東京大学(東大)は9月6日、水素を使う化学変換を基軸とする環境調和型化学品生産のコンセプトを、抗アルツハイマー薬の前駆体である「ドネペジル」の連続合成で実証したことを発表した。

同成果は、東大大学院 理学系研究科 化学専攻の小林修教授と、同・石谷暖郎特任教授らの研究チームによるもの。詳細は、欧州15か国16の化学団体が参加するChemistry Europeが刊行する化学全般を扱う学術誌「Chemistry, A European Journal」に掲載される予定。

原子番号1番の水素は、およそ138億年前に宇宙が始まって最初に誕生した元素の1つ。宇宙誕生からおよそ38万年が経って宇宙が十分に冷え切った時に、1個の陽子が1個の電子を捕獲することで大量に誕生した。現在でも宇宙において、他の元素よりも圧倒的に多い元素であり、脱化石燃料の低炭素社会を目指すため、化石燃料に変わる燃料として、水素の利用に関する研究が進められ、すでに水素を燃料とした燃料電池車も市販されている。

また、水素は地球においてはヒトを含めた生命体の身体を構成する有機物(有機化合物)を形作るのに重要な元素の1つ。有機物は炭素を中心とし、そこに水素などの他の元素が結合した化合物だ。そのため、医薬品を含む化学品の多くに水素が含まれている。化学品の製造に関しても、現在は化石燃料に依存しており、炭素と水素を主構成要素とする原油に、酸素など他の元素を導入していくことで製造されている。

  • 水素を反応剤とし、水のみが排出される医薬品の連続合成

    水素を反応剤とし、水のみが排出される医薬品の連続合成(出所:東大Webサイト)

つまり、化学品の製造においても、化石資源に依存するのではなく、バイオマスや大気中のCO2などをリニューアブルな炭素源とする循環型の化学品製造を実現することが、脱炭素社会の実現には重要となる。そのため、酸素の割合の多いバイオマスなどの炭素源に水素を導入し、望みの構造へと変換していくような化学反応体系の研究が試みられているが、現在の化石燃料に依存した技術からは大きなパラダイムシフトが伴う。これらのことから、水素を原料とする有機化合物合成法は、水素社会の化学品製造の基幹であり、今後、さらに重要性が増すことが予想されるとする。しかも、水だけが排出されるような生産システムを構築できれば、まさに理想的な化学品生産法となるという。

そこで研究チームは今回、そのようなコンセプトを実証するため、水素を使う化学変換を基軸とする技術でもって、抗アルツハイマー薬の前駆体である「ドネペジル」の合成に取り組むことにしたという。

  • ドネペジルの連結・連続フロー合成

    ドネペジルの連結・連続フロー合成。原料A、B、Cと、反応剤である水素を4つの触媒カラムリアクターに送液することで、中間操作を挟むことなく、最上流の原料が最終生成物であるドネペジルに変換される(出所:東大Webサイト)

水素を使う化学変換を基軸とする環境調和型の化学品製造のコンセプトは、より安価な原料からの出発が可能となるという新たな利点を副生したものの、より高難度な触媒的化学変換が必要になったという。そこで今回の研究では、高機能金属固定化触媒を開発し、「連続フローシステム」に取り込むことでそれが実現されたとのこと。なお連続フローシステムとは、原料、添加剤などを反応器の投入口から投入すると、反応器の反対側の取り出し口からは生成物が取り出されるという反応様式のことをいう。

さらに、この研究の最終目標は、複数の連続フローシステムを直列的に連結することで(連結フローシステム)、中間体や「共生成物」(主要生成物ではない原料や反応試剤に由来する生成物のこと)の取り出し・分離をせずに、原料から最終生成物までの変換を1つの流れの中で行うこととする。

連結フローシステムは、特に、連結の流れを分断する作業を組み込むことなく1つの流れの中で完結させる必要があることが難しい点だ。今回の研究においても、その実現には多くの予期せぬ障壁が伴い、解決が必要となったとする。しかし、適切な連続処理方法を組み合わせることで、理想的な化学品製造形態を構築することができたという。これにより、適切な反応設計と、優れた触媒を駆使することで、水素を活用する環境調和型化学品製造のコンセプトを実証することに成功し、複雑な構造を持つ高機能化学品であるドネペジルが、水素による分子変換によって連続合成が達成されたとした。

今回の研究成果は、化石資源からの脱却が求められる現在、水素のエネルギーとしての活用のみならず、化学原料としての活用も促進され、低環境負荷な化学品製造が発展することが期待されるとしている。