亜硝酸エステルは光照射によりアルコキシラジカルおよびニトロソラジカルを与えることが知られている。溶液中では,生成したアルコキシラジカルは溶媒あるいは分子内のアルキル基から水素原子を引き抜き水酸基が生成するとともに,生じた炭素ラジカルとニトロソラジカルが反応してオキシムが生成する。この反応はBarton反応と呼ばれ,ステロイドのaxialメチル基の官能基化反応として知られている。溶液中ではBarton反応を起こすことが報告されている1-1の結晶に紫外光を照射したところ,Barton反応は全く起こらず,溶液反応ではほとんど得られないケトン1-2が選択的に生成することを見出した(スキーム1)。

スキーム 1

　そこで,種々の亜硝酸エステルについてこの結晶場反応の一般性を検討した。その結果,ステロイドから誘導した亜硝酸エステルの場合には,いずれもケトンが選択的に生成することを見出した(表1)。

表1 亜硝酸エステル結晶の光反応

,-不飽和アミド,チオアミドの光固相EZ異性化反応

　下に示す4種の,-不飽和アミドの結晶に紫外光を照射したところ,1種のみが反応性を示し,Z異性体および転位生成物が得られた。一般に,結晶中でのEZ異性化反応は不利とされているが,この結果から,適当な条件を備えていれば,-不飽和カルボニル化合物のEZ異性化は可能であることが分かった。そこで,これらのアミドについて,EZ異性化を誘起するような分子構造の変換を考えた。まず初めにアミドカルボニルをチオカルボニルにしたチオアミドに変換し,固相反応を試みた。その結果,アミドでは反応性を示さなかった化合物が,チオアミドに変換することで選択的に固相EZ異性化反応を起こすことを見出した(entries1,2)。また,ラセミ体のアミドについては,アミドアルキル部を光学活性にすることで,固相EZ異性化の反応性が向上することが分かった(entries3,4)。

表2 ,-不飽和アミド,チオアミド結晶の光反応

アンモニウム塩結晶中での,-不飽和カルボキシラートアニオンの光EZ異性化反応

　前述反応では,共有結合した部位を用いて反応性を制御したが,次に非共有結合性の部位を用いた反応の制御について検討を行なった。基質には,カルボン酸の有機アンモニウム塩を用い,アンモニウム部を種々変えることで,-不飽和カルボキシラートアニオンの反応性を制御出来るのではないかと考えた。,-不飽和カルボン酸の有機アンモニウム塩3-1を用いて検討を行なった結果,アンモニウム部によって反応性が大きく変化することを見出した(表3)。続いて,この反応を種々の,-不飽和カルボン酸塩へ適用したところ,広範な化合物について光固相EZ異性化反応が起こることが分かった(表4)。X線結晶構造解析の結果,これらの塩のうち,一級アンモニウム塩結晶中には極めて特徴的なカラム状水素結合ネットワークが形成されていることが分かった。さらに,この水素結合ネットワークの形状が反応性に大きく影響を与えていることが示唆された。すなわち,反応の進行に伴う水素結合カラムの形状の変化が少ない場合に,反応が円滑に進行した。また,そのような水素結合カラムを形成するためには,アンモニウム部とカルボキシラート部との分子長差が少なく,さらにそれらがいずれも嵩高くないことが必要であることが分かった。

表3 カルボン酸アンモニウム塩結晶の光反応

表4 種々の,-不飽和カルボン酸アンモニウム塩結晶の光反応

　続いて,塩以外の共結晶を用いた結晶場反応について検討を行なった。ある種のジオレフィン化合物は,紫外光照射下[2+2]付加環化反応により,結晶中で高分子量ポリマーを与えることが知られている。そこで,これらのジオレフィン化合物について共結晶を調製し,それらを利用した共重合体生成の可能性を検討した。その結果,4-1および4-2が共結晶を与えることが示唆された。しかしながら,この結晶の光照射によって得られるポリマーは,4-1および4-2が単独に重合したポリマーの混合物であった。X線結晶構造解析の結果,この結晶は,4-1および4-2が層状に交互に配列した分子錯体であることが明らかになった(図1a)。反応前後で結晶性が維持されていることから,生成したポリマーは,配列が分子レベルで制御された結晶性ポリマーコンポジットであることが分かった(図1b)。

図1(a)共結晶4-1・4-2の結晶構造(b)共結晶4-1・4-2から得られる光反応生成物のイメージ図

　この共結晶は,溶液からばかりでなく,4-1および4-2の結晶を固体状態で混合することによっても得られることが分かった。そこで,固相状態での共結晶生成挙動について,ジオレフィン混晶の[2+2]光付加環化反応を利用して検討を加えた。その結果,混合時間,混合温度,空気中の水分と混晶の生成量とが正の相関を持つことが明らかになった。

　つぎに,前述したようにカルボン酸の一級アンモニウム塩結晶中に極めて特徴的なカラム状水素結合ネットワークが形成されていたことに着目し,これら塩結晶中でのキラル識別について検討した。初めに,光学分割法の中で最も重要な方法の一つである優先晶出法の際に不可欠なラセミ混合物生成の機構について,結晶中の水素結合ネットワークを中心に検討を行なった。まず,これまでに報告のあるラセミ混合物塩結晶のうち7種の結晶構造を詳細に検討したところ,いずれの結晶中でも2回らせん軸を中心に有するカラム状の超分子構造(2₁-カラム,図2a)が形成されていることが分かった。一方,17種のラセミ化合物塩結晶について同様の検討を行なったところ,2₁-カラム(9種)に加えて対称心で関係づけられた水素結合ネットワーク(i-カラム,図2b,7種),さらに少数ではあるが平面状のネットワーク(1種)のいずれかが形成されていることが分かった。すなわち,これらのカルボン酸一級アンモニウム塩結晶はほとんどの場合,カラム状の水素結合ネットワークの集合体とみなせることが分かった。そして,ラセミ混合物の生成のためには,結晶内で2₁-カラムが形成されること,さらに同じキラリティーを有する2₁-カラムどうしがパッキングすることが必要であることを見出した。

図2 アンモニウム塩結晶中の水素結合ネットワーク

　続いて,カルボン酸のアンモニウム塩結晶を用いた光学分割法のなかで最も一般的に行なわれているジアステレオマー塩法について検討を行なった。この方法は,極めて有用である反面,目的とするラセミ体物質に対する分割剤の決定が完全に経験的に行なわれているという欠点がある。そこで,ジアステレオマー塩の結晶構造をもとに,新規光学分割剤の設計を試みた。

　まず初めに,(R)-マンデル酸を分割剤として用い,種々のラセミ体1-アリールアルキルアミンの光学分割を試みた。その結果,アミンのアリール基上の置換基によって分割成績が大きく影響されることを見出した(表5)。すなわち,無置換あるいはオルト置換アミンは効率よく分割されたのに対し,パラ置換体は全く分割できないことがわかった。そこで,分割成績の良かった塩について,難溶性塩のX線結晶構造解析を行なった。その結果,難溶性塩結晶中では極めて特徴的な水素結合ネットワークが共通して形成されていることが分かった。この水素結合ネットワークは,(1)アンモニウム部とカルボキシラート部が前述した2₁-カラムを形成している,(2)マンデル酸の水酸基を介して2₁-カラムどうしが水素結合で結ばれており,結果的に平面状の水素結合ネットワークが形成されている(図3a),(3)水素結合ネットワーク表面の平面性が高く,極めて密なパッキング状態になっている(図3b)という特徴を有していた。これらの結果から,1-フェニルエチルアミンのフェニル基のパラ位に置換基を導入すると,水素結合ネットワークの平面性が乱れ,両ジアステレオマーとも難溶性塩結晶に見られた安定な結晶構造がとれなくなり,その結果,分割効率が低下したものと考えられる。そこで,マンデル酸のフェニル基のパラ位に置換基を導入すれば,パラ置換アリールエチルアミンの一方の対掌体と,上記の条件を満たすような平面性の良い水素結合ネットワークが形成できるのではないかと考えた。いくつかのパラ置換マンデル酸を用い,これらアミンの光学分割を試みたところ,良好な効率で分割できることが分かった(表5)。

表5 マンデル酸及びパラ置換マンデル酸による1-アリールエチルアミンの光学分割

図3 難溶性塩結晶中の水素結合ネットワーク(a)ネットワーク平面の投影図(b)2₁-カラム方向から見た投影図