上原記念生命科学財団研究報告集, 33 (2019)

上原記念生命科学財団研究報告集, 33（2019）127. 非天然アミノ酸類の環境調和型新規合成手法の開発
森本 浩之
九州大学 大学院薬学研究院 環境調和創薬化学分野
Key words：アミノ酸，不斉合成，四置換炭素，無保護ケチミン，触媒緒 言
医薬品や生物活性物質合成に多用される非天然アミノ酸類の新規合成手法の開発は、より高活性な誘導体を合成可能とすることから、医薬化学上重要な研究テーマの 1 つである。しかし、従来の非天然アミノ酸類の合成法では、反応性の高いアミノ基は保護基によってあらかじめ保護されているのが一般的であり、アミノ基が無保護の目的物を得るためには脱保護工程が必要であった。この保護・脱保護の工程が必要な点や、その際に生じる副生成物の点で、環境調和性や合成効率に改善の余地を残していた。
そこで、本研究では医薬品合成において重要な非天然アミノ酸類を効率的に合成可能とする新たな手法の開発を目指した。特に、上記の問題点を念頭に置き、その難易度の高さからこれまで利用されてこなかった無保護のケチミンを用いる新しい触媒的不斉炭素−炭素結合形成反応の創出により問題の解決を目指した。具体的には、生物活性向上において重要なトリフルオロメチル基や不斉四置換炭素を有するα—およびβ—非天然アミノ酸類を合成標的とし、直接的触媒的不斉 Friedel-Crafts 型反応によるα−アリール四置換無保護アミノ酸類の直接合成法、および触媒的不斉脱炭酸
Mannich 型反応によるβ−四置換非天然無保護アミノ酸類合成法の実現を目標とした。また、生物活性を有する化合物の短工程合成へと適用することで、本手法の有用性を示すことを目標とした。
本研究を実施するにあたり、無保護のケチミンを求電子剤として立体選択的な反応に利用した例は非常に限られており［1〜3］、今回目標とした 2 反応については未開拓の状態であった。一方、我々は以前に無保護のケチミンを求電子剤とする直接的触媒的アルキニル化反応を世界で初めて実現しており［4］、さらに直接的触媒的不斉 Mannich 型反応についても実現可能であることも確認していた［5］。そこで本研究では、無保護のケチミンを求電子剤とする反応についてより広範な検討を進めるべく、種々の求核剤を用いてそれぞれの反応に適切な触媒の探索を行った。また、それぞれの反応条件の最適化後、基質一般性の検討および生物活性物質の短工程合成への応用を行ったので、以下に紹介する［6，7］。
NR1PG
R2+ H Nu

PG

catalyst
many examples

N-protected
ketimines

N

R2Nu
R1
N-protected-tetrasubstituted
aminesdeprotection

waste
decomposition

N
R1

H
R2+ H Nu

N-unprotected
ketimines

catalyst
direct accesslimited examples

HN
R1NH

R2Nu
R1
N-unprotected-tetrasubstituted
aminesR2+ H Nu

N-protected
ketimines(PG = Boc, Ts,PMP, Bn, etc.)NHPG

R1HN

R1 R2
N-unprotected
ketimines

NHR2NuR1N-protected-tetrasubstituted
aminesdecomposition
catalyst poison

HR2PG

catalyst+ H Nu

catalyst

N–R1 R2deprotonation

HN

H

R2Nu
R1N-unprotected-tetrasubstituted
amines

図 1．無保護のケチミンを用いる不斉四置換炭素含有アミノ酸合成法の利点および解決すべき点
1

上原記念生命科学財団研究報告集, 33（2019）

方法および結果
1．直接的触媒的不斉 Friedel-Crafts 型反応によるα−アリール四置換無保護アミノ酸類の直接合成法
本反応の開発にあたっては、既存の保護基を有するケチミンに対する類似の付加反応の報告［8］およびラセミ反応［9］の報告を参考に、キラル BINOL リン酸を中心として触媒の検討を行った。最適な触媒を見出した後、基質一般性の検討および生物活性を有する誘導体の合成を行った。また、立体選択性の起源を明らかにするべく、実験および計算化学による反応機構の解析を行った。
まず、既存の C2 対称キラル BINOL リン酸触媒を種々検討したが、高い鏡像異性体過剰率で目的物を得ることはできなかった。そこで、従来用いられてこなかった C1 対称の 3 位モノ置換の BINOL リン酸触媒を検討したところ、既存の C2 対称の触媒よりも高い鏡像異性体過剰率で目的物が得られることがわかり、反応条件を最適化することで高い収率および鏡像異性体過剰率で目的物が得られた。
次に、得られた最適条件を用いて基質一般性の検討を行った。その結果、図 2 に示すように、種々の置換されたインドールおよびピロールについて、いずれも高い収率および良好な鏡像異性体過剰率で目的物を得ることができた、また、
抗 HIV 活性を有する誘導体［10］については、少ない触媒量でも問題なく 1 段階での直接合成に成功した。
さらに、3 位モノ置換の BINOL リン酸触媒で高い立体選択性が得られた理由を明らかにするために、実験および計算化学による反応機構の解析を行った。その結果、BINOL リン酸の 3 位の置換基とインドール 2 位の C–H-π相互作用による遷移状態の安定化が、エナンチオ選択性発現に重要な役割を果たしていることが明らかになった。

NF3C(S)-3-mono-(9-anth)-PA(0.25–5 mol %)H
H

OEt +Ar(1.1 equiv)O

CHCl3 (0.05 M)–60 °C, 1–48 h

HF3CEtO

HN

ArO

up to 99% yield
up to 96% ee
14 examples

OO
PO
OH
(S)-3-mono-(9-anth)-PAMe
Ar =NHMe

18 h, 94%, 93% ee(0.25 mol % cat.)NH

1 h, 92%, 79% ee

NH
1 h, 89%, 91% eeBrPhNH

1 h, 88%, 36% ee
OOMeHNHNHNH

1 h, 95%, 89% ee

24 h, 92%, 92% ee(0.25 mol % cat.
at 1 mmol scale)anti-HIV activity
NHBoc

1 h, 99%, 96% ee
O

BrOMe

MeNH

NH
5 h, 90%, 75% ee

NH

48 h, 87%, 92% ee

48 h, 95%, 91% ee(2.0 equiv)

MeTBSONH

NH

1 h, 88%, 85% ee

1 h, 95%, 85% ee

HNHN
Me

1 h, 98%, 62% ee(1.2 equiv)

5 h, 90%, 61% ee(1.2 equiv)

図 2．3 位モノ置換リン酸触媒による直接的触媒的不斉 Friedel-Crafts 型反応の基質適用範囲
注記がない限り、いずれの反応も 0.10 mmol スケールにて行い、収率は単離収率を、鏡像異性体過剰率はHPLC により決定した値を記載した。

2

上原記念生命科学財団研究報告集, 33（2019）2．触媒的不斉脱炭酸 Mannich 型反応によるβ−四置換非天然無保護アミノ酸類合成法
本反応の開発に関連して、我々は以前、無保護のケチミンに対する直接的触媒的不斉 Mannich 型反応の開発に成功していた［5］が、適用可能な求電子剤が非常に求電子性の高い特殊なケチミンに限られており、改善の余地を残していた。そこで、β−ケト酸を求核剤として用いることで、不可逆的な脱炭酸過程を組み込めば、より求電子性が低いケチミンにも一般に適用可能であると考え、イサチン由来の窒素上無保護ケチミンを基質として検討を行った。
種々触媒を検討の結果、Cu(Ⅱ)-Box 系触媒が高い収率および鏡像異性体過剰率で目的の生成物を与えることを見出した。本反応条件は、図 3 に示すように様々なβ−ケト酸および窒素上無保護ケチミンに適用可能であり、いずれも高い収率および鏡像異性体過剰率で目的の四置換炭素含有アミノ酸誘導体を与えた。また、求核剤としてマロン酸ハーフチオエステルを用いることも可能であり、生成物が無保護のアミンである利点を活用して、生物活性物質である(+)-AG041R の短工程合成にも成功した。
N H
NH

R1O + HOO

H O
H N

Cu(OTf)2/(R,R)-Ph-Box(10/11 mol %)O

CH2Cl2 (0.25 M)–40 °C, 48 h
–CO2R2(1.5 equiv)

N
H

R1R2 up to 99% yield• Scope of -keto acids (R1 = H)
O

R2 =Me99% yield 94% yield
96% ee79% ee(in PhCl)

98% yield
79% ee91% yield
85% ee91% yield
84% ee(in PhCl)

99% yield92% ee

NH

O +O
HOCu(OTf)2/(S,S)-Bn-Box(10/11 mol %)OSPh(1.5 equiv)NH

92% yield 94% yield
85% ee86% ee• Short-step synthesis of (+)-AG-041R
N H• Scope of N-unrotected ketimines (R2 = Ph)H
Bz X = Me
H N
96% yield, 93% ee
X
X = OMe 70% yield, 94% ee
83% yield, 94% ee
O X = Cl
X = Br
76% yield, 87% ee
NH
H
H
H
H N
Bz
Cl H NBz
H NBz

SX
98% yield, 91% ee 90% yield
82% ee90% yield, 88% ee94% yield, 92% ee
90% yield, 90% ee
MeMeMeMeMeX=HX = OMe
X = ClX = Br

PhCl (0.25 M)–40 °C, 48 hup to 96% ee
22 examples

O75% yield
82% eeH OH NNH
74% yield, 86% ee

ClNHO

NHO

Cl
69% yield
85% ee (96 h)

85% yield
87% eeAr2HNSPhO

OOO

NH

NHAr2O
4 stepsNOEt
37% overall yieldfrom N–H isatin (+)-AG-041R(Ar2 = 4-Me-C6H4-) OEt

図 3．銅触媒による不斉脱炭酸 Mannich 型反応の基質適用範囲
いずれの反応も 0.20 mmol スケールにて行い、収率は単離収率を、鏡像異性体過剰率は HPLC により決定した値を記載した。

考 察
本研究により、無保護のケチミンを用いる非天然アミノ酸類を効率的に合成可能とする新たな手法の開発に成功した。
これにより、従来必要であった保護・脱保護工程を不要とし、得られた非天然アミノ酸類を直接多様な誘導体へと展開可能とする新たな環境調和型非天然アミノ酸類合成の方法論を提示することができた。また、生物活性を有する非天然アミノ酸類の短工程合成を通じて、創薬における本手法の有用性を実証できた。
本研究で得られた知見は、今後同様の反応を開発する上での重要な指針となる。実際、本研究をきっかけとして、現在無保護のケチミンが他の求核剤との反応にも利用可能であることが確認できており、今後検討を進めていくことで、無保護ケチミンを用いた反応開発がさらに発展することが大いに期待される。
3

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共同研究者・謝辞
本研究は、九州大学大学院薬学研究院環境調和創薬化学分野 大嶋孝志教授の指導のもと、同分野の学生の協力によって実施されました。また、本研究を遂行するにあたり、公益財団法人 上原記念生命科学財団には多大なるご支援をいただきましたので、この場を借りて感謝いたします。

文 献1） Sukach VA, Golovach NM, Pirozhenko VV, Rusanov EB, Vovk MV. Convenient enantioselective synthesis of βtrifluoromethyl-β-aminoketones by organocatalytic asymmetric Mannich reaction of aryl trifluoromethyl
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10.1016/j.tetasy.2008.02.023
2） Tran DN, Cramer N. syn-Selective rhodium(I)-catalyzed allylations of ketimines proceeding through a directed
C-H activation/allene addition sequence. Angew Chem Int Ed. 2010 Oct 25;49(44):8181-4. PMID: 20865713
DOI: 10.1002/anie.201004179
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Trifluoromethyl Ketimines. Chem Eur J. 2017 Dec 1;23(67):17022-17028. Epub 2017 Sep 26. PMID: 28950035
DOI: 10.1002/chem.201703516
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7） Sawa M, Miyazaki S, Yonesaki R, Morimoto H, Ohshima T. Catalytic Enantioselective Decarboxylative
Mannich-Type Reaction of N-Unprotected Isatin-Derived Ketimines. Org Lett. 2018 Sep 7;20(17):5393-5397.
Epub 2018 Aug 14. PMID: 30106593 DOI: 10.1021/acs.orglett.8b02306
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10.1055/s-0030-1260249
10） Han X, Wu H, Wang W, Dong C, Tien P, Wu S, Zhou HB. Synthesis and SARs of indole-based α-amino acids aspotent HIV-1 non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors. Org Biomol Chem. 2014 Nov 7;12(41):8308-17.
Epub 2014 Sep 11. PMID: 25209054 DOI: 10.1039/c4ob01333f4