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四級アンモニウム塩によるキラルなヒドロキシドイオンを用いた触媒反応

エステルの不斉加水分解は、酵素や微生物を触媒として早くから利用され工業化もされてきた実用反応である。我々は「エステルの塩基加水分解の不斉反応化」を考え、有機分子触媒である不斉四級アンモニウム塩を用いて研究を行ってきた。不斉四級アンモニウム塩は丸岡触媒に代表されるように、これまでに有機触媒としてキラルなエノラートによるアルキル化反応などで実績があるが、ここでエノラートではなく、有機層中にキラルなOH-を発生させ基質と反応させることにより不斉加水分解を達成する計画で、これまでにエノールエステル(最高95% eeを達成)や一般のエステルの不斉加水分解(最高85% eeを達成)を行っている。また我々は、理論化学の研究グループである九大先導研吉澤研と共同研究を行っているが、理論化学、計算化学的手法で得られた知見から、不斉制御の改良を試みるいわゆるin silico designでの研究も推進し、その有効性を示すことに成功している。さらに、応募者の研究室では、有機触媒、金属錯体触媒の分子触媒のほか、酸化物担持金属ナノ粒子に代表される固体触媒の研究も行っている。有機触媒は大きく発展しているが、固体触媒や錯体触媒に比べて触媒回転数が低いことが多く、実用性は十分に高いとは言えない。そこで、実用性という観点では非常に優れている固体触媒、ナノ粒子触媒とハイブリッド化した協同触媒を開発する。単に固定化するだけでも実用性は高くなるが、それだけでなく固体触媒の得意とするヒドリドの移動や酸化還元能を有効利用しつつある。25年度が最終年度であるため、記入しない。天然の酵素や微生物はエステルの不斉加水分解触媒として早くから利用され工業化もされてきた。酵素を用いたエステルの不斉加水分解は1905年のワールブルクらによるものまで遡る。一方で、触媒的不斉合成が大きく発展し、今や不斉反応が実現されてない反応を探すほうが難しい状況になった現在でも、エステルの不斉加水分解は難題として残されてきた。シクロデキストリンなどを用いた人工酵素などの研究が70年代より行われてきたが、基質濃度が非常に薄く、また不斉反応に関しても極めて限定された例のみであり、実質的に達成されているとは言えない状況である。生体触媒によるエステルの不斉加水分解は実用化例も多いが、一般的に酵素はその安定性が低く、また、単位重量当たりの活性も低いといった問題がある。その一方で、分子触媒は、酵素と比べてはるかに小さな分子量と簡素な触媒構造を有しているため、触媒の高い安定性と比活性の大きな改善が期待できる。我々は、エステルの塩基加水分解の不斉反応化を考え、有機分子触媒である不斉四級アンモニウム塩を用いた研究を行ってきた。この触媒系はこれまでに有機触媒としてキラルなエノラートによるアルキル化反応などで実績があるが、ここでエノラートではなく、有機層中にキラルなOHーを発生させ基質と反応させることにより不斉加水分解を達成する試みである。この作業仮説に基づき、反応条件を種々検討した結果、シンコナアルカロイド由来の四級アンモニウム塩を相間移動触媒として用いることにより、種々のアルケニルエステル類(エノールエステル類)を最高95% eeと、高収率、高エナンチオ選択的に不斉加水分解することに成功した。エナンチオ選択性は、ジエニルエステルタイプの基質の方が全体的にやや高い。エノールエステル、ジエニルエステル類の不斉加水分解で最高95%eeの選択性を達成することができた。エノールエステル類ではない、単純エステル類、具体的にはNーアシルアミノ酸誘導体と2ーアリールプロパン酸エステル類で最高85%eeの選択性となっている。これを改良したい。
分子雲の進化を解明する30cmサブミリ波望遠鏡による銀河面サーベイ観測

分子雲の進化を解明を目指して天の川のサーベイ観測を行う研究を開発面と観測面から展開した。開発面の研究では、中世炭素原子CIと一酸化炭素COの同時観測を行うために、500GHz帯受信機の中間周波数帯域の拡大を行ない評価試験を実施した。しかし、雑音やイメージ抑圧比で所望の性能には達成しなかった。原因を検討したところ、ミキサー部の帯域外の周波数特性が当初予想した値より悪いことが推測できた。所望の性能を得るには、ミキサー本体の改良が不可欠なことが判明した。800GHz帯のサイドバンド分離型2SB受信機の開発では、ミキサー前段でサブミリ波の観測信号を等分し、90度の位相差を設ける導波管ハイブリッドの製作を行い、ベクターネットワークアナライザーを用いて評価試験を実施した。信号の強度分割に関しては、シュミレーションの予想範囲の性能を得られた。位相の差の測定においては、位相制御の測定値に測定誤差が生じ、所望の性能が得られているか判定ができなかった。原因を追求したところ、測定系のケーブルが位相に影響を与えてることが判明した。この周波数帯域での測定の前例は無く、高い周波数においては位相測定が想定以上に困難であることが判明した。位相精度の高いケーブルに交換する等、測定面での対策が必要である。冷却受信機の製作を進めたが、導波管単体での測定が完了していないために、冷却受信機としての性能測定には至らなかった。観測面では、30cmサブミリ波望遠鏡の南極での運用を、関係機関と調整して目指していたが、実現には至らなかった。ただし、COの低励起状態の輝線やCIを用いて、天の川及び近傍銀河の星間物質の観測を進め、30cm鏡でのサブミリ波観測実現時の成果に備えた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。銀河面をサブミリ波の輝線でサーベイ観測を行い、分子雲の形成と進化の解明を目指した研究を行っている。本年度は、研究の初年度であり、サーベイ観測のための装置開発を中心に研究を進めた。先ずは、30cmサブミリ波サーベイ望遠鏡の既存の500GHz帯のサイドバンド分離型(2SB)受信機の中間周波数帯域を、20GHzまで拡大し、一酸化炭素CO及び中性炭素原子CIの輝線が同時に観測できるシステムを構築した。また、CIの高励起輝線の同時観測に向け800GHz帯の2SB受信機の開発を開始した。世界的に800GHz帯の受信機は、雑音性能の制約から、DSBモードのミキサーしか存在していない。ALMAバンド10用に開発された、DSBミキサーの入力にRFハイブリッドを装着して、2SB化を目指した。計算機シュミレーションにより、雑音温度の増加を避けながら信号を分割、位相差を与えるハイブリッドの設計を進めた。装置開発と平行して、サブミリ波でのサーベイ観測に向けた、銀河面の観測も進めた。野辺山45m望遠鏡やJCMT15m鏡のCOデータを用いて、超新星残骸に付随した分子雲の観測を進めた。野辺山45m鏡の高い空間分解能(17")を生かし、比較的遠い超新星残骸Kes79の分子雲の、空間分布や速度構造を調べ、相互作用による膨張を示唆する分子雲を特定した。JCMTのCO 3-2データとの強度比を計算することで、その分子雲の輝線強度比R3-2/1-0が高いことを示し、相互作用が強く示唆されている。X線との相関を調べ、宇宙線加速の研究の場としても、このKes79領域が有用な事を示した。研究は装置開発と観測の両面から成る。装置開発では、500GHz帯冷却受信機は増幅器の広帯域化を終え、16GHz帯以上のIF帯域を有する受信機となり、CO 4-3輝線とCI輝線の同時観測が可能となった。また、800GHz帯受信機の2SBハイブリッドの開発に着手した。観測面においては、サブミリ波輝線でのサーベイに向けた観測的な研究を、銀河面、超新星残骸、系外で進めた。研究の成果は、学会発表及び論文として公表した。銀河面をサブミリ波の輝線でサーベイ観測を行い、分子雲の形成と進化の解明を目指した研究の二年目である。研究は装置開発と観測の2本の柱からなる。本年度は、装置開発では、昨年度、500GHz帯の中性炭素原子CIと一酸化炭素COの同時観測を実現させるために、中華周波数帯域(IF)を拡大した、30cmサブミリ波サーベイ望遠鏡の既存の500GHz帯の性能評価を先ず行った。帯域を拡大したアンプの性能に問題はないことを示したが、雑音温度やサイドバンド比の結果は所望の値が得られておらず、現在未だ原因を追求している。また、これまでにダブルサイドバンド(2SB)方式が受信機が存在しない、800GHz帯のミキサーを、2SB化するために、観測信号を分割し位相差をつけるハイブリッド、ハイブリッドを装着したミキサーを搭載する冷却受信機の設計製作を進めた。ローカル信号に関しては、800GHz帯と高い周波数を用いる際の新たな雑音(AMノイズ)が懸念されたので、信号の源信に雑音を低減する機構を設けた。装置開発と平行して、サブミリ波での銀河面サーベイ観測に向けた、既存装置での銀河面の観測も進めた。

野辺山45m望遠鏡やJCMT15m鏡のCOデータ及びALMA望遠鏡で取得したデータを用いて、銀河系内の超新星残骸に付随した分子雲や近傍銀河の分子雲の観測を進めた。ALMAの高い空間分解能を生かして、近傍銀河NGC631の中心領域でCOをはじめとする様々な分子輝線とCIのマップを作成し、ガスの運動や物理状態を考察した。観測に関しては、サブミリ波の銀河面観測の準備として、既存のデータを用いた研究を行い学会や論文として公表する等研究は進んでいる。装置開発では、評価試験は行われ、学会発表も行えたが、所望の性能が得られておらず、原因解明に務めているがまだ解明に至っていない。分子雲の進化を解明を目指して天の川のサーベイ観測を行う研究を開発面と観測面から展開した。開発面の研究では、中世炭素原子CIと一酸化炭素COの同時観測を行うために、500GHz帯受信機の中間周波数帯域の拡大を行ない評価試験を実施した。しかし、雑音やイメージ抑圧比で所望の性能には達成しなかった。原因を検討したところ、ミキサー部の帯域外の周波数特性が当初予想した値より悪いことが推測できた。所望の性能を得るには、ミキサー本体の改良が不可欠なことが判明した。800GHz帯のサイドバンド分離型2SB受信機の開発では、ミキサー前段でサブミリ波の観測信号を等分し、90度の位相差を設ける導波管ハイブリッドの製作を行い、ベクターネットワークアナライザーを用いて評価試験を実施した。信号の強度分割に関しては、シュミレーションの予想範囲の性能を得られた。位相の差の測定においては、位相制御の測定値に測定誤差が生じ、所望の性能が得られているか判定ができなかった。原因を追求したところ、測定系のケーブルが位相に影響を与えてることが判明した。この周波数帯域での測定の前例は無く、高い周波数においては位相測定が想定以上に困難であることが判明した。位相精度の高いケーブルに交換する等、測定面での対策が必要である。冷却受信機の製作を進めたが、導波管単体での測定が完了していないために、冷却受信機としての性能測定には至らなかった。観測面では、30cmサブミリ波望遠鏡の南極での運用を、関係機関と調整して目指していたが、実現には至らなかった。ただし、COの低励起状態の輝線やCIを用いて、天の川及び近傍銀河の星間物質の観測を進め、30cm鏡でのサブミリ波観測実現時の成果に備えた。500GHz帯の2SB冷却受信機の詳細な性能評価を進める。800GHz帯2SB受信機に関して、ハイブリッドの製作を進める。銀河面のサブミリ波観測に向けた、観測的な研究も引き続き推進する。観測的な研究は引き続き実施する。性能が達成されていない、500GHz帯の帯域を拡大した受信機の性能向上を目指す。また、2SB受信機の性能評価を実施する。遅れが出ている受信機開発を加速するために、人員を補強する。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
琉球列島に分布する有用樹木の繁殖資源の配分と安定同位体による豊凶メカニズムの解明

亜熱帯に分布する常緑樹のリュウキュウコクタンにおいて、果実の豊凶が発生するメカニズムを検討した。リュウキュウコクタンの豊作年と並凶作年の2年間とも、繁殖モジュールの葉を全摘葉した枝は無摘葉の繁殖枝と比べて、ほぼ同数、同サイズの果実が生産された。このため、当年葉での光合成産物が樹体内をどのように転流するのかを13C安定同位体のトレース実験で追跡した。同時に葉、枝、果実に含まれる可溶性全糖などを定量した。その結果、常緑樹では結実の年変動の違いによって、当年葉で生産された光合成産物の転流パターンが異なった。さらに、果実生産に配分される当年生ならびに貯蔵性の炭水化物の利用形態が異なることが判明した。結実量の違いに伴う繁殖資源の配分特性を解明するため、リュウキュウコクタンの結実量が豊作であった2010年の果実生産量に比べて果実の乾重量で約4倍少ない並昨であった平成25年(2013年)における繁殖枝(枝直径:35cm)の基部に環状剥皮(剥皮と無剥皮)と摘葉(0%、葉数の50%、葉面積の50%、100%)を組み合わせた8水準の操作実験区を4月下旬に設定した。当年葉で同化された光合成産物の果実への転流経路を検証するため、果実の肥大成長がピークとなる7月中旬、無剥皮区と剥皮区の0%摘葉区に安定同位体13CO2を48時間発生させるトレース実験を行い、当年枝+2年枝における繁殖モジュール間での光合成産物の転流を追跡した。さらに、葉、枝、果実の可溶性全糖とデンプンを定量した。その結果、豊作であった2010年は無剥皮区、剥皮区ともに100%摘葉区の果実に高濃度の13Cが検出されたが、並昨であった2013年における果実の13C濃度は自然同位体とほぼ同値であった。これは、2010年は豊作年で果実のシンク能が高く、無剥皮区、剥皮区ともに13C処理を実施した0%摘葉区から100%摘葉区への光合成産物の転流が認められたが、並作の2013年は果実生産量が少なかったことで果実のシンク能が低く、無剥皮区、剥皮区ともに100%摘葉区への他モジュールからの光合成産物の転流が認められなかったものと推察された。光合成産物の転流が認められなかった2013年の成熟時の果実サイズは2010年と差がなかったが、この原因は100%摘葉区では枝に蓄積された前年の貯蔵デンプンが果実成熟に使われたものと考えられる。つまり、常緑広葉樹の場合、果実のシンク能の高い豊作年では、当年の光合成産物が主に利用されて果実が成熟するが、豊作年より結実量が劣り果実のシンク能が低い並作年では、枝内の可溶性糖やデンプンなど貯蔵性の炭水化物が使われて果実が成熟する可能性が示唆された。樹木の次世代を残す開花、結実は、樹木の適応度が最大となるように有限の繁殖資源を配分し、受粉や種子散布が効率的に行われるために繁殖器官の数やサイズ、配置を決定している。本研究は、繁殖前年の貯蔵デンプン量と繁殖当年の光合成産物の転流を指標とし、琉球列島に分布する有用樹木における果実の豊凶発生メカニズムを解明することを目的としている。平成24年度は、リュウキュウコクタンの結実年における繁殖枝(枝の基部径:35cm)に環状剥皮と摘葉を組み合わせた6水準の操作処理を4月下旬に行った。当年葉で同化された光合成産物の果実への転流経路を安定同位体13Cによるトレース法で追跡し、当年枝+2年枝を単位とするシュートモジュール間での光合成産物の転流の可能性を検証した。果実の肥大成長がピークになる7月中旬、剥皮区、無剥皮区の対照区(0%摘葉区)の枝に設置した簡易チャンバー内に安定同位体13CO2を48時間発生させた。質量分析の結果、無剥皮区、剥皮区とも100%摘葉区の果実に13Cが高濃度に検出された。これは、無剥皮区、剥皮区ともに13C処理を実施した対照区(0%摘葉区)から100%摘葉区への光合成産物の転流があったことを示す。一方、繁殖器官のフェノロジー調査の結果、「環状剥皮+100%摘葉区」は無処理区と同等数の花生産、果実生産が認められ、対照区に比しても成熟した果実サイズに差異がなかった。

つまり、「環状剥皮+100%摘葉区」は処理区内の同化物の生産、他の繁殖枝からの同化物の供給が得られず、本来、枯死に至るべき処理区であるが、同一繁殖枝内の葉のある処理区等、近接する他のモジュールで生産された繁殖に必要な光合成産物の転流によって補われることが示された。すなわち、常緑亜高木においては繁殖時に他のモジュールからの資源配分は皆無でなく、他の枝からの光合成産物の資源流入の可能性を示唆するものであった。本研究は琉球列島が分布の中心域である有用樹木のリュウキュウコクタンを供試し、果実豊凶の年変動が生じるメカニズムを解明した。最終年はリュウキュウコクタンの繁殖枝に環状剥皮と摘葉処理を組み合わせた8水準の処理区別に果実採取後、NC元素分析器で炭素含有率を定量し果実成熟に必要な炭素量を推定した。3年の研究期間全体の研究成果は、果実のシンク能の高い豊作年では、全摘葉した繁殖枝から50cm以内の近隣の枝より光合成産物が転流し全摘葉区の果実に供給され、近隣の枝の果実とともに、全摘葉の繁殖枝の果実も正常に成熟させることが判明した。豊作年であった2010年の0%摘葉区、50%摘葉区では、当年葉で光合成を行い、当年葉の光合成産物が果実成熟に利用された。豊作年では果実に多くの光合成産物が必要であったため、転流が起こり100%摘葉区にも当年葉の光合成産物が供給された。100%摘葉区では転流によって受け取った当年葉の光合成産物に加えて、自身の枝に貯蔵されていた可溶性糖やデンプンが結実に利用され、果実が成熟したと考えられた。並から凶作年であった2013年では果実のシンク能が弱かったため、どの処理区間でも転流が認められなかった。しかし、前年までに枝に貯蔵された可溶性糖やデンプンが結実に利用され、果実が正常に成熟したと考えられた。常緑樹の場合、豊作年では当年の光合成産物が主に利用されて果実が成熟するが、並凶作年では枝内の可溶性糖やデンプンなどの貯蔵性の炭水化物が主に利用されて果実が成熟する可能性が考えられた。豊作年より結実量が劣る並作年では、貯蔵性の炭水化物が利用されて果実が成熟し、当年の光合成産物は枝の伸長成長や肥大成長に利用されている可能性が示唆された。本研究の成果は、落葉樹の資源収支モデルで提唱されている炭水化物の利用形態と異なった。繁殖資源の利用形態は、落葉樹と常緑樹では異なる繁殖戦略である可能性が推察された。繁殖生理生態学、森林生態学、造林学本研究課題は、常緑広葉樹における繁殖資源の配分特性を検証し、琉球列島に分布する有用樹木の果実豊凶の発生メカニズムを解明することを研究の目的としている。本研究課題の2年目となる平成25年度の主要成果は、研究対象木であるリュウキュウコクタンの豊作年においては、果実の生産量が多いことにより100%摘葉した繁殖モジュールの果実によるシンク能が高くなり、転流の経路を追跡する炭素安定同位体13Cのトレース実験の結果、他の繁殖モジュールで生産された光合成産物の転流が定量的に確認された。このことに加えて、並作年では逆に果実の生産量が少ないことで果実のシンク能が低くなり、100%摘葉した繁殖モジュールには他からの光合成産物の転流が認められず、前年に蓄積された貯蔵性デンプンを果実生産に使用していることが確認された。さらに、環状剥皮+100%摘葉区では無処理区と同等の花生産、果実生産があり、成熟した果実サイズに差異がない現象を確認した。葉のない繁殖モジュールの成熟果実のサイズを葉のある繁殖モジュールでの果実と同様のサイズに成熟させた資源は、葉のない繁殖モジュールに蓄積された貯蔵デンプンによることが実証された。このことは、常緑広葉樹の果実生産の資源と当年葉の光合成産物と前年の貯蔵性炭水化物の利用形態が果実の結実量の違により異なる可能性を示唆する成果であると評価している。本研究課題の最終年である平成26年度は、リュウキュウコクタンを対象に1年目、2年目と同様の追試験による再現実験を行い、繁殖枝と非繁殖枝の貯蔵デンプン量や光合成産物の転流等、生理的なメカニズムからの繁殖資源の配分特性を把握する。
光合成初期過程の効率性と恒常性を制御する電荷分離・再結合反応の理論研究

緑色植物の光化学系II(PSII)反応中心は紅色細菌の反応中心と類似の色素配置を持つが、PSII反応中心の初期電荷分離過程は比較的よく理解されている紅色細菌のそれとは大きく異なることがこの20年で明らかになってきた。本研究課題では、初期電荷分離過程における色素分子の分子内振動とタンパク質環境の影響およびそれらの競合に着目し、PSIIの電荷分離の様態とそれに関与する色素分子の構造の関係性について量子動力学理論と量子化学計算を組み合わせることにより解析した。本質的な成果の一つして、全ての振動モードの寄与を考慮した場合にはPSIIの電荷分離速度に対するエネルギーギャップ依存性や温度依存性が見られなくなることを明らかにした。これは、PSIIの電荷分離過程がタンパク質環境や外界変動に対して持つ頑健性を示唆している。天然光合成では太陽光フォトンを吸収することで種々の動的過程が引き起こされるが、光子統計など太陽光の性質は実験で用いられるレーザー光のそれとは大きく異なる。本研究課題では、太陽光を模倣する疑サーマル光源として「時間-周波数量子もつれ光子対」を用いた新規分光計測法について研究を進めた。時間-周波数量子もつれ光子対はパラメトリック下方変換(PDC)で生成されるが、光子対の一方を観測しない場合、他方の光子状態は熱放射と類似の量子状態・光子統計を示す。本年度は、特に可視光領域では太陽光すなわち温度5777Kの黒体輻射の性質を再現し得ることを理論的に示した。さらに、量子もつれ光を用いた擬似サーマル光が太陽光に近い性質を持つためのポンプ光の性質やPDCに用いる結晶長の条件を解析するとともに、そのようにして生成された擬似サーマル光と分子系との相互作用の理論を開発することに成功している。2018年に得た電荷分離速度に対するエネルギーギャップ非依存性や温度非依存性の計算結果は、光化学系IIの初期電荷分離過程に関する種々の分光データと辻褄の合うものであり、また、光化学系IIの初期電荷分離過程がみせる温度・外界変動に対する頑健性を示唆するものとして、意義深いものと考えている。擬似サーマル光の時間分解制御と擬似サーマル光によって誘起された動的過程について、量子動力学および量子光学の理論に基づいて更に解析を進める。特に、パラメトリック下方変換で生成される量子もつれ光子の間の「もつれ時間」を制御することが動的過程の解析の鍵となると思われる。さらに、時間分解制御の理論を発展させ、従来の非線形分光理論およびエネルギー移動や電荷輸送などの量子ダイナミクス理論を組み合わせることで、古典的な輻射場の扱いで現れるパラメータを補完するような,量子光に特異なパラメータを活用した新規測定手法の可能性を模索する。それによって、光化学系II反応中心における初期電荷分離反応など、従来の時間分解分光では解析が難しい系について有意な情報を取り出すことが可能かどうかを議論する。近年の分光実験により、緑色植物等の光化学系II (PSII)反応中心における初期電荷分離は数百フェムト秒の時間スケールで起こることが示唆されているが、これは比較的よく理解されている紅色細菌の反応中心に比べて約10倍も速い。本研究課題では、タンパク質の構造・色素の配置に関する小さな差異と光化学系IIの超高速電荷分離反応の実現の関係性について研究を進めている。最近の二次元電子分光データは色素の分子内振動がPSIIの電荷分離を促進する可能性を示唆しているが、電荷分離状態は光学禁制であるため詳細な情報を分光学的に得ることは容易ではない。本年度は、量子化学計算で得たクロロフィル分子の分子内振動のHuang-Rhys因子を用いた初期電荷分離反応の量子ダイナミクス計算を行い、PSII電荷分離においては分子内振動よりもタンパク質が誘起する揺らぎが支配的であることを明らかにした。また、有機薄膜太陽電池はフレキシブルかつ低コストのエネルギー源として期待されている一方で、そのエネルギー変換効率は10%程度にとどまり実用化には更なる改善が必要である。有機物質では、その低誘電率のため室温の熱エネルギーよりも遥かに大きな電子・正孔の強束縛状態からの電荷分離過程が含まれており、その詳しい機構は未だ明らかではない。本研究課題では、有機物質における電子フォノン相互作用によるポーラロン形成および量子コヒーレンスとそのデコヒーレンスとの競合に着目し、ポーラロンの形成過程を正しく記述する量子ダイナミクス計算を行った。その結果、量子コヒーレントな超高速長距離電荷分離過程に引き続くポーラロン形成がインコヒーレントな電荷輸送への遷移を引き起こし、これにより電荷再結合を遅らせることで電荷分離状態が長時間維持される謂わば量子古典ラチェット機構が起こり得るを理論的に明らかにした。特に、超高速で起こる長距離電荷分離反応とその再結合を防御を可能とする「量子非局在化状態とそのデコヒーレンスによるラケット効果」の解析で進展があった。

これは、PSIIの電荷分離過程がタンパク質環境や外界変動に対して持つ頑健性を示唆している。天然光合成では太陽光フォトンを吸収することで種々の動的過程が引き起こされるが、光子統計など太陽光の性質は実験で用いられるレーザー光のそれとは大きく異なる。本研究課題では、太陽光を模倣する疑サーマル光源として「時間-周波数量子もつれ光子対」を用いた新規分光計測法について研究を進めた。時間-周波数量子もつれ光子対はパラメトリック下方変換(PDC)で生成されるが、光子対の一方を観測しない場合、他方の光子状態は熱放射と類似の量子状態・光子統計を示す。本年度は、特に可視光領域では太陽光すなわち温度5777Kの黒体輻射の性質を再現し得ることを理論的に示した。さらに、量子もつれ光を用いた擬似サーマル光が太陽光に近い性質を持つためのポンプ光の性質やPDCに用いる結晶長の条件を解析するとともに、そのようにして生成された擬似サーマル光と分子系との相互作用の理論を開発することに成功している。2018年に得た電荷分離速度に対するエネルギーギャップ非依存性や温度非依存性の計算結果は、光化学系IIの初期電荷分離過程に関する種々の分光データと辻褄の合うものであり、また、光化学系IIの初期電荷分離過程がみせる温度・外界変動に対する頑健性を示唆するものとして、意義深いものと考えている。1. Jennifer Ogilvie准教授(米国ミシガン大)による光化学系IIの二次元電子分光の実験データ(Fuller FD, Nature Chem. 6 , 706 (2014).)などに基づいて、初期電荷分離反応のモデル・ハミルトニアンを構築する。2. 1.のモデルに基づき考え得る広範なパラメータ領域に対して光誘起電荷分離反応の量子ダイナミクス計算を行う。タンパク質環境が誘起する動的揺らぎが如何に電子ドナー状態と電子アクセプター状態の量子力学的非局在化効果を維持し、また、崩壊させるのかに細心の注意を払いながら、Marcus理論では記述できないパラメータ領域で実験が示唆している数百フェムト秒の光誘起電荷分離反応が起こり得ることを明確にする。3. 1.と2.の解析を通して、分子シミュレーションで精査すべき箇所・現象を提案する。擬似サーマル光の時間分解制御と擬似サーマル光によって誘起された動的過程について、量子動力学および量子光学の理論に基づいて更に解析を進める。特に、パラメトリック下方変換で生成される量子もつれ光子の間の「もつれ時間」を制御することが動的過程の解析の鍵となると思われる。さらに、時間分解制御の理論を発展させ、従来の非線形分光理論およびエネルギー移動や電荷輸送などの量子ダイナミクス理論を組み合わせることで、古典的な輻射場の扱いで現れるパラメータを補完するような,量子光に特異なパラメータを活用した新規測定手法の可能性を模索する。それによって、光化学系II反応中心における初期電荷分離反応など、従来の時間分解分光では解析が難しい系について有意な情報を取り出すことが可能かどうかを議論する。
相同組換え修復の新規制御機構の解析

DNA二重鎖切断修復で機能するNBS1とRAD51の物理的な相互作用がもつ生物学的な意義を明らかにするため、RAD51と結合できない変異型NBS1の作製を試みた。この過程でRAD51はMRE11を介してNBS1と結合していることが明らかとなった。RAD51と結合できない変異型MRE11はDNA二重鎖切断の組換え修復能を失っておらず、また放射線感受性も示さなかったことから、NBS1とRAD51の相互作用はDNA二重鎖切断修復ではあまり重要な機能をもたず、別の機構での役割が示唆された。DNA二重鎖切断(DSB)の相同組換え修復経路で中心的な役割を果たすRAD51蛋白質が、DSBの初期応答因子NBS1と結合することの生物学的意義を明らかにするという本研究の目的のため、RAD51との結合に必要なNBS1の領域を各種欠失型NBS1を用いた免疫沈降により解析した。その結果、RAD51はNBS1のC末端に結合することが明らかとなった。NBS1は常にMRE11、RAD50とともに安定な蛋白質複合体(MRN複合体)を形成して働いていると考えられているが、MRE11はNBS1のC末端に結合することが知られている。この領域を欠失させたNBS1を作製して免疫沈降を行った結果、MRE11との結合だけでなくRAD51との結合も見られなくなったため、NBS1とRAD51との結合はMRE11を介して行われていることが示唆された。そこで各種変異型MRE11を作製し、NBS1の場合と同様に、免疫沈降によりRAD51との結合に必要な領域を解析した。その結果、MRE11の特定の領域にRAD51が結合することが明らかとなった。さらに、NBS1やRAD50とは結合せずRAD51とは結合出来るMRE11断片の作製にも成功した。この結果は、MRE11とRAD51との結合にNBS1やRAD50が必要でないことを示している。したがって、MRN複合体とRAD51との結合は、NBS1やRAD50ではなくMRE11を介して行われていると推測される。本研究の目的達成のためには、RAD51との結合能だれが失われたMRN複合体を作製し、その機能を解析する必要があるが、本年度の研究によって得られた結果がまさにそれを可能にさせるものであり、今後の解析の基盤が確立されたと言える。DNA二重鎖切断(DSB)の相同組換え修復経路で中心的な役割を果たすRAD51蛋白質が、DSBの初期応答因子NBS1と結合することの生物学的意義を明らかにするという本研究の目的のため、昨年度の実験から得られた結合領域に関するデータをもとに、本年度はRAD51と結合できないMRE11変異体の作製を行った。RAD51結合領域を欠失させたMRE11を作製し、免疫沈降による結合分析を行った結果、この変異型MRE11はNBS1とRAD50との結合は正常であり、RAD51との結合量が低下していることが明らかとなった。従って、このMRE11変異体はMRN複合体の形成には異常がなく、RAD51との結合に異常があると考えられた。MRE11欠損細胞であるATLD患者細胞にこの変異型MRE11を導入して放射線感受性を調べたが、放射線感受性は野生型MRE11を導入した時と同程度まで回復した。また、相同組換え修復能を調べるため、ATLD細胞を用いてDR-GFPアッセイを行ったが、野生型MRE11と変異型MRE11を発現させた場合で相同組換え修復能に差はなかった。したがって、今回作製した変異型MRE11は放射線によるDSBを修復する能力を十分に有していると考えられる。DSBの修復では、末端を再結合する際に塩基の挿入や欠失、違う末端同士の結合を起こす危険性をはらんでおり、それらは発がんの原因となる。本研究で作製した変異型MRE11はDSBを再結合する能力を持っている分、これらの毒性が高い。RAD51とMRE11の相互作用が染色体異常や突然変異の生成にどう関わっているのかということが、今後の重要な課題である。
サイトカイン療法と唾液腺機能再生療法によるシェーグレン症候群の新規治療法の開発

シェーグレン症候群(SS)患者の唾液腺においてはアクアポリン(AQP)5の発現低下や分布異常が生じており、これが唾液分泌低下の一因であると考えられているが、その詳細なメカニズムは不明である。本研究においてはAQP5の発現していない培養ヒト唾液腺導管細胞をDNA脱メチル化剤であるデシタビンにて処理するとAQP5の発現が誘導され、細胞の水輸送能も増強されることに着目し、そのメカニズムの解析を行うとともに、臨床への応用を目的として動物実験における検証をおこなった。シェーグレン症候群は難治性の自己免疫疾患であり、現在までに根治的な治療法は開発されていない。本疾患の唾液腺においては、炎症性細胞浸潤に伴う腺房構造の萎縮、破壊が生じる一方で導管構造は残存するという組織学的特徴がある。そこで、本疾患に対する治療戦略として以下の方法を立案する。すなわち、唾液腺腺房の構造破壊による唾液分泌機能の改善法としては、(1)細胞の基底膜構造の破壊の原因となっているTNF-αの発現を阻害する方法、(2)腺房構造の破壊が進行し、腺房の再生が困難な場合には、残存する導管細胞にAQP5を発現誘導させ、導管細胞に腺房細胞の機能を付与させる臓器再生の観点に立った治療法である。またAQP5の発現低下つまり唾液腺自体の機能低下による唾液分泌低下の場合には、(3)TNF-αを制御しAQP5の発現を維持させることによって、唾液分泌の機能回復を目指す。このような治療戦略により、唾液分泌低下による口腔乾燥を根本的に改善させることを本研究の目的とする。平成23年度はDNA脱メチル化剤であるデシタビンを、モデルマウスに投与し、唾液腺導管細胞におけるアクアポリン5の発現様式とその機能について解析した。すなわち、MRL/lprマウスの腹腔内にデシタビンを投与した。投与濃度は未処理、2 mg/kgの2段階、投与間隔は週1回、週2回、週3回の3グループに分けて4週間継続投与する。デシタビンの最終投与から2週目にマウスを塩酸ケタミンにて無痛的に屠殺し、唾液腺を回収し、組織標本を作製した。未処理群と比較しシェーグレン症候群の組織学的特徴を解析したところ、検証した期間内において組織学的な違いは認められなかった。しかし、デシタビン投与群においては、導管細胞でのアクアポリン5の発現が増強しており、マウスの唾液分泌量を有意に増加させた。シェーングレン症候群は難治性の自己免疫疾患であり、現在までに根治的な治療法は開発されていない。そこで、本疾患に対する治療戦略として以下の方法を立案した。すなわち、唾液腺腺房の構造破壊による唾液分泌機能の改善法としては、(1)細胞の基底膜構造の破壊の原因となっているTNF-αの発現を阻害する方法、(2)腺房構造の破壊が進行し、腺房の再生が困難な場合には、残存する導管細胞にアクアポリン5を発現誘導させ、導管細胞に腺房細胞の機能を付与させる臓器再生の観点に立った治療法である。またアクアポリン5の発現低下、つまり唾液腺自体の機能低下による唾液分泌低下の場合には、(3)TNF-αを制御しアクアポリン5の発現を維持させることによって、唾液分泌の機能回復を目指す。このような治療戦略により、唾液分泌牴下による口腔乾燥を根本的に改善させることを目的とした。本研究においてはDNA脱メチル化剤であるデシタビンを、モデルマウスに投与し、唾液腺導管細胞におけるアクアポリン5の発現様式とその機能について解析した。まず、C57BL/6CrClcマウスの腹腔内にデシタビンを投与した。投与濃度は未処理、1mg/kgの2段階、投与間隔は週1回、週2回、週3回の3グループに分けて4週間継続投与した。デシタビンの最終投与から1週間後にマウスを塩酸ケタミンにて無痛的に屠殺し、唾液腺を回収し、組織標本を作製した。未処理群とデシタビン投与群の唾液腺の組織学的特徴をを解析すると、組織学的な違いは認められなかった。しかし、デシタビン投与群においては、唾液腺管細胞のアクアポリン5の発現が増強していることが確認できた。また、デシタビン投与群のマウスでは唾液分泌量が有意に増加していた。

すなわち、唾液腺腺房の構造破壊による唾液分泌機能の改善法としては、(1)細胞の基底膜構造の破壊の原因となっているTNF-αの発現を阻害する方法、(2)腺房構造の破壊が進行し、腺房の再生が困難な場合には、残存する導管細胞にAQP5を発現誘導させ、導管細胞に腺房細胞の機能を付与させる臓器再生の観点に立った治療法である。またAQP5の発現低下つまり唾液腺自体の機能低下による唾液分泌低下の場合には、(3)TNF-αを制御しAQP5の発現を維持させることによって、唾液分泌の機能回復を目指す。このような治療戦略により、唾液分泌低下による口腔乾燥を根本的に改善させることを本研究の目的とする。平成23年度はDNA脱メチル化剤であるデシタビンを、モデルマウスに投与し、唾液腺導管細胞におけるアクアポリン5の発現様式とその機能について解析した。すなわち、MRL/lprマウスの腹腔内にデシタビンを投与した。投与濃度は未処理、2 mg/kgの2段階、投与間隔は週1回、週2回、週3回の3グループに分けて4週間継続投与する。デシタビンの最終投与から2週目にマウスを塩酸ケタミンにて無痛的に屠殺し、唾液腺を回収し、組織標本を作製した。未処理群と比較しシェーグレン症候群の組織学的特徴を解析したところ、検証した期間内において組織学的な違いは認められなかった。しかし、デシタビン投与群においては、導管細胞でのアクアポリン5の発現が増強しており、マウスの唾液分泌量を有意に増加させた。平成24年度に行った研究成果は、当初予定していた3つの研究目標、すたわち(1)細胞の基底膜構造の破壊の原因となっているTNF -αの発現を阻害する方法、(2)腺房構造の破壊が進行し、腺房の再生が困難な場合には、残存する導管細胞にAQP5を発現誘導させ、導管細胞に腺房細胞の機能を付与させる臓器再生の観点に立った治療法、(3) TNF-αを制御しAQP5の発現を維持させることによって、唾液分泌の機能回復を目指す方法のうちの(1)の項目について解析を行い、デシタビンが唾液分泌増加に対して、有効であることを示している。研究期間は3年間を予定しており、2年目にそのうちの1項目について成果を挙げたことから、研究はおおむね順調に進展していると評価する。平成23年度に行った研究成果は、当初予定していた3つの研究目標、すたわち(1)細胞の基底膜構造の破壊の原因となっているTNF-αの発現を阻害する方法、(2)腺房構造の破壊が進行し、腺房の再生が困難な場合には、残存する導管細胞にAQP5を発現誘導させ、導管細胞に腺房細胞の機能を付与させる臓器再生の観点に立った治療法、(3) TNF-αを制御しAQP5の発現を維持させることによって、唾液分泌の機能回復を目指す方法のうちの(2)の項目について解析を行い、デシタビンが唾液分泌増加に対して、有効であることを示している。研究期間は3年間を予定しており、1年目にそのうちの1項目について成果を挙げたことから、研究はおおむね順調に進展していると評価する。本年度はTNF-α中和抗体によりTNF-αの発現を制御し、AQP5の発現を維持させることにより唾液分泌の回復を促す研究をおこなう。モデルマウスを用いて解析を行う予定である。すなわち、シェーグレン症候群モデルマウス(MRL/lpr)の腹腔内にTNF-αの中和抗体を投与する。投与濃度は未処理、3 mg, 5 mg, 10 mg/kgの4段階、投与間隔は週1回、週2回、週3回の3グループに分けて4週間継続投与する。中和抗体の最終投与から2週目にマウスを塩酸ケタミンにて無痛的に屠殺し、唾液腺を回収し、組織標本を作製する。
有機シンチレータを用いた入射方向弁別可能な高エネルギー中性子検出器に関する研究

本年度は、反跳陽子ラディエータの厚さによる影響ついて研究を行った。高エネルギー中性子の検出方法には、飛行時間法と反跳陽子法がある。このうち飛行時間法は検出原理が容易であるが、数百MeVの高エネルギー中性子を測定するためには長い飛行距離が必要となる。このため検出器の見込む立体角が減少し、単位時間辺りの検出数が少なくなり、統計量を上げるためには長時間測定が必要となる。一方、反跳陽子法では、中性子を反跳陽子ラディエータを通過させることによって一旦陽子に変換し、その陽子のエネルギーを検出器へのエネルギー付与を測定することになるので、検出器系を中性子発生点に近付けることができ、単位時間辺りの検出数を大きくすることができ、より短時間で必要な統計量を得ることができると考えられる。ラディエータによって反跳された陽子を検出するには無機シンチレータが有用である。そこで無機シンチレータNaI(Tl)の周囲に有機シンチレータNE102Aを配置することにした。この組み合わせでは、NaI(Tl)の減衰時定数が230nsであるのに対して、NE102Aの減衰時定数は10nsと極端に異なるため、減衰時定数の異なる有機シンチレータを利用するよりも微分積分回路とゲート積分法を用いた信号波形弁別がより容易になることが利点となる。米国ロスアラモス国立研究所ロスアラモス中性子科学研究センターのWNR施設で、この検出器の入射方向弁別特性を測定した。本年度は反跳陽子ラディエータに厚さ2cmと20cmのポリエチレンを使用した。厚いラディエータの方が検出効率が上がることが期待されたが、実効的な立体角が減少するため検出効率が下がることがわかった。しかしながらどちらのラディエータを使用した場合にも、検出器にまっすぐ入射した反跳陽子と斜めに入射した反跳陽子が弁別できることがわかった。本年度は、無機シンチレータの周囲に有機シンチレータを配置した検出器について研究を行った。高エネルギー中性子の検出法には大きく分けて、飛行時間法と反跳陽子法がある。飛行時間法は検出原理が容易であるが、数百MeVの高エネルギー中性子を測定するためには長い飛行距離が必要となる。このため検出器の見込む立体角が減少し、単位時間辺りの検出数が少なくなる。一方反跳陽子法では、中性子を反跳陽子ラディエータを通過させることによって一旦陽子に変換し、その陽子のエネルギーを検出器へのエネルギー付与を測定することになるので、検出器系を中性子発生点に近付けることができ、単位時間辺りの検出数を大きくすることができる。反跳陽子は無機シンチレータで測定するのが有効であるので、本年度は無機シンチレータNaI(Tl)の周囲に有機シンチレータNE102Aを配置することにした。この際、微分積分回路の時定数は50ns、ゲート積分法によるゲート幅は50nsと150nsに設定した。この結果、検出器にまっすぐ入射した反跳陽子と斜めに入射した反跳陽子が弁別できることが分った。
コモンモード進行波の伝播メカニズムに基づくシグナル/パワーインテグリティの実現

本研究はディジタル回路の高速化にともない重要性を増しているシグナル/パワーインテグリティのための新しい手法を、コモンモードの電流伝播をもとに開発することを目的としている。研究では導体を複数のセルに分割し、そのセル内は光速で電流が伝播するとともにセル境界には連続の式を満たす電荷が蓄積するモデルを提案していた。昨年度までに単一導体上の伝播メカニズムの解析を行い、円筒状導体について導体表面を電流が流れるモデルにおいて、導体の半径を考慮しても提案手法が有効であることが明らかになった。しかし、半径の異なる線路を接続した場合に特別な定数を加えないと適切な反射を表現できないことが問題となっていた。本年度はまずこの問題の原因を明らかにすることを試みた。その結果、これまで導体セル内を一方向にのみ伝播するものとして電流を表現していることが、反射波を適切に表現できない問題となっていることが明らかになった。そこで、新たに逆方向に伝播する電流を変数として考慮し、導体表面のマッチングポイントを2点とる、新たなモデルを提案した。提案モデルを用いることにより、2導体伝送線路での理論上の反射係数を正確にシミュレートできることがわかった。これにより異なる半径の導体を接続した場合も提案モデルが有効であることが確認できた。さらに時間領域でのシミュレーションについても検詩を行ったが、時間の経過とともに量子化誤差が増大する傾向が見られ、現在のところは適切なシミュレーションはできていない。この問題は今後の解決すべき課題である。2導体系のコモンモードは、帰路線をもたないという特徴がある。このような帰路線をもたないコモンモードの伝播を明らかにするために、最も簡単な単一導体線路を用いてその発生伝播メカニズムを明らかにすることに取り組んだ。考察対象としては端点をもつ半無限長完全導体の端点から電流源で電流を注入するモデルを考えた。この導体の中心軸上に電流が流れると仮定し、その周囲に作る電界を解析的に表現した。次に導体表面において電界が境界条件を満たすように電流を定める方程式を複素周波数領域で導出した。これは積分方程式となるため、離散化を行い数値的に解いた後、数値逆ラプラス変換を用いて時間領域における波形を求める方法を提案した。この方法の正当性は、FDTD法による結果との比較によって確認した。提案方法は電流と電荷が原因となり電界を形成し、その電界を打ち消すためにさらに電流と電荷が誘導されるというモデルを表現している。FDTD法の場合は近接作用に基づくため因果関係も近傍との関係しか明らかにならないのに対し、提案手法の場合は原因となる電流及び電荷の作用により新たに電流と電荷が誘導されるという因果関係が明確になり、発生伝播メカニズムを明らかにすることができる。実際にその因果関係を調べた結果、単一導体線路での伝播現象には電荷によるスカラーポテンシャルが大きく影響し、このスカラーポテンシャルによる電界が電流を押し出す形で電流伝播が発生していることが明らかになった。つまり、端点に注入された電流により電荷が蓄積し、その蓄積した電荷による電界が前方へ流れる電流を誘導し、単一導体線路上の電流伝播が発生する。また、伝播には蓄積電荷が必要なため、ステップ電流を注入しても伝播波形はなまった波形になることを明らかにした。一方実験においては、1.5m程度の銅線を用いた実験によりこのコモンモードを確認した。シグナル・パワーインテグリティを実現するための新しい解析手法としてコモンモード進行波の伝播に基づく方法を提案した。これまでの手法としてはMaxwell方程式に基づくフルウェイブ解析やPEEC法などの回路モデルに基づく解析などが上げられるが、提案手法は物理的なメカニズムに忠実で現象の因果関係がはっきりした方法と言える。昨年度までは近軸近似を用いた方法に関して議論してきたが、導体の半径の影響をきっちりと考慮に入れることが難しいため、本年度は円筒状完全導体の表面に電流と電荷が分布するモデルを提案した。解析においては円筒状導体を切断し、各部分の表面に電流を配置し、つなぎ目に電荷を配置した。このようなモデルに対してラプラス変換を用いることにより効率的に過渡解析を行う手法を提案した。実際に導体の半径による依存性を解析した結果、導体分割を荒くしても近軸近似よりも安定した解析が行えることを確認した。また導体半径の影響としては、ステップ電流を印加したときの波形のなまりが半径の増加に伴い大きくなることが明らかになった。また、導体半径の異なる線路を連結させた場合に反射と透過が起こることが確認できた。次に、二導体線路における伝播を単一導体を2本配置して解析することによって明らかにした。この場合、通常の差動モードは互いに誘導の影響により形成されることになる。また、導体半径の異なる線路をつないだ場合に、コモンモード(同相モード)が発生するメカニズムを誘導に基づいて明らかにした。さらに、MPIライブラリを用いることによりFDTD法による並列シミュレーションを行ない、提案手法が十分な精度で解析できていることを確認した。また、提案手法の並列化を行い、ノード数を増やすことにより効率的に計算が実行できることを確認した。

昨年度までに単一導体上の伝播メカニズムの解析を行い、円筒状導体について導体表面を電流が流れるモデルにおいて、導体の半径を考慮しても提案手法が有効であることが明らかになった。しかし、半径の異なる線路を接続した場合に特別な定数を加えないと適切な反射を表現できないことが問題となっていた。本年度はまずこの問題の原因を明らかにすることを試みた。その結果、これまで導体セル内を一方向にのみ伝播するものとして電流を表現していることが、反射波を適切に表現できない問題となっていることが明らかになった。そこで、新たに逆方向に伝播する電流を変数として考慮し、導体表面のマッチングポイントを2点とる、新たなモデルを提案した。提案モデルを用いることにより、2導体伝送線路での理論上の反射係数を正確にシミュレートできることがわかった。これにより異なる半径の導体を接続した場合も提案モデルが有効であることが確認できた。さらに時間領域でのシミュレーションについても検詩を行ったが、時間の経過とともに量子化誤差が増大する傾向が見られ、現在のところは適切なシミュレーションはできていない。この問題は今後の解決すべき課題である。
芳香環リフォームの確立

ヘテロ芳香環は広く有機化合物中に存在し、それらの化合物の構造と機能の根幹を担う基本骨格である。したがって、ヘテロ芳香環の周辺修飾に関する研究は精力的に行われてきた。その一方で、ヘテロ芳香環の開裂を伴う骨格変換は芳香族性や強固な炭素-ヘテロ原子結合のため容易ではない。もしヘテロ芳香環を起点とする自在な環骨格変換が実現すれば、生成物の多様性や合成工程数の削減などの観点から、魅力的かつ斬新な合成戦略となりうる。2017年度はマンガン触媒を用いたベンゾフランへのヘテロ原子挿入法を開発した。ベンゾフランに対しマンガン触媒存在下、過剰量の有機リチウムを作用させることで、2位のリチオ化と続くマンガンアート種からの1,2転位による開環反応が連続的に進行し、対応するジアニオン種が得られることを見いだした。さらに生じたジアニオン種に対しヘテロ原子求電子剤を作用させると、ヘテロ原子を含んだ新たな六員環化合物が良好な収率で得られた。ヘテロ原子求電子剤としてホウ素やリンのみならず、ゲルマニウムやチタンを用いたときでも、対応する環状化合物が生成することを見いだした。一方、2016年度末に発見したロジウム触媒を用いた研究についても、取りまとめを終え、論文を発表することができた。すなわち、ジベンゾチオフェンをロジウム-銅共触媒系を用いてビスピナコラートジボロンと反応させたところ、有用な合成中間体であるジボリルビフェニルを合成することができた。また、この中間体が含ホウ素ヘテロ環の前駆体として極めて有用であることを明らかにした。研究成果は、Chemistry LettersのEditor's Choiceとしてハイライトされた。当初、ニッケル触媒を用いた新規芳香環リフォーム法の開発を目論んでいたが、予想外にマンガン触媒が機能することを発見した。ニッケルをはじめとする他の遷移金属元素と比べて圧倒的にマンガンの触媒活性は高い。特に多様性を指向した芳香環リフォームには極めて有力な手段となる。計画段階で予定していたホウ素やケイ素だけでなく、ゲルマニウムやチタンといったあまりヘテロ環の構成要素としてはなじみのない元素も導入可能であり、研究は予想外の広がりを見せている。ニッケルやパラジウムなどの汎用性遷移金属触媒だけでなく、あまり触媒活性が知られていない遷移金属ににまで手を広げて、芳香環リフォームの適用範囲を広げていきたい。特に、ピロールの開環が最も難易度が高いため、マンガンをはじめとする遷移金属の有効利用を重点的に検討していく。ホウ素含有ヘテロ芳香環は近年盛んに注目を集める新しいケミカルスペースである。興味深い生物活性や電子・光物性を期待できる新ケミカルスペースに立脚した化学を確立させるべく、短段階かつ効率的な芳香環リフォームに取り組んだ。1)ニッケル触媒によるベンゾフランへのホウ素挿入:IPr配位子を有するニッケル触媒と炭酸セシウムの存在下、ベンゾフランに対してビスピナコラートジボロンを作用させると、ベンゾフランの2位炭素ー酸素結合に対しホウ素原子が挿入され、生成物としてベンズオキサボリンが得られることを見いだした。また、生成物の一つであるナフトオキサボリンのホウ素上をアリール化することで、青色蛍光分子も創出した。2)ロジウム/銅共触媒系によるジベンゾチオフェンの開環ジボリル化:ロジウム/銅共触媒存在下、ジベンゾチオフェンに対しビスピナコラートジボロンを作用させると、2,2'-ジボリルビフェニルが得られることを見いだした。反応はロジウム単独触媒でも進行するが、銅触媒を共存させることにより反応速度と収率が向上した。本反応は安定なヘテロ芳香環を開環させつつ二箇所のボリル化を行う常識破りの反応といえる。本反応により合成した2,2'-ジボリルビフェニルは,過酸化水素を用いたヒドロキシ化によりオキサボリンへ,求電子的窒素化剤を用いたアミノ化によりアザボリンへ,それぞれ容易に変換できた。これらの変換反応により,ビルディングブロックとしての2,2'-ジボリルビフェニルの高い有用性を実証した。2,2'-ジボリルビアリールを基軸とした本手法では多様なボラサイクルを同一の出発原料から合成できる。多様性指向型の原子挿入法として意義深い。ニッケル触媒を用いた新規反応の開発を順調に進めていたが、予想外にロジウムと銅を共触媒とする新規芳香環リフォーム反応を発見した。ニッケル触媒よりもパワフルであり、状況に応じて使い分ける体制が整った。

ヘテロ原子求電子剤としてホウ素やリンのみならず、ゲルマニウムやチタンを用いたときでも、対応する環状化合物が生成することを見いだした。一方、2016年度末に発見したロジウム触媒を用いた研究についても、取りまとめを終え、論文を発表することができた。すなわち、ジベンゾチオフェンをロジウム-銅共触媒系を用いてビスピナコラートジボロンと反応させたところ、有用な合成中間体であるジボリルビフェニルを合成することができた。また、この中間体が含ホウ素ヘテロ環の前駆体として極めて有用であることを明らかにした。研究成果は、Chemistry LettersのEditor's Choiceとしてハイライトされた。当初、ニッケル触媒を用いた新規芳香環リフォーム法の開発を目論んでいたが、予想外にマンガン触媒が機能することを発見した。ニッケルをはじめとする他の遷移金属元素と比べて圧倒的にマンガンの触媒活性は高い。特に多様性を指向した芳香環リフォームには極めて有力な手段となる。計画段階で予定していたホウ素やケイ素だけでなく、ゲルマニウムやチタンといったあまりヘテロ環の構成要素としてはなじみのない元素も導入可能であり、研究は予想外の広がりを見せている。利用できる遷移金属触媒をフルに活用して、芳香環リフォームの確立に邁進したい。特に難易度の高いピロール類のリフォームには、ニッケルだけでなく銅が有効であることを予備的に認めており、今後の研究推進の大きな手がかりとなる。ニッケルやパラジウムなどの汎用性遷移金属触媒だけでなく、あまり触媒活性が知られていない遷移金属ににまで手を広げて、芳香環リフォームの適用範囲を広げていきたい。特に、ピロールの開環が最も難易度が高いため、マンガンをはじめとする遷移金属の有効利用を重点的に検討していく。