ナノ構造配列制御を基盤とする光学活性材料の開発
山口大学

鬼工学部応用化学工学科

村謙二郎

Asymmetric synthesis of optically active compounds from prochiral substrate using chiral catalysts is a very
attractive methodology in organic chemistry. However, removal of the expensive chiral catalyst from the crude reaction
product after the completion of reaction is a tedious job. Polymer-supported catalysts are advantageous, as they can berecovered from the reaction product by simple filtration and can be reused, thus, making the process economically viable.
A study of the addition of ketoester to α, β-unsaturated ketones in the presence of cinchona alkaloids as chiral catalyst
has been reported. Polymer-supported cinchona alkaloids have been synthesized chemically. 2-Methacryloyloxyethyl
isocyanate (MOI) is a bifunctional monomer with both a reactive isocyanate group and a polymerizable double bond,and in convenient and widely used for crosslinking agents. It has been reported that in trans-carbamylation reaction
catalyzed by 4-N,N'-dimethylaminopyridine (DMAP), the secondary -OH group of cinchonine was carbamoylated by MOI.
This article describes the syntheses and polymerizations of new chiral cinchoninyl (2-methacryloyloxyethyl) carbamate(CIMOC) from 2-methacryloyloxyethyl isocyanate (MOI) and cinchonine. Radical homopolymerizations were performedwith AIBN as initiator in suitable solvent in a sealed tube at 60℃ . Number average molecular weights (Mn) of poly(CIMOC) were 2.6 〜 11.8×103. Specific optical rotations ([α]435) of poly (CIMOC) were +84.0°〜 0.72° in THF. Thepolymers obtained were tested for their efficiency in catalyzing the Michael addition of ethyl 1-oxo-2-indan carboxylateto methylvinyl ketones. The Michael adducts using poly (CIMOC-co-styrene) showed higher enantio excess (20％ ee)
compared to those obtained by using non-polymeric catalyst CIMOC (14％ ee) and poly(CIMOC) (13％ ee). This method
may be of importance in the synthesis of the compounds, where selectivity as well as mild reaction conditions is requiredby simultaneously replacing conventional catalysts with environment-friendly 'green catalysis'.

１．緒

高分子触媒を有機反応に用いることにより操作性を大幅に言向上することができ，反応の自動化も可能と成りえる。こ

天然蛋白質を構成するアミノ酸は主としてＬ体の α—アのような利点を持つ高分子試薬，高分子触媒の側鎖に光学ミノ酸である。α—アミノ酸は，化学合成法，発酵法，酵

活性部位，即ち不斉配位子を担持した高分子を合成し，不素法等により製造される。化学合成法は大量合成には適し斉合成反応に用いた場合，不斉源はほぼ定量的に回収されているが，ラセミ体が得られる。発酵法や酵素法では光学再利用することも可能となる。これら高分子触媒の性質を活性体が得られるが，多くの場合Ｌ体のみが得られて，Ｄ利用することで，省資源化，廃棄物の低減が実現でき，環体の合成は困難である。そのためＤ体の化学合成法の確立

境に優しい有機合成法と成りえる１，２）。

が急務となった。この問題の解決策として，不斉合成が考本研究では窒素の非共有電子対を利用した光学活性ルイえられる。従来の低分子不斉触媒は生成物の不斉収率およス塩基触媒としてシンコナアルカロイドを用いることとしび化学収率の向上を第一目標として開発され，幾つかの例た。また，重合性官能基と不斉触媒部位の連結する場合，は実用的レベルに達してきている。一方，高分子試薬また選択的に不斉触媒部位の特定官能基に導入する必要があは高分子触媒を有機反応に用いた場合，通常の低分子触媒る。この課題に対して本研究では重合性基と反応性基を合に比べ次のような利点が期待される。

わせ持つ 2—メタクリロイルオキシエチルイソシアネートⅰ）高分子触媒は主鎖構造，即ちモノマーや架橋構造の（MOI）を用いることにした（Fig. 1）。

有無により溶解性を制御することが可能であり，均一系あ２．実験方法るいは不均一系での不斉反応が行える。
ⅱ）さらに反応終了後，濾過等の操作により反応系から容易に分離でき，再使用もできる。したがって高分子試薬，
Synthesis of Optically Active Materials
Based on Nano Structure
Kenjiro Onimura
Department of Applied Chemistry& Chemical Engineering, Faculty ofEngineering, Yamaguchi University

２．１ シンコナニルメタクリロイルオキシエチルカ
ルバメート（RMOC）の合成３, ４）合成経路を Scheme 1 に示す。
窒素雰囲気下でシンコナアルカロイドとジブチルスズジラウラート（DBTDL）の THF 溶液に MOI を滴下し，40℃で 24 時間撹拌した。反応終了後，再結晶により精製を行い，無色の針状結晶として RMOC を得た。得られた
RMOC は 1H NMR，13C NMR，融点，比旋光度を測定し，構造を確認した。

−2−

ナノ構造配列制御を基盤とする光学活性材料の開発

Fig. 1

Scheme 1

Cinchoninyl（2-methacryloyloxyethyl）carbamate（CIMOC）：

ルエン溶液を加え，室温で 48 時間攪拌した。反応後，不Yield 75％ , mp 113-115.8℃ , [α]435 +110.4°（c=1.0 g/dL,斉触媒を除き，Michael 付加体を得た。Michael 付加体のl=10 ㎝ , THF）

光学純度は CHIRALPAK AD（hexane/2—propanol=9/1）

Cinchonidinyl（2-methacryloyloxyethyl）carbamate（CDMOC）：

にて測定した。

Yield 52％ , mp 143-144℃ , [α]435 +0.7°（c= 1.0 g/dL, l=10３．結果及び考察㎝ , THF）
Quininyl（2-methacryloyloxyethyl）carbamate（QNMOC）：
Yield 53％３．１ RMOC のラジカル重合による高分子不斉触媒の合成
本研究で使用する不斉触媒部位を有するモノマーはシン２．
２

高分子不斉触媒の合成

コナアルカロイドと MOI を触媒存在下で撹拌することに反応管に所定のモノマーを秤量し，所定の溶媒に AIBNより高収率で得ることができた。次に新規モノマーであるを溶解させた開始剤溶液を加え，60℃で 24 時間重合を行っ

RMOC の重合性と旋光性について検討した。Table 1 にた。重合後，大量のメタノールに投じて，さらにポリマーRMOC のラジカル重合の条件及び結果を示す。種々の溶を THF—メタノール系で再沈殿することにより精製した。

媒中において AIBN を開始剤として 60℃，24 時間重合を行った。Fig. 2 に CDMOC とそのスチレン（St）との共２．
３高分子不斉触媒を用いた不斉 Michael 反応重合体（poly（CDMOC—co—St））の 1H NMR スペクトル

不斉触媒とエチル 1—オキソ—2—インダンカルボキシレーを示す。重合は 6.04, 5.52 ppm の二重結合に由来するピート（EOIC）とのトルエン溶液にメチルビニルケトンのトクが完全に消失したことから，重合は完全に進行している−3−

Table 1 Radical polymerizations of CIMOC（M1）or CDMOC（M1）with St（M2）in THF（1mL）at 60℃ a

Fig. 2 1H NMR spectra for CDMOC and poly（CDMOC-co-St）（run 4 in Table 1）in CDCl3 at 23℃（270MHZ）と判断した。また，共重合体の組成比は 1H NMR スペクしたため重合が停止し，低分子量になった可能性があるが，トルから決定した。

肉眼で確認できる様なポリマーの析出は認められなかった。

得られたポリマーは殆どの有機溶媒には可溶であった

以前，DMF 中で得られた poly（CDMOC）は THF 中で得が，poly（CDMOC）のみは DMF 以外の溶媒には溶けなられた場合より分子量が大きくなることを報告している５）。

かった。ポリマーの数平均分子量（Mn）は 2.6 〜 11.8×

その結果 poly（CDMOC）の Mn は THF 中では 7300，DMF10 であり，CDMOC 系ポリマーより CIMOC 系ポリマー

中では 21400 と溶媒効果を大きく受けた。この原因は明らかの方が Mn は大きくなる傾向がった。poly（CIMOC）のではないが，分子内あるいは分子間で高分子側鎖が水素結合数平均分子量（Mn）が poly（CDMOC）より大きい理由

等の相互作用によりクラスターを形成し，接近するため重合として，重合中ある分子量以上の poly（CDMOC）が析出が阻害され，より極性の低い THF の方が低分子量になった

3−4−ナノ構造配列制御を基盤とする光学活性材料の開発

ガラス転移温度（Tg）と融点と帰属した。
poly（CIMOC）と poly（CDMOC）の THF 中での比旋光度はそれぞれ＋ 84.0°と＋ 0.72°であった。poly（CIMOC—co—St） の 比 旋 光 度 は ＋ 54.4 ° で あ り， 共 重 合 体 中 のCIMOC ユニットの重量比とほぼ一致した。一方，poly（CDMOC—co—St）の場合は CDMOC と St のシークエンスに大きく影響を受けた。

３．２

高分子触媒を用いた不斉反応への展開

シンコナアルカロイド類を用いた不斉反応として本研究ではシンコニジンのルイス塩基性を活かした Michael 付加反応について検討した（Scheme 2）。本反応終了後，濾過操作で触媒を回収でき，付加体はカラムクロマトグラフ
ィーにより精製した。回収された触媒は 1H NMR から反Fig. 3 DSC curves for（A）poly（CDMOC）（run 3 in Table 1）and（B）poly（CDMOC-co-St）（run 4 in Table 1）.
Heating from 30 to 250℃ at a heating rate of 5℃ min-1.

応前後で変化は認められなかった。エチル 1—オキソ—2—インダンカルボキシレート（EOIC）とメチルビニルケトンとのトルエン溶液に不斉触媒を添加することで行い，条件と結果を Table 2 にまとめた。

可能性がある。しかし本研究の目的の高分子触媒として使用

付加体の絶対立体化学は比旋光度の符号と既知の報告にする場合，反応後の処理を考慮して低沸点である THF に可より決定した 6）。モノマーの CDMOC を触媒と用いた場溶なポリマーを合成したほうが有利と考えられる。

合以外は付加体の化学収率は定量的であった。この収率低Fig. 3 に poly（CDMOC）および poly（CDMOC—co—下の原因はウレタン結合を側鎖に有する RMOC 及びそのSt）の熱分析結果を示す（run 4,5）
。poly（CDMOC）（A）

ホモポリマーは分子内または分子間で水素結合により複合

は 196℃に融点による吸熱が観られるが，相転移による吸体を形成すると考えらる３，４）。そのため不斉触媒の活性能熱ピークは観測されなかった。しかし poly（CDMOC—co—が塩基性の低下や立体障害により著しく阻害されているこSt）では 89℃と 242℃に吸熱ピークが観測され，それぞれとが推定される。この錯体形成は CIMOC より CDMOC

Scheme 2
Table 2 Enantioserective addition of methyl vinyl ketone to β-ketoester in toluene（3ml）at r. t.a−5−

Fig. 4 Two possible orientations of enolate in the transition states of the cinchonidine or quinine derivative-catalyzed addition to a methylvinylketone:（A）leading to R enatiomer,（B）leading to S enatiomer.の方がより強固に起こるため不斉反応や重合収率が低下したと考えられる。
モノマーである CIMOC や CIMOC ホモポリマーを触媒とした場合，得られた付加体の光学純度は 13 〜 14%ee であった（Run 1, 2）が，共重合体 poly（CIMOC—co—St）を触媒とした場合，付加体の光学純度は 20％ ee に向上した（Run 3）。CDMOC 系でも共重合体の方が光学収率は向上した（Run 5）。この立体選択性の向上はポリマーマトリックスの高次構造に起因していると考えられる。シンコニン系から得られた付加体は S 体が主生成物，シンコニジン系
からは R 体が主生成物として得られている。またシンコナアルカロイドの類縁体のキニンを用いた QNMOC においては R 体が 9.2％ ee で得られた。シンコナアルカロイドを不斉触媒に用いた場合，不斉選択性は C—8, C—9 位に大きく依存する。本不斉反応における遷移状態を Fig. 4 に示した。

Fig. 5 Effect of polymer unit on stereoselectivity.

（1） シンコナアルカロイドのキヌクリジン窒素が 1—インダノンの水素を引き抜き，エノラートが生成する。
（2）ウレタン結合と MVK が水素結合により配位して 3ン部の立体反発により R 体を主生成物として与えた。共重合体では疎水性のスチレンユニットが隣接しているため分子錯体を形成する。
（3）エノラートの二重結合への付加は速度論支配により他の触媒部位との錯体形成を立体的あるいは活性部位の疎水性が増加し，その結果より強く基質を補足する事ため不2 つの経路が考えられる。
（4）エノラートの si 面から付加体は R 体，あるいは re斉収率が向上したと考えられる（Fig. 5）。
またシンコナアルカロイドの不斉収率は 9 位の水酸基が面から付加体は S 体をそれぞれ与える。
CDMOC 系ではインダノンの芳香族部と触媒のキノリ重要な役割を果すことが知られているが 7，本研究で用い−6−ナノ構造配列制御を基盤とする光学活性材料の開発

た RMOC やその重合体では 9 位をウレタン結合により重（参考文献）合性基やポリマー主鎖と結合している。そのため基質と不１） D. E. De Vos, I. F. J. Vankelecom, and P. A. Jacobs, Eds.

斉炭素との距離が離れ有効な不斉空間を構築することが困In Chiral Catalyst Immobilization and Recycling; Wiley-難になる。そのため一般的なシンコナアルカロイド触媒のVCH: Weinheim, Germany, 2000.

不斉収率よりも低くなったと考えられる。さらに 9 位以外

２） For a recent review on the use of polymeric catalystsに重合性基を結合させた高分子触媒を開発できれば高い不see:（a）Q.-H. Fan, Y.-M. Li, and A. S. C. Chan, Chem. Rev.,

斉収率も期待できる。

102, 3385（2002）; （b）B. Clapham, T. S. Reger, and K.

総Janda, Tetrahedron, 57, 4637（2001）.

括３）（a）Y.-K. Lee, Y. Nakashima, K.Onimura, 他２名 ,本研究ではシンコナアルカロイドと側鎖に有するキラル

Macromolecules, 36, 4735（2003）; （b）Y.-K. Lee, N.

メタクリレート誘導体を新規に合成し，単独重合およびス

Hisamitsu, K. Onimura, H., 他２名 , Polym. J., 34, 9（2002）.

チレンとの共重合を行った。得られた高分子を不斉触媒と４）（a）Y.-K. Lee, K. Onimura, H. Tsutsumi, 他１名 , Polym.

して用いた Michael 反応を検討し，その有効性や不斉選J., 33, 411（2001）; （b）Y.-K. Lee, K. Onimura, H. Tsutsumi,択性について検討した。高分子の溶解性の相違を利用して他１名 , Polym. J., 32, 1007（2000）; （c） Y.-K. Lee, K.

生成物の分離・精製を簡略化することに成功した。不斉選

Onimura, H. Tsutsumi, 他１名 , J. Polym. Sci., Part A,Polym. Chem., 38, 4315（2000）.

択性はスチレンとの共重合体の方が高い結果となり，触媒部位の有効利用が可能となった。不斉収率は通常のシンコ５） Y.-K. Lee, K. Yamashita, M. Eto, K. Onimura, 他２名 ,Polymer, 43, 7539（2002）.

ナアルカロイドを使用した場合より低下したが，重合性基を連結させる部位や不斉反応の最適化により今後高い不斉６）（a）M. Nakajima, Y. Yamaguchi, and S. Hashimoto,Chem. Comm., 2001, 1596; （b）M. Nakajima, S. Yamamoto,収率が期待できる。

Y. Yamaguchi, 他２名 , Tetrahedron, 59, 7307（2003）.

謝辞

実験を担当した松崎

７） A. Sera, K. Takagi, H. Katayama, H. Yamada, J. Org.
公平氏に感謝いたします。最後に本研究を遂行するにあたり助成金を賜わりました財団法人
コスメトロジー研究振興財団に心から感謝いたします。

−7−

Chem., 53, 1157（1998）.