伊丹 健一郎氏、 山口 潤一郎氏 ベンゼン環は、有機化学の象徴ともいうべき構造であり、天然・人工を問わず多くの化合物の基本単位だ。このベンゼン環に各種の置換基を導入することで、多様な性質を引き出すことができ、例えば液晶材料・有機EL・医薬品などの高付加価値化合物がここから生み出される。このため、ベンゼン環上の望みの位置に必要な置換基を導入する手法の開発は、化学の黎明期から変わらぬ重要なテーマだ。このほど名古屋大学の伊丹健一郎教授、山口潤一郎准教授らのグループは、ベンゼン環の6つの炭素に、全て異なる芳香環が導入された「ヘキサアリールベンゼン」の合成に成功した。その意義、研究の経緯などを、両博士に伺った。

ターゲットは「カッコいい分子」 ―― 今回の論文のテーマは、ヘキサアリールベンゼン（HAB、図1）の合成です。この化合物を合成ターゲットに選んだ理由は？ 伊丹氏： 第一に、僕は「ベンゼンが好き」というのが根本にあります。美しい分子じゃないですか。そのベンゼンに、さらに6つもベンゼンがついているわけですから、好きな人にはたまりません（笑）。 山口氏： 僕も、構造式を見ただけで「ああ、これはあの人の仕事だな」と思ってもらえるような、カッコいい分子を作ってみたいという思いがありました。HABは、6つのベンゼン環がプロペラのようにねじれた3次元的な構造で、「自分の手で作ってみたい」と思える分子でした。

図1：ヘキサアリールベンゼン（HAB） 中央のベンゼン環に対して、6種の異なる芳香環が結合している。芳香環はサイズが大きいために互いに反発力が働き、効率よく導入することは難しい。さらに、周辺の置換基の組み合わせによって極めて多様な可能性があり得るため、目的のものだけを合成するのは非常に困難である。 ―― 共通するのは、「カッコいい分子を作ってやろう！」という点ですね。 山口氏： 完全にそのとおりです（笑）。実験を担当した鈴木真君もカッコいいものが大好きなので、彼にはカッコいいテーマでないとダメだろうと。 伊丹氏： 我々の論文には「美しい構造」という言葉がよく出てくるので、共同研究をしている物理学の人などには、「化学者というのは皆『美しい』ことをそんなに重視するのか」と不思議がられたりします。 ―― どの学問分野でも、「美しさ」というのは重要かと思えます。 伊丹氏： 我々は、「美しいものには機能が宿る」という信念を持って取り組んでいます。例えばHABは、我々の研究室の重要テーマであるナノグラフェンや、その他の各種高機能材料の合成に結び付きます。ただしそれ以上に、「破格の構造多様性」に挑むという目標がありました。 ―― HABには極めて高い多様性がある？ 伊丹氏： はい。6つの異なる置換基の組み合わせから考えられる置換ベンゼンの可能な分子数を計算してみると、置換基が6種類であれば4291種、20種なら537万以上、50種なら13億を超えます。この中には、素晴らしい機能を持つ分子があるはずですが、HABのこの多様性は現在もまるで活用できていないわけです。 「プログラム合成」で難物に挑む 伊丹氏： そこで、我々が以前から提唱している「プログラム合成」という概念で、この究極のターゲットに挑んでみようということになりました。 ―― 論文のタイトルにも登場する言葉ですね。どういった概念ですか？ 伊丹氏： 今まで、有機合成では「選択的合成」ということが重視されてきました。幾何異性体、光学異性体などさまざまな異性体の中から、欲しい1種だけを選んで作り出すということです。しかし、可能性のある分子全てを作り出すことができればもっといい。それも、1つ1つ違う方法で作るのではなく、単一のスキームで合成したいということです。これをプログラム合成と呼んでいて、選択的合成の上位概念になると考えています。 ―― 多様な化合物群を、体系的、統一的に合成する手法ということですね。 伊丹氏： 最初にターゲットにしたのは、多置換オレフィンでした。オレフィンには4つの置換基が結合できますが、位置によって反応性が異なるので、これを利用して順次置換基を導入することで解決しました（図2）。多置換の各種ヘテロ環なども制覇していって、いよいよベンゼンに手を付けたのが2005年です。しかしこれは難しすぎ、2007年頃にいったん放棄しました。

図2：多置換オレフィン・多置換ヘテロ環のプログラム合成 一置換オレフィンは対称性が低く、置換位置の環境が全て異なるため、比較的合成は容易。また、各種ヘテロ環は、窒素やイオウ原子の存在によって、置換位置の反応性が異なっているため、これを利用して選択的な置換基導入ができる。 ―― ベンゼンはそんなに難しいのですか？ 伊丹氏： ヘテロ環の炭素はそれぞれ環境が違いますが、ベンゼン環は対称性が高いので、炭素はほぼ同じ環境にあります。ですので、1カ所だけを狙って変換するのは至難の業です。 ―― その難物に、再挑戦することになったきっかけは？ 伊丹氏： 3年半ほど前、山口君が「僕らはHABにすごく近いところまで来てますよ」と言い出しまして。当時、チオフェンに4つのアリール基を導入する方法はすでに完成していました。これをベンゼン環に変換すればいいと。眼からうろこでした。このメンバーでなければ、生まれなかった研究です。 山口氏： チオフェンは有機導電体など機能性分子によく出てくる骨格ですが、合成屋である自分には、シンプルに4炭素のユニットに見えていました。これを、2炭素のユニットとDiels-Alder反応で結合させればベンゼン環になる、という単純な発想です（図3）。

図4 4置換チオフェンの合成。メトキシ基（-OMe）を足掛かりに、チオフェン環上に順次アリール基（Ar）を導入していく。Ar1、Ar2、Ar3の3つのアリール基が、C-H結合活性化反応によって導入されている。 伊丹氏： 大きなきっかけになったのは、村井真二先生が1993年に報告した反応です（参考文献1）。それまでは、「こんなことができるはずがない」と、心理的な障壁が高かったのだと思います。しかし「こういうことができる」と分かってからは、多くの研究者が参入して一挙に研究が進みました。 ―― C-H結合活性化が与えた影響は大きい？ 伊丹氏： 複雑な分子の合成工程は、以前に比べて半分くらいになったのではないでしょうか。コストや廃棄物は、合成工程数に依存しますから、非常に大きな変革です。 ―― さて次は、そうして作った四置換チオフェンを、ベンゼンにする段階です。 山口氏： チオフェンそのままでは、Diels-Alder反応を受けつけないのは常識です。ただ僕は、このような芳香環を壊すこともテーマとしていましたので、チオフェン環を酸化してS-オキシドにすることで芳香族性をなくし、ジエンとして反応させる着想はすぐに出てきました。これをジアリールアセチレンと一緒に加熱するとDiels-Alder反応が進行し、一酸化硫黄の脱離を伴ってHABの骨格が出来上がります（図5）。