大阪大学大学院工学研究科の藤本隼斗助教、大学院生の水谷真之さん（博士前期課程）、西岡輝騎さん（博士後期課程）、池田怜於奈さん（博士前期課程）、鳶巣守教授らの研究グループは、炭素原子１つを「つなぎ目」として、２つの平面的な分子をつなぎ、立体的な「スピロ骨格」をつくる新しい化学反応を開発しました(図１)。

今回開発した反応では、分子の骨格を構成する炭素–炭素結合を切断し、そこに炭素原子1個を組み込むことで、新たに4本の炭素–炭素結合を形成し、2つの環が1つの炭素原子を共有する「スピロ骨格」を構築します。

スピロ骨格は、分子を三次元的に配置し、その形を固定できる特徴を持つため、電子材料や触媒など、さまざまな機能性分子を構成する基本骨格として利用されています。しかし、２つの分子を直接つないでスピロ骨格をつくるには、「つなぎ目」となる炭素原子に４本の結合を一度に形成する必要があります。そのため、このようなスピロ骨格の構築を実現した例はほとんどありませんでした。

今回、研究グループは、炭素原子を供給する試薬「PINC」と炭素–炭素結合を切断できるロジウム触媒を組み合わせることで、この課題を解決しました。平面的な分子であるビフェニレンの炭素–炭素単結合を切断し、供給された炭素原子を介して２つの分子をつなぐことで、立体的なスピロ骨格を構築しました。さらに、反応を段階的に進めることで、異なる分子同士をつなぐことにも成功しました。

本手法により、さまざまな構造や性質を持つスピロ化合物の合成が可能になり、新しい機能性材料の開発に向けた分子設計の選択肢が広がると期待されます。

本研究成果は、英国科学誌「Nature」に、10月15日（木）0時（日本時間）に公開されました。

図1. 炭素原子１つで、２つの環をつなぐ新反応

有機化合物の性質は、どのような原子からできているかに加え、原子のつながり方や分子の立体的な形によって大きく変わります。そのため、分子の形を自在につくる技術は、新しい材料や医薬品を開発するうえで重要です。

なかでも、２つの環が１つの炭素原子を共有するスピロ骨格は、分子に立体的で変形しにくい性質を与えます。例えば、スピロビフルオレンと呼ばれる骨格は、２つの平面的な部分がほぼ直角に交わる構造を持ち、太陽電池などに用いる電子材料の設計に活用されています。しかし、このような骨格をつくるには、あらかじめ２つの環をつなぐために必要な官能基を組み込むなど、複数の合成工程を要していました。２つの環状分子を直接組み合わせ、スピロ骨格へと変換できれば、多様な立体構造を持つ分子を効率よく合成できると期待されます。

この「つなぎ目」として重要なのが、炭素原子です。炭素原子は４本の結合を形成できるため、２つの分子とそれぞれ２本ずつ結合すれば、スピロ骨格の中心になります。ただし、単独の炭素原子は非常に反応性が高く、取り扱いが困難です。そのため近年では、化合物から炭素原子１つ分を受け渡すことができる「原子状炭素等価体」を用いた反応の開発が進められています。

しかし、炭素原子を２つの分子の骨格に組み込み、スピロ骨格としてつなぐには、炭素原子を供給するだけでは十分ではありません。それぞれの分子骨格を形成する結合をいったん切断し、新たな結合へと組み替える必要があります。特に、安定な炭素–炭素単結合を切断しながら、このような骨格の組み換えを選択的に進めることは困難でした。そこで本研究グループは、炭素–炭素単結合を切断できる金属触媒に着目しました。原子状炭素等価体とこの触媒を組み合わせることで、２つの分子の骨格を組み替えながら、炭素原子１つを「つなぎ目」として立体的につなぐことを目指しました。

研究グループは、同グループが原子状炭素等価体としてはたらくことを明らかにしていた「PINC」と、ロジウム触媒を組み合わせた反応を検討しました。その結果、２つのビフェニレン分子の間に炭素原子１つを組み込み、スピロビフルオレンへと変換することに成功しました。

この反応では、２つの分子の炭素–炭素単結合をそれぞれ切断し、PINCから供給された炭素原子を中心に４本の新しい炭素–炭素結合を一挙に形成します。これにより、もともと平面的だった2つの分子から、2つの環が1つの炭素原子を共有する立体的なスピロ骨格を構築することができます。

さらに、本手法では、同じ分子同士だけでなく、異なる分子同士をつなぐこともできます。反応を段階的に進めることで、まず一方の分子に炭素原子を取り込み、次に別の分子をつなぐことに成功しました。これにより、組み合わせる分子を変えてさまざまなスピロ骨格をつくることができます。

本反応は、さまざまな置換基を持つビフェニレンに適用でき、従来の方法では合成に複数の工程を要したスピロ化合物も得られます。また、組み合わせる分子を変えることで、異なる大きさの環からなるスピロ骨格の合成にも成功しました。

このように本研究では、炭素原子１つを「つなぎ目」として利用し、多様な立体分子を組み立てる新しい合成方法を実現しました。

スピロ骨格は、分子に特徴的な立体構造を与えることから、太陽電池などの電子材料や、医薬品をはじめ、さまざまな機能性分子の設計に利用されています。本手法により、これまで合成が難しかった構造や、多様な分子の組み合わせを持つ化合物を効率よく設計・合成できるようになると期待されます。これにより、材料や医薬品などに求められる性質に応じた新しい分子の設計・探索に役立つと期待されます。

また本研究で示した、炭素原子を供給する試薬と、分子の結合を組み替える触媒を組み合わせるという考え方は、さらに多様な立体分子の合成へと展開できる可能性があります。

炭素原子1つを「つなぎ目」として分子の骨格を組み替える本手法は、複雑な三次元構造を持つ分子をつくるための新たな選択肢を提供するものであり、将来の機能性材料や医薬品の開発を支える有機合成化学の新しい技術として発展することが期待されます。

本研究成果は、202６年10月15日（木）0時（日本時間）に英国科学誌「Nature」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Catalytic transfer of carbon atoms enables spirofusion of C–C σ-bonds”
著者名：Hayato Fujimoto*, Masayuki Mizutani, Kazuya Imachi, Teruki Nishioka, Reona Ikeda and Mamoru Tobisu*
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1038/s41586-026-11242-8

なお、本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業若手研究、学術変革領域研究（A）「化学構造リプログラミングによる統合的物質合成科学の創成」、および戸部眞紀財団の支援を受けて実施されました。

藤本隼斗助教 研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/0ab4618629e275bc.html

鳶巣守教授 研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/bbce18092d307e86.html

学術変革領域研究（A）「化学構造リプログラミングによる統合的物質合成科学の創成」
https://srep.kuchem.kyoto-u.ac.jp/