解　説

化学 Vol.66 No.10 （2011）32

ルベンゾイミダゾール（一部の酵素ではアデニン）は，タンパク質中ではアポタンパク質由来のアミノ酸残基に置き換わっている場合が多い（一部の酵素では置換されていないものも存在する）．また，上方配位子としてシアノ基が配位したものをビタミン B12，アデノシル基やメチル基が配位したものを補酵素型 B12（アデノシルコバラミン，メチルコバラミン）と呼ぶ．本稿ではビタミン B12という呼称を，一連の B12関連物質の総称として用いることにする．

ビタミン B12の酵素反応

ビタミン B12の関与する酵素反応は 10種類以上と多岐に及ぶが，代表的な反応として，①アデノシルコバラミン依存の炭素骨格の組換えを伴う異性化反応，②メチルコバラミン依存のメチル基転移反応，③還元的脱ハロゲン化反応，の三つがあげられる（図 1） 1）．とくに還元的脱ハロゲン化反応は，脱塩素化呼吸を行う菌体内（Dehalococcoides

ethenogenes や Dehalobacter restrictus）などで発見された興味深い B12依存性酵素反応であり，近年のビタミン B12を用いた環境浄化触媒開発の契機となっている2）．また，メチル基転移反応はさまざまなメチル化反応へと応用され，無機ヒ素の無毒化触媒の開発にもつながっている3）．このようにビタミン B12の研究は，その生理活性の探索や反応機構の解明を目的とした酵素機能のシミュレーションにとどまらず，その機能を利用した応用へと幅広く展開されている4）．

ビタミン B12酵素反応を再現するには

ビタミン B12の中心金属コバルトは，通常 +1価～ +3価の酸化状態をとることができ，この価数変化に伴って電子状態が変化するために，可視部の電子スペクトルは大きく変化

ビタミン B12とは

ビタミン B12はコバルトイオンを含む補酵素の一つである．また必須栄養素の一つで，レバーやしじみ，アオノリなどの食物に多く含まれ，われわれは 1日あたり数 µg程度のビタミン B12を摂取している．独特の赤色が特徴で，いわゆるサプリメント，また，悪性貧血や末梢神経障害の治療薬，眼精疲労回復の薬としても使われている．みなさんも目薬などであの赤色を目にしたことはあるのではないだろうか．ビタミン B12の構造は非常に複雑であり，全合成が成し遂げられた天然化合物の金字塔としても有名である．D.

Hodgkinが構造解析でノーベル化学賞を受賞しており，さらに R. B. Woodwardによる全合成の過程では，理論化学と有機化学を結び付けるWoodward-Hoffmann則が発見された（Woodward教授の業績については12頁の解説記事に詳しい）．その構造を図 1に示す．コリン環と呼ばれる環状化合物の

中心にコバルトイオンがあり，下方配位子である 5,6-ジメチ

ビタミン B12 人工酵素　　 光の照射で環境汚染物質を分解！

嶌越　恒・久枝良雄九州大学大学院工学研究院

天然の触媒として数かずの精密な生体反応に関与する酵素．そのしくみを研究・応用してバイオ

インスパイアード触媒へと進化させたビタミン B12 人工酵素は，光の照射により，さまざまな環境汚染物質の分解・除去に貢献する夢の触媒として期待されている．

しまこし・ひさし ● 九州大学大学院工学研究院応用化学部門助教，1993 年同志社大学工学部工業化学科卒業，博士（工学）．＜研究テーマ＞錯体化学，有機光化学，＜趣味＞ジョギング，本屋巡りひさえだ・よしお ● 九州大学大学院工学研究院応用化学部門教授，1981 年九州大学大学院工学研究院修士課程修了，工学博士，＜研究テーマ＞生体機能関連化学，有機電気化学，＜趣味＞美術館巡り，買い物

ビタミンB12 人工酵素

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する．+1価では灰緑色，+2価では黄色～橙色，+3価では赤～紫色を示す．ビタミン B12の酸化還元を伴う反応は，緑←→黄←→赤と反応により色が変わるので，「交通信号反応」とも呼ばれている．ビタミン B12酵素反応を模倣するポイントは，この中心金属コバルトの価数変化をうまくコントロールするところにある．しかし，天然ビタミン B12は水系溶媒以外には難溶解性で

あるため，広範な物質変換反応に応用するには取扱いが不便であった．そこで筆者らはこれを化学修飾し，構造的に安定な修飾体（おもにエステル体）を合成することで，その応用を広げることに成功した．この錯体は天然ビタミン B12の骨格を保持しているため，中心金属コバルトの酸化還元電位，電子状態などは天然ビタミン B12と類似している．そのため，このビタミン B12誘導体を化学還元剤（水素化ホウ素ナトリウム，亜鉛粉末やナトリウムアマルガムなど）で処理すると，容易に中心コバルトは Co （I）状態に還元される．この Co （I）状態は超求核性を示し，有機ハロゲン化合物と反応してコバルト-炭素結合を形成する（図 3 a）．またこのコバルト-炭素結合は光や熱，酸化還元などの外部刺激により任意に開裂させることができる（図 3 b）．この性質を利用することで，有機塩素化合物の分解反応や，ラジカル中間体を経由した有機合成反応などのさまざまな反応に応用することが可能となる．加えて触媒となるビタミン B12誘導体は，天然ビタミンB12を原料としているために自然の代謝系が存在するため，環境への負荷が少ないクリーン触媒とみなすことができる．

光を使ってみよう！

さて，ビタミン B12誘導体を用いて天然ビタミン B12の酵

素反応を模倣することには成功したが，「天然酵素由来のビタミン B12誘導体を用いても，その機能を発現させるために大量の化学還元剤を用いては，クリーン触媒としては不完全ではないか？」，「B12だけでなく，安全な無機材料や高分子などの人工素材と複合化することで，もっと優れた触媒システムを構築できるのではないか？」と新たな考えが湧いてきた．光エネルギーは地球上で最も豊富で安全な自然エネルギーであり，光を駆動力とするビタミン B12反応を開発できれば，将来的には太陽光を利用した触媒システムの開発につながる．そのような発想から，筆者らは光反応を利用したビタミン B12酵素反応を構築できないかと考えた．そこで，光増感剤としてよく用いられるルテニウム（II）ト

リスビピリジン錯体に着目し，光駆動型電子移動反応を利用した触媒サイクルの構築を行った（図 4）．ルテニウム（II）トリスビピリジン錯体は可視光照射により励起され，電子源となる犠牲還元剤（トリエタノールアミンなど）共存下では還元的消光を受け，高い還元力をもつルテニウム錯体（1電子還元種）を与える（–1.35 V vs. Ag/AgCl） 5）．この還元力を利用すればビタミン B12錯体〔E1/2 （CoII/CoI） ＝ –0.65 V vs. Ag/AgCl〕を触媒活性な Co （I）種へと還元することができる（図 4）．先述のビタミン B12のエステル誘導体を触媒として用い，エタノール中，ルテニウム増感剤および犠牲還元剤存在下で，環境汚染物質であるジクロロジフェニルトリクロロエタン（DDT）に波長 420 nm以上の可視光を照射すると，3時間でほとんどの DDTが消失し，主生成物としてモノ脱塩素体であるジクロロジフェニルジクロロエタン（DDD）が得られた．また暗所やビタミン B12触媒不在の場合，この反応はほとんど進行しなかったため，光駆動型電子移動反応により生

L＝CH3 メチルコバラミン（補酵素型B12）L＝CN シアノコバラミン（ビタミンB12）

アデノシルコバラミン（補酵素型B12）

L＝CH2

NH2

N

NN

NO

OH OH

O

N N

NCo

X

N

H

H

CH3

H3C

CH3

CH3

CH3

H

HH3CH3C

HH

C

CONH2

CONH2

CONH2

CH3CH3

H2NOC

H2NOC

H2NOC

L

ONH

OHPO- O

O

H CH2OH

H

HH

HOX＝

N

N

CH3

CH3

N

N N

N

NH2

または

HOOC CoAH H O

HOOCH

OCoA

メチルマロニル-CoA スクシニル-CoA

①異性化反応

②メチル化反応

C CClCl Cl

Cl

テトラクロロエチレン

C CClCl Cl

H

トリクロロエチレン

③脱塩素化反応（脱塩素化呼吸）

CO2ー

NH3+

ホモシステインH　S CO2

ー

NH3+

メチオニンH3C　S

5,6-ジメチルベンゾイミダゾール アデニン

図 1　ビタミン B12 誘導体の構造と関与する反応

解　説

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成する Co （I）種が活性種となり，反応が進行していると推察された6）．しかし本系では，ルテニウム増感剤からビタミンB12触媒への電子移動を効率よく進行させるために高濃度のルテニウム増感剤を必要とする．また，反応後には 2種類の金属錯体（触媒と増感剤）を回収しなければならず，完全にクリーンな反応システムとはいえないものであった．そこで筆者らは，両者を同一ポリマー内に導入したビタミン B12-ルテニウム増感剤ハイブリッドポリマーを開発した（図 5 a， b）．合成したポリマーは分子量が約 40,000であり，直径 6～ 8 nmの球状構造であることが電子顕微鏡観察および動的光散乱測定により明らかになった（図 5 c）．UV-Visスペクトルからビタミン B12触媒とルテニウム増感剤の固定化量を見積もり，これらの値と先に求めたポリマーの分子量か

ら，ポリマー内にはそれぞれ 2～ 3分子のビタミン B12触媒とルテニウム増感剤が含まれていることがわかった．そしてルテニウム増感剤とビタミン B12触媒の分子サイズを鑑みて，両者は電子移動を起こすには十分な距離に位置していると見積もることができた．実際に可視光照射すると，ビタミン B12は Co （I）種へと還元され，ルテニウム増感剤からの光誘起電子移動が進行した．臭化フェネチルをモデル基質として反応性を評価したところ，触媒回転数は約 1000回に到達し，高い触媒活性を示した（図 5 a）．このようにポリマー内での電子移動を利用することで，先

述の触媒-増感剤混合システムと比較して，1/10程度まで触媒量を減らすことができた．また，反応後は簡単な再沈殿操作でポリマーを回収可能であり，よりクリーンな光増感型

e-

可視光 （λ ≧ 420 nm） 照射

[Ru(II)(bpy)3]2+

光増感剤

[Ru(II)(bpy)3]2 +*

[Ru(bpy)3]+

犠牲還元剤

−1.35Vvs.Ag/AgCl

E1/2(CoII/CoI)＝-0.65 V vs. Ag/AgCl

+ Cl−

DDT

ビタミンB12誘導体（エステル修飾体）

RuII

N

N

N

N N

NCoIII

N

N N

N

CO2CH3

H CH3

CO2CH3

CH3CO2CH3

HHCH3

CH3

H3CO2CH3C

HHH3CO2CH3C

CO2CH3 CO2CH3

CH3H

CoH3C DDD脱塩素化物

Cl ClH

Cl Cl

Cl ClCl

Cl Cl

Cl Cl

Cl Cl

N Nbpy＝

CoI

図 4　光誘起電子移動型ビタミン B12 触媒反応

緑色 黄色 赤色

CoI CoII CoIII

図 2　酸化還元に伴うビタミン B12 誘導体の色の変化図 3　コバルト−炭素結合a） 形成反応，b） 開裂反応．

CoI

超求核性CoIII

R

Clーアルキル錯体有機塩素化合物

a）

+　　RCI

脱塩素化反応

有機ラジカル種

CoIII

アルキル錯体CoII

b）

+　R

Rコバルトｰ炭素結合の開裂

光・熱・酸化還元

ビタミンB12 人工酵素

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B12触媒システムを構築できたといえる7）．

酸化物半導体と組み合わせたら？

光を照射して電子を取りだすことができるのは，錯体（または有機化合物）などの増感剤のみとは限らない．酸化チタンなどの半導体は，バンドギャップより大きいエネルギーの

光を照射すると，価電子帯にある電子が光のエネルギーを受け取って伝導帯に移り，正孔と励起電子対が生成する．正孔を消費するアルコール中で光照射すれば，この励起電子を還元試薬として使うことができる．この酸化チタンの光照射により生成する伝導帯の励起電子には，アナターゼ型酸化チタンで約 –0.5 V vs. NHE （pH 7.0, H2O）の還元力があり8），ビ

CoI Cl Cl

Cl Cl

テトラクロロエチレン

Cl ClCl

Cl Cl

DDT

CoII

紫外線励起電子

酸化チタン

正孔

コビリン酸

e-

脱塩素化物 + Cl-

紫外線

反応前 反応中

b）a）

c）

N

N N

N

HOOC

HOOC

HOOC

CH3

COOH

HCH3

CH3

H3CH3C

H3C

COOHCH3

COOH

CoII

H

HH

H

H

CH3

COOH

図 6　酸化チタン-ビタミン B12 ハイブリッド触媒a） コビリン酸の構造，b） 紫外線照射による Co （I）種の生成反応，c） 脱塩素化反応の模式図．

b）

c）

20 nm

a）

e-2CIO4ー

N

N

N

N N

NRu N

N N

N

H3CO2C

CO2CH3H3CO2C

H3CO2C

CO2CH3 CO2CH3

Co

HN OO

HN

n m o

可視光照射

臭化フェネチル

Br

+

図 5　ビタミン B12-ルテニウム増感剤ハイブリッドポリマーa）ハイブリッドポリマーの構造と反応模式図，b）作製したハイブリッドポリマー，c） ハイブリッドポリマーの TEM像．

解　説

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タミン B12誘導体を Co （I）種へと還元するのに都合がよい．そこで筆者らはビタミン B12誘導体を酸化チタン表面に固

定化したハイブリッド触媒を合成し，その反応特性を検討した．ビタミン B12誘導体としては，七つの側鎖がすべてカルボン酸となったコビリン酸を用いた（図 6 a）．コビリン酸をエタノールに溶解し，酸化チタン粉末を加えて 1日攪拌すると，ピンク色の粉末が得られた．この酸化チタン-ビタミン B12ハイブリッド触媒をエタノールに懸濁し，脱酸素条件で紫外線照射すると，Co （I）種の生成を示す灰緑色へと変化した（図 6 b）．このように酸化チタンの光還元作用によりビタミン B12の Co （I）種が生成できたので，基質として DDT

やテトラクロロエチレンを加え，紫外線照射しながら反応させると，図 6 （c）に示すような脱塩素化反応が効率よく進行した9）．本触媒は，有機ハロゲン化物の分解のみならず，有機ハロゲン化物からのラジカル生成反応にも利用できる．そのため，ラジカル中間体を経由し，かつ環境調和型のクリーン触媒として機能を発揮した10）．

ビタミン B12が光増感性を示した！

光合成タンパク質の活性中心にあるクロロフィルもビタミン B12酵素の活性中心にあるコバラミンも，環状テトラピロール構造をもつ非常によく似た構造だが，中心の金属イオンの種類が異なるため生体内での役割も異なる．もし，光合成タンパク質のようにビタミン B12酵素に光捕集作用があれば，光増感剤なしでも先述の光触媒反応が進行するのではないだろうか？ このようなことを漠然と考えて

いたとき，大学院生の西 将史君（現キヤノン株式会社）が面白い現象を発見してくれた．コントロール実験として増感剤を加えずに光照射実験を行ったところ，光を照射しただけでビタミン B12の電子スペクトルが，ゆっくりと変化する現象に遭遇したのである．そこで波長を変え，より高エネルギーの紫外線を照射すると，増感剤なしでもビタミン B12触媒が還元され，触媒活性な Co （I）種が効率よく生成した．この性質を利用することで，ビタミン B12錯体に紫外線照射するだけで，増感剤なしでも DDTの光脱塩素化反応を進行させることができた（図 7）．また，この光反応は溶媒に大きく依存し，ある種のイオン

液体中では有機溶媒中と比較してビタミン B12の還元速度が約 7倍加速されることを，中国からの大学院留学生の李麗さん（現日之出水道機器株式会社）が見つけてくれた．イオン液体は常温で液体の有機塩であり，蒸気圧がほとんどゼロで難燃性であるため，クリーン溶媒としての利用が検討されている11）．加えて，電荷をもった金属錯体の溶解担持能に優れており，錯体触媒のリサイクルが可能となる．実際にビタミン B12触媒もイオン液体中に溶解担持されるため，高い触媒効率を維持したままリサイクル使用することができた12）．

ビタミン B12 のさらなる応用に向けて

生体内でビタミン B12が行っている反応は多様で奥深く，通常の有機化学や触媒化学では再現不可能な反応もまだまだ多い．一方，その触媒機能を追求するなかで，多くの面白い反応や現象に出会えたことは，研究者として幸せであった．

CoIIIN

N N

N

H3CO2C

CO2CH3H3CO2C

H3CH3C

H3CH3CO2C

CO2CH3

CH3

CH3

CH3

CH3CH3

CO2CH3

CoII

H

HH

H

H

H

CO2CH3

DDD

Cl ClH

Cl Cl

DDT

Cl ClCl

Cl Cl

Cl

ClCl

Cl

*

CIO4ー

犠牲還元剤

紫外線

+ Cl-

e-CoII

CoI

図 7　光増感型ビタミン B12 触媒反応

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こうしたビタミン B12の研究を通して，筆者らは環境汚染物質のクリーン分解など，グリーンケミストリーの発展の一助を担えたと自負している．現在，地球環境の悪化は著しく，人類の将来のためにも環境問題の解決は急務であるといえよう．さらに最近では，ビタミン B12が水素発生やバイオマスからのエネルギー生産を行うという面白い現象も筆者らの研究室で見いだしつつある．ビタミン B12が将来のエネルギー問題を解決してくれる可能性についても探っていきたい．

謝辞：本研究は，九州大学-日産化学工業株式会社組織対応型包括連携事業および科学研究費補助金の助成における成果であり，関係各位にこの場を借りて感謝したい．また本研究に情熱をもって取り組んでくれた多くの大学院学生に深謝する．

参 考 文 献1） B. Kräutler, D. Arigoni, B. T. Golding, Eds., “Vitamin B12 and B12-

Proteins,” Wiley-VCH, Weinheim （1998）；K. L. Brown, Chem. Rev., 105, 2075 （2005）；虎谷哲夫， ビタミン， 80, 597 （2006）．2） 久枝良雄， 嶌越 恒， 化学，58 （10）， 49 （2003）；嶌越 恒， 久枝良雄， 資源環境対策， 49 （5）， 99 （2006）；嶌越 恒， 久枝良雄ほか， 『各種手法による有機物の分解技術』， 情報機構 （2007），p.194．3） K. Nakamura, Y. Hisaeda, L. Pan, H. Yamauchi, Chem. Commun., 2008, 5122；久枝良雄， 嶌越 恒， 未来材料， 11 （2）， 13 （2011）．4） 嶌越 恒， 久枝良雄， TCIメール， 138, 2 （2008）；K. M. Kadish, K. M. Smith, R. Guilard Eds., Y. Hisaeda, H. Shimakoshi, “Handbook of Porphyrin Science,” vol.10, World Scientific, Singapore （2010）， p.313．5） A. Juris, V. Balzani, F. Barigelletti, S. Campagna, P. Belser, A. von Zelewsky, Coord. Chem. Rev., 84, 85 （1988）．6） H. Shimakoshi, M. Tokunaga, T. Baba, Y. Hisaeda, Chem. Commun., 2004, 1806；H. Shimakoshi, S. Kudo, Y. Hisaeda, Chem. Lett., 34, 1096 （2005）；嶌越 恒， 増子隆博， 久枝良雄， 光化学， 38, 174 （2007）．7） H. Shimakoshi, M. Nishi, A. Tanaka, K. Chikama, Y. Hisaeda, Chem. Commun., 47, 6548 （2011）．8） 野坂芳雄， 野坂篤子， 『入門光触媒』， 東京図書 （2004）；大谷文章， 『光触媒標準研究法』， 東京図書 （2005）．9） H. Shimakoshi, E. Sakumori, K. Kaneko, Y. Hisaeda, Chem. Lett., 38, 468 （2009）；H. Shimakoshi, M. Abiru, S.-I. Izumi, Chem. Commun., 2009, 6427；H. Shimakoshi, M. Abiru, K. Kuroiwa, N. Kimizuka, M. Watanabe, Y. Hisaeda, Bull. Chem. Soc. Jpn., 83, 170 （2010）．10） S.-I. Izumi, H. Shimakoshi, M. Abe, Y. Hisaeda, Dalton Trans., 39, 3302 （2010）．11） 北爪智哉， 淵上寿雄， 沢田英夫， 伊藤敏幸， 『イオン液体　　常識を覆す不思議な塩』， コロナ社 （2005）．12） H. Shimakoshi, L. Li, M. Nishi, Y. Hisaeda, Chem. Commun., in press. DOI:10.1039/C1CC12482J．