものの、左側6員環ケトンが還元され空いた１級シリルエーテルのみが加水分解されてアルコールており、他の異性体との分離困難な混合物を与える結果となっ30を与えた。DMP酸化とPinnick酸化を行い、得られたカルボた。
しかし幸いなことに、これらの混合物をIBXにより穏やかなン酸31の立体構造をＸ線結晶解析により確認した後、酸性条件条件で酸化すると6員環のアルコールが選択的にケトンに変換下でTMS基を除去してソラノエクレピンAの初の不斉全合成をされることを見出した。これにより、目的物27が単離可能（26か完了した10)。

ら43%）となった上に、副生物をまとめてDMP酸化することで、

図9 ソラノエクレピンAの分子左側骨格の構築

図10 ソラノエクレピンAの不斉全合成

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図11

PCNふ化活性試験の顕微鏡写真。左：培養開始時。右：培養3週間後

通常の天然物合成では、合成品の融点や旋光度を天然物の謝辞

文献値と比較するが、ソラノエクレピンAは微量しか単離されてソラノエクレピンAの全合成研究において、開始時からご指導いないため、これらの物性値は未知であった。そこで、合成品のを賜りました北海道大学名誉教授の宮下正昭先生に感謝致し生物活性試験をもって全合成の証明に代えることとし、日本にます。また、北海道大学の大学院生として実験を担当してくれ数人しかいないシストセンチュウ専門家が所属する、農研機構た遠又慶英博士、高橋基将博士、戸倉弘嗣氏、合成品のふ化活の北海道農業研究センターに共同研究を依頼した。休眠状態性試験を担当して頂いた北海道農業研究センターの奈良部孝にあるシストを水中で注意深く破り、内包された数百個のPCN博士と植原健人博士に御礼申し上げます。

卵を懸濁状態とした後、合成品の希薄水溶液を加えて3週間培養を行う。この実験の結果、合成品は1×10–9 g/mLという低濃参考文献

度で顕著なふ化促進活性を示すことが証明された（図11）。

1） T. Masamune, M. Anetai, M. Takasugi, N. Katsui, Nature 297(5866),495-496 (1982).

032） A. Fukuzawa, A. Furusaki, M. Ikura, T. Masamune, J. Chem. Soc. Chem.
Commun. 4, 222-224 (1985).

終わりに

このように、筆者らはソラノエクレピンAの世界初の不斉全合成に成功した。この成果は学術的な高評価を得たのみならず、予想を超える社会的意義を持つことが明らかとなった。すなわ

3） A. Murai, N. Tanimoto, N. Sakamoto, T. Masamune, J. Am. Chem. Soc.
110(6), 1985-1986 (1988).
4） J. G. Mulder, P. Diepenhorst, P. Plieger I. E. M. Brüggemann-Rotgans,
PCT Int. Appl. WO 9302083, (1992).
5） H. Schenk, R. A. J. Driessen, R. de Gelder, K. Goubitz, H. Nieboer, I. E. M.
Brüggemann-Rotgans, P. Diepenhorst, Croat Chem Acta 72(2-3), 593606 (1999).

ち、
本研究が2011年にNature Chemistry誌に掲載されると、

6） G. Stork, J. F. Cohen, J. Am. Chem. Soc. 96(16), 5270-5272 (1974).

朝日、毎日、日本経済新聞などに報道されて広く反響を巻き起

7） K. Tanino, Y. Tomata, Y. Shiina, M. Miyashita, Eur. J. Org. Chem.
2006(2), 328-334 (2006).

こした。直後から、農業関係の専門紙誌や北海道内の農業団体からの問い合わせが相次ぎ、PCNによる被害の深刻さを筆者に実感させることとなった。
PCNはナス科植物以外に寄生することはできないため、他の作物を栽培中の畑にふ化促進物質を散布すれば、騙されてふ化した幼虫はやがて餓死するしかない。北海道農業研究セン

8） A. B. Charette, H. Juteau, H. Lebel, C. Molinaro, J. Am. Chem. Soc.
120(46), 11943-11952 (1998).
9） P. A. Grieco, S. Gilman, M. Nishizawa, J. Org. Chem. 41(8), 1485-1486(1976).
10）K. Tanino, M. Takahashi, Y. Tomata, H. Tokura, T. Uehara, T. Narabu,
M. Miyashita, Nat Chem 3(6), 484-488 (2011).
11）奈良部孝, 農業および園芸 83(5), 595-600 (2008).

ターの奈良部博士らは、
この環境調和型シストセンチュウ駆除法を以前から検討しており、ふ化促進物質としてトマトの水耕栽培液を用いた実験においてその有効性が確認されている11)。この背景と筆者らの合成研究を核として、平成24年度から農林水産省のレギュラトリーサイエンス新技術開発事業「ジャガイモシストセンチュウの根絶を目指した防除技術の開発と防除モデルの策定」が実施された。さらに現在、革新的技術開発・緊急展開事業（うち先導プロジェクト）として「ジャガイモシロシストセンチュウ等に対する革新的な新規作用機構の線虫剤開発」を推進中である。日本が世界を先導してきた天然物化学と天然物合成が、実社会に貢献する日が来ることを強く願っている。

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