『化学②』有機触媒① 河東丈二 Joji Kawahigashi

　私たちの身体を形作っているたんぱく質など、身の回りの多くの物質は炭素が様々な形でつながってできている。「有機化合物」と呼ばれるこうした物質はかつて、生物だけが作り出すもので、人の手で合成することはできないと考えられていた。

　１８２８年にドイツの化学者ウェーラーが尿素を合成したのを皮切りに、有機化合物も人工的に合成できることがわかり、天然にはわずかしか存在しなかったり、天然にはない新しい性質を持ったりした染料や医薬品、材料などが次々と作られて、私たちの生活を豊かにしてきた。

　第二次世界大戦後に普及した様々なプラスチックや、「空気と水と石炭から生まれ、鋼鉄のように強い」と言われた合成繊維のナイロンは、新しい時代を象徴する夢の物質だった。ノーベル化学賞を受賞した白川英樹さんも野依良治さんも、プラスチックや合成繊維にあこがれて化学の道を志した。

　高度経済成長期に化学工業は花形産業で、多くの人材が集まった。化学、中でも有機化学は日本の得意分野となり、ノーベル賞受賞者も誕生した。

有機化学で最も重要なのは、骨格となる炭素をブロックのように自在に結びつけることだ。２０１０年にノーベル化学賞を受賞した鈴木章さん、根岸英一さんは「クロスカップリング」という手法を開発して、複雑な炭素骨格を自在に構築できるようにした。

　クロスカップリングでは、鈴木さんや根岸さん以外にも、端緒となる反応を発見した京都大学名誉教授の玉尾皓平さんをはじめ、たくさんの日本人化学者が発展に貢献した。

　有機化学のもう一つの課題は、「右手」と「左手」の作り分けだ。有機化合物には、同じ物質でも右手と左手のように立体構造の異なる２種類のタイプを持つものがある。人の手で普通に合成すると、右手と左手の物質は半々の割合でできるが、不思議なことに、私たちの身体などを作っているものはどちらか一方のタイプだけだ。生命の起源につながる謎でもある。

このため、私たちの身体は同じ物質に対しても右手と左手の違いで異なる反応をすることがある。香料「リモネン」は、一方にはレモンの香りを感じるのに、もう一方にはオレンジの香りを感じる。香りならさほど問題ないが、右手と左手の違いは悲劇を生むこともある。睡眠薬「サリドマイド」は右手と左手の混合物が市販されて妊婦が服用した。片方には催奇性があったため、生まれた赤ちゃんに障害が出て大きな問題になった。

フランスの科学者パスツールが生物と無生物の違いの「根元」と注目した、この右手と左手の作り分けを人の手で実現したのが野依さんたちで、２００１年にノーベル化学賞を受賞した。

最後の課題は、炭素骨格の構築と、右手と左手の作り分けを、同時に行うことだった。２１年のノーベル化学賞を受賞した「有機触媒」は、この課題の解決に貢献した。

　「触媒」は化学反応を促進する物質で、自分自身は反応の前後で変化しない。有機触媒は、生物が使う「酵素」、化学者が工夫して使ってきた「金属」に次ぐ、第３の触媒として注目されている。

　鈴木さんも、根岸さんも、野依さんも金属の触媒を巧みに利用して、ノーベル賞の成果につなげた。

最後の課題でも、化学者たちがまず取り組んだのは、金属の触媒を工夫することだった。野依さんたちのように金属の周囲の空間を巧みにデザインして、２０世紀の終わり頃には、右手と左手を作り分けながら、炭素と炭素をつなげることが可能になった。

　そんな時に、金属触媒に代わる新たな切り口で彗星のように登場したのが「有機触媒」だった。

Organocatalysis①　Joji Kawahigashi

Many substances around us, such as the proteins that make up our bodies, are made up of carbon linked in various ways. These substances, called "organic compounds," were once thought to be produced only by living organisms and could not be synthesized by humans.

Starting with the synthesis of urea by the German chemist Wöhler in 1828, it was discovered that organic compounds could also be synthesized artificially, and dyes that exist only in small amounts in nature or have new properties not found in nature. , medicines, materials, etc. have been created one after another, enriching our lives.

The various plastics that became popular after World War II, and the synthetic fiber nylon, which was said to be "born from the air, water and coal and as strong as steel", were dream materials that symbolized the new era. Both Hideki Shirakawa and Ryoji Noyori, winners of the Nobel Prize in Chemistry, wanted to pursue chemistry because they admired plastics and synthetic fibers.

During the high economic growth period, the chemical industry was a star, attracting many human resources. Chemistry, especially organic chemistry, became Japan's forte, and some Nobel laureates were born.

The most important thing in organic chemistry is to freely connect the carbons that make up the skeleton-like blocks. Akira Suzuki and Eiichi Negishi, who won the Nobel Prize in Chemistry in 2010, have developed a technique called "cross-coupling" that allows them to construct complex carbon skeletons freely.

In cross-coupling, in addition to Mr. Suzuki and Mr. Negishi, many Japanese chemists have contributed to the development, including Professor Emeritus Kohei Tamao of Kyoto University, who discovered the starting reaction.

Another challenge in organic chemistry is the distinction between the "right hand" and the "left hand". Some organic compounds have two different types of steric structures, such as right-handed and left-handed, even though they are the same substance. If you normally synthesize materials by human hands, the right-hand and left-hand materials are made in half and half, but strangely enough, only one type of material is used to make our bodies. It is also a mystery that leads to the origin of life.

For this reason, our bodies may react differently to the same substance depending on whether we hold it with our right hand or left hand. The perfume "limonene" has a lemon scent on one side and an orange scent on the other. The scent doesn't matter so much, but the difference between right and left hands can be tragic. Thalidomide, a sleeping pill, was marketed as a mixture of right and left hands and was taken by pregnant women. Because one side was teratogenic, babies born with disabilities became a big problem.

French scientist Pasteur paid attention to the "root" of the difference between living things and non-living things. Mr. Noyori and his colleagues were the ones who realized the difference between right and left hands by human hands, and won the Nobel Prize in Chemistry in 2001.

The final task was to simultaneously construct the carbon skeleton and separate the right and left hands. The "organocatalyst" that won the 21st Nobel Prize in Chemistry contributed to solving this problem.

A "catalyst" is a substance that promotes a chemical reaction, and itself does not change before and after the reaction. Organocatalysts are attracting attention as the third catalyst, next to "enzymes" used by living organisms and "metals" that have been devised and used by chemists.

Mr. Suzuki, Mr. Negishi, and Mr. Noyori cleverly used metal catalysts, leading to their Nobel Prize-winning achievements.

As for the last task, the chemists' first task was to devise a metal catalyst. By the end of the 20th century, by skillfully designing the space around the metal like Noyori and others, it became possible to connect carbon to carbon while creating separate left and right hands.

At that time, "organic catalysts" appeared like a comet as a new approach to replace metal catalysts.