魔法の手伝いさんと特別な結び目のほどき方

みなさんは、たくさんの種類の結び目がある紐を見たことがありますか？その中から特定の結び目だけをほどくのは難しいですよね。同じように、科学者たちは分子の中にある特定の「結び目」だけをほどきたいと思っています。今回の研究では、魔法の手伝いさん（触媒）が、たくさんの結び目（アミド結合）の中から特別な結び目だけを見つけてほどくことができるようになりました！

分子の中の結び目「アミド」とは？

私たちの体の中にも、身の回りのものにも、「アミド」と呼ばれる特別な結び目がたくさんあります。たとえば、私たちの体を作っているタンパク質は、このアミドという結び目でつながっています。アミドは通常とても丈夫で、簡単にはほどけません。

科学者たちは、このアミド結び目をほどくために、これまでとても強い道具（還元剤）を使っていました。でも強すぎる道具は、他の大切な結び目までほどいてしまうことがあります。ちょうど、力の強い人がすべての結び目を一気に引きちぎってしまうようなものです。

ふたつの特技を持つ魔法の手伝いさん

今回の研究で科学者たちは、ふたつの特技を持つ魔法の手伝いさん（二機能性触媒）を作りました。この手伝いさんは、銅（どう）という金属からできています。

この魔法の手伝いさんの特技は2つあります：

1. 水素という小さな分子を使って結び目をほどく特技
2. 特別な結び目だけを見分ける特技

特に2つ目の特技がすごいのです！これまでの手伝いさんは、どの結び目も同じように見えていました。でも今回の手伝いさんは、「あ、この結び目は特別だから、これだけをほどこう」と分かるのです！

図1：二機能性触媒の概念図

図1の説明： この絵は研究の概念を示しています。上の部分（a）は、これまでの研究でアミド結合を水素で還元する方法を示しています。中央部分（b）は、二機能性触媒がどうやって反応性を制御するかを示しています。下の部分（c）は、触媒のグアニジン部位が特別なアミドだけを認識する仕組みを示しています。

特別な結び目の見つけ方

科学者たちは、いろいろな種類のアミド結び目を用意して、魔法の手伝いさんがどれをほどけるか実験しました。すると面白いことに、特定の形の結び目だけが選ばれることがわかりました。

普通の結び目はほとんどほどけませんでしたが、モルホリンやピペラジンという特別な形の輪っかを持つ結び目は、とてもよくほどけたのです！これは、魔法の手伝いさんが持つグアニジンという部分が、この特別な形の輪っかを「あ、これだ！」と認識できるからなのです。

ちょうど、鍵と鍵穴のように、手伝いさんと特別な結び目がぴったり合うと、結び目をほどくことができるのです。

図2：特権的アミドと触媒の反応性

図2の説明： この図は、様々なアミドと触媒の反応性を示しています。上の部分（a）は、異なるアミン部分を持つアミドの反応性の違いを示しています。モルホリンやピペラジンのような特権的アミドはよく反応します。中央部分（b）は、アミドの電子的性質と反応性の相関関係を示していますが、明確な関係は見られません。下の部分（c）は、触媒とアミドの間の水素結合による相互作用を示した計算結果です。これが選択性の理由だと考えられています。

魔法の手伝いさんはチームワークが大切！

面白いことに、この魔法の手伝いさんは、2つの特技が同じ体の中にないと働けないことがわかりました。科学者たちは、2つの特技を別々の手伝いさんに分けて実験しましたが、そのときはアミド結び目をほどくことができませんでした。

これは、友達と二人三脚をするときのようなものです。別々に走ろうとしても上手くいきませんが、しっかり協力すれば速く走れますよね。それと同じで、2つの特技が協力しあうことで、難しいアミド結び目をほどけるのです。

図3：二機能性触媒の必要性を示す実験

図3の説明： この図は、触媒の二機能性が必要であることを示す実験結果です。銅触媒とグアニジンを別々に使うと、反応がほとんど進行しません。両方の機能が同じ分子内にあることが重要です。

いろいろな結び目をほどいてみよう

科学者たちは、いろいろな種類の特別な結び目をほどく実験をしました。ベンゼン環（六角形の輪）がついた結び目も、フラン（五角形の輪）がついた結び目も、そしてアルケン（二重結合）が近くにある結び目も、魔法の手伝いさんはほどくことができました。

ただし、ラクタムという輪になった結び目は、ほどくことができませんでした。すべての結び目が魔法の手伝いさんと相性がいいわけではないようです。

図4：触媒による様々なアミドの還元反応

図4の説明： この表は、様々なアミドの還元反応の結果をまとめたものです。モルホリン、ピペラジン、チオモルホリンなどの特権的アミドがよい収率で対応するアルコールに変換されています。さまざまな官能基（塩素、フッ素、アルケンなど）が反応条件下で耐えられることも示されています。

魔法の手伝いさんと従来の方法の違い

科学者たちは、魔法の手伝いさんと、これまでの強力な道具（アルミニウム水素化物）を比較しました。同じ場所に2つの異なる結び目を置いて、どちらをほどくか競争させたのです。

すると、魔法の手伝いさんは、特別な結び目だけを上手に選んでほどくことができました。一方、従来の強力な道具は、どちらの結び目も区別せずにほどいてしまったのです。

これは、繊細な作業をするときに、大きなハンマーよりも精密な道具を使ったほうが良いということと同じですね。

図5：選択性の比較実験

図5の説明： この図は、二機能性触媒と従来のアルミニウム水素化物試薬の選択性を比較する競争実験の結果です。二機能性触媒はモルホリンアミド1mを選択的に還元しますが、従来の試薬は選択性がほとんどありません。

同じ分子の中の特別な結び目だけをほどく

最後に科学者たちは、同じ分子の中に2つの異なる結び目がある場合でも、魔法の手伝いさんが特別な結び目だけを選んでほどけるか試しました。

結果は大成功！モルホリンやピペラジンという特別な輪っかを持つ結び目だけが選ばれてほどかれ、他の結び目はそのまま残りました。これは、たくさんの異なる色のビーズがついた首飾りの中から、赤いビーズだけを取り除けるようなものです。

この発見は、複雑な分子や高分子（プラスチックのような長い分子）の特定の部分だけを変える新しい方法に役立つかもしれません。

図6：部位選択的アミド水素化

図6の説明： この図は、同じ分子内の複数のアミドから特権的アミドだけを選択的に還元できることを示しています。例えば、モルホリンとピペリジンの両方のアミドを持つ化合物11では、モルホリンアミドだけが選択的に還元されてアルコール12が得られます。同様に、ピペラジンアミドも選択的に還元されます。

この研究はなぜすごいの？

この研究のすごいところは、水素という優しい道具だけを使って、分子の中の特定の結び目だけを選んでほどけるようになったことです。

魔法の手伝いさんの使い方を変えれば、他の種類の結び目も選べるようになるかもしれません。これは、医薬品や新しい材料を作るときに、分子の特定の部分だけを変えられる新しい方法として期待されています。

まとめ：この研究でわかったこと

1. 二機能性触媒（銅とグアニジンの特技を持つ手伝いさん）を使うと、水素だけでアミド結合を還元できる。
2. 触媒のグアニジン部位が特別なアミドだけを認識して、選択的に反応する。
3. モルホリンやピペラジンなどの特別な形の環を持つアミドが「特権的アミド」として選ばれる。
4. この選択性は、触媒と特権的アミドの間の水素結合によるものだと考えられる。
5. 同じ分子内に複数のアミドがある場合でも、特権的アミドだけを選んで還元できる。
6. この方法は、複雑な分子の部位選択的な変換に役立つ新しい手法となる。

原論文の引用情報

Tzaras, D.I., Gorai, M., Jacquemin, T., Arndt, T., Zimmermann, B.M., Breugst, M., & Teichert, J.F. (2025). Site-Selective Copper(I)-Catalyzed Hydrogenation of Amides. Journal of the American Chemical Society, Published online January 3, 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.4c14174