『化学③』有機触媒② 河東丈二 Joji Kawahigashi

触媒とは，「それ自身が変化することなく，化学反応 を促進する物質」である．触媒は19世紀にヨーロッパ で発見されたとされており，近代工業では窒素と水素か らアンモニアを生産するハーバー・ボッシュ法で触媒が 使われていることでも知られている．この時使われてい る触媒は金属触媒と呼ばれ，固体の金属から成る．20 世紀は金属触媒の時代と呼ばれ，金属や金属にさまざま な配位子を結合させた触媒が作られた． 触媒はその構成成分に応じていくつかに分類される が，タイトルにもある有機（分子）触媒とは，触媒活性 を有する金属を含まない低分子有機化合物のことで， 2000年にMacMillanによって定義された新しい触媒で ある．実はこの有機触媒は1971年にUlrichらによって 発見されており，最初の有機触媒として発見されたのは タンパク質を構成するアミノ酸の一つであるL-プロリ ンである．この非常に有名な物質であるL-プロリンは 不斉合成（立体異性体を作る反応）を触媒する．その後 しばらくは有機触媒に関する論文は登場しないが， 2000年以降（たった7年で論文年間掲載件数が500報を 超えるなど）増加の一途をたどっている．有機触媒がこ れほど注目されるのには理由があり，工業に用いられて いる一般的な金属触媒と比較して以下の点で優れている ためである．有機触媒は金属を含まないために反応生成 物に金属の混入がなく，廃液の処理などを簡便に低コス トでできる．また，反応の条件が温和であり，水溶液で の反応も可能で，常圧～数気圧で進行し，反応温度も常 温であることが多い．これらの反応は環境負荷が小さく， グリーンケミストリーが叫ばれている昨今の状況と相 まっている．加えて，貴重な金属を使わずに安価に研究・ 開発が可能であることから，新興国（特に中国）での研究対象になりやすいことも理由とされている． 話は少しかわり，生物が持つ触媒は生体触媒と呼ばれ， アミノ酸からなる酵素とRNAからなるリボザイム （RNA酵素）がある．酵素は生体内のさまざまな反応を 触媒し，工業的にも金属触媒では難しい反応を触媒する など役立っている．リボザイムはタンパク質翻訳で機能 するリボソームの活性中心として知られ，そこではホス ホジエステル結合を形成する反応を触媒する．RNAが 触媒活性を持つことが発見されたことで，生命が生まれ る以前はRNAによる自己複製系が存在していたのでは ないかというRNAワールド仮説が生まれるなど，学術 的にも非常に興味深い． 有機触媒は生体触媒（酵素），金属触媒に次ぐ触媒で あると言われており，生体触媒とはまったく切り離され た触媒として考えられてきた．ところが，最近になって 放線菌という微生物が有機触媒を作るという報告がされ た3)．この有機触媒はアクチノロージン（ACT）という 抗生物質として知られてきた低分子有機化合物で，L-アスコルビン酸（ASC）やL-システイン（Cys）を酸化し てL-デヒドロアスコルビン酸（DHA）やL-シスチン （CSSC）と過酸化水素（H2O2）を生成する反応を触媒 することが発見された（図1）．アクチノロージンは触媒 活性を有する低分子有機化合物である一方で，生物が生 産する触媒すなわち生体触媒であることから，有機触媒 は生体触媒の新たなカテゴリーといえる． 有機触媒は低分子有機化合物からなる触媒であり，構 成する元素は，主に炭素，水素，酸素，窒素からなり， 生体分子とほぼ同一である一方で，生体触媒としては まったくかけ離れたものであると考えられ，生物学的に はまったく注目されていなかった．しかし，有機触媒ア クチノロージンの発見をきっかけとして，生体内からさ まざまな有機触媒が発見されると期待され，その中には 工業的に有用な有機触媒があってもおかしくないと考え られる．有機触媒は触媒界のニューフェイスであり，今 後の活躍が期待される．

Organocatalysis②　Joji Kawahigashi

A catalyst is a substance that accelerates a chemical reaction without itself being changed. Catalysts are said to have been discovered in Europe in the 19th century and are known to be used in modern industry in the Haber-Bosch process, which produces nitrogen and hydrogen or ammonia. The catalyst used at this time is called a metal catalyst and consists of a solid metal. The 20th century has been called the age of metal catalysts, and metals and metals combined with various ligands were used as catalysts. Catalysts are classified into several categories according to their constituents, but the organic (molecular) catalysts in the title are low-molecular-weight organic compounds that do not contain metals and have catalytic activity, as defined by MacMillan in 2000. He is in a new catalyst made. In fact, this organocatalyst was discovered by Ulrich et al. This very famous substance, L-proline, catalyzes asymmetric syntheses (reactions that produce stereoisomers). After that, no papers on organic catalysts appeared for a while, but since 2000 (the number of papers published per year exceeded 500 in just seven years), the number of papers has steadily increased. There is a reason why organocatalysts have attracted so much attention, as compared to common metal catalysts used in industry, they are superior in the following points. Since organic catalysts do not contain metals, the reaction products do not contain metals, and the waste liquid can be treated easily and at a low cost. In addition, the reaction conditions are mild, the reaction is possible in an aqueous solution, the reaction proceeds at normal pressure to several atmospheres, and the reaction temperature is often normal temperature. These reactions have a small environmental load and are combined with the recent situation where green chemistry is being called for. In addition, since it is possible to conduct research and development at a low cost without using precious metals, it is likely to be the subject of research in emerging countries (especially China). To change the story a little, the catalysts that living things possess are called biocatalysts, and there are enzymes made up of amino acids and ribozymes (RNA enzymes) made up of RNA. Enzymes catalyze various reactions in living organisms and are also useful industrially by catalyzing reactions that are difficult with metal catalysts. Ribozymes are known as the active centers of ribosomes that function in protein translation, where they catalyze reactions that form phosphodiester bonds. The discovery that RNA has a catalytic activity gave rise to the RNA world hypothesis, which suggests that a self-replicating system using RNA existed before life was born. . He said that organic catalysts are second only to biocatalysts (enzymes) and metal catalysts, and have been considered as catalysts completely separated from biocatalysts. Recently, however, it has been reported that microorganisms called actinomycetes produce organic catalysts3). This organic catalyst is actinorhodin (ACT), a low-molecular-weight organic compound known as an antibiotic, which oxidizes L-ascorbic acid (ASC) and L-cysteine ​​(Cys) to form L-dehydroascorbic acid (DHA). and L-cystine (CSSC) and hydrogen peroxide (H2O2) were found to catalyze the reaction (Fig. 1). While actinorhodin is a low-molecular-weight organic compound with catalytic activity, it is also a catalyst produced by living organisms, that is, a biocatalyst. Organocatalysts are catalysts composed of low-molecular-weight organic compounds, and the constituent elements are mainly carbon, hydrogen, oxygen, and nitrogen. It is thought that there is, and has not received any attention biologically. However, the discovery of the organocatalyst actinorhodin is expected to lead to the discovery of various organocatalysts in living organisms, and it is not surprising that among them there may be industrially useful organocatalysts. Organocatalysts are a new face in the field of catalysis and are expected to play an active role in the future.