図　本研究の模式図。FeMoco（酵素活性中心）の窒素結合状態やタンパク質の役割を予想し、模倣することで、金属-硫黄化合物による窒素分子の還元を実現した。

 

1. 背景
　大気中の窒素分子（N₂）をアンモニア（NH₃）等の生物が利用できる分子へ変換する窒素固定（N₂還元反応）は、アミノ酸やDNAに含まれる窒素原子を供給し、生命活動を維持する上で欠かせません。その一方で、強いN≡N三重結合を持つ対称構造のN₂は、不活性ガスと呼ばれるほど反応性に乏しいため、N₂の還元は非常に難しい反応として知られています。自然界では、一部の微生物に存在する酵素ニトロゲナーゼがN₂還元反応を担いますが、この自然界での反応だけでは地球上の人口の食糧生産を支えられるほどの窒素量を賄えません。そのため、鉄やルテニウムを触媒とする工業反応であるハーバー・ボッシュ法により、N₂と水素分子(H₂)から高温高圧条件下でNH₃が合成されています。この工業反応には、人類が使う全エネルギーの1〜2%が費やされ、また同時にH₂の原料として化石燃料を消費し、大量のCO₂を発生します。化石燃料に頼らない酵素反応を人工的に再現できれば、持続可能社会に向けた新しいN₂還元技術を提供できることから、鉄（Fe）、モリブデン（Mo）、硫黄（S）、炭素（C）から構成されFeMocoと呼ばれる酵素活性中心（図１上）の働きを理解し、構造や機能を再現しようと、長年試みられてきました。しかし金属原子と硫黄原子が三次元的に配列されているFeMocoの構造は複雑なため、N₂還元機能との関係を解釈するのは難しく、加えてFeMocoによるN₂の還元はタンパク質に保護された状態でのみ起こることや、金属と硫黄から合成された従来のFeMoco関連分子（金属-硫黄クラスター錯体）がN₂を還元できなかったことも、N₂還元機能の謎を解き人工的に再現するためのハードルとなっていました。

 

2. 研究手法・成果
　研究グループは、酵素に関する生化学分野の知見を精査した上で、（1）どのようにN₂がFeMocoへ結合するのか、（2）なぜタンパク質に保護されなければFeMocoがN₂を還元しないのか、の２つの問いについて、化学の視点から仮説を導き、条件を満たす人工分子（金属-硫黄クラスター錯体）を設計・合成しようと考えました。
N₂がFeMocoのどこに結合するのか、明確な答えは得られていませんが、生化学分野の知見を総括すると、FeMocoの中央部で２つのFeを架橋するS原子の１つを取り除き、その結果Feに生じる空き（反応点）がN₂を取り込むと考えるのが合理的です。しかし、図１左下に示した予想構造を完璧な形で合成するのは容易ではないため、まずは大胆に簡略化して予想構造の左半分に着目し、Mo、Fe、Sを含む立方体構造のFeでN₂を捕捉することにしました。なお、N₂は対称構造を好むため、例えばMという金属に取り込まれるとM-N₂-Mのように２つの金属原子を架橋する傾向があり、その結果N原子が２つとも金属Mに覆われて、望むN₂変換反応が起こりにくくなります。従ってN₂が架橋したFe-N₂-Fe構造ではなく、末端のN原子が空いたFe-N₂構造を作ることも重要です。これらの設計指針と構造要件、およびタンパク質の一部機能を念頭に置いて、次に注目したポイントは、凝集です。
例えば溶液中にFeとSが共存する場合、これらが容易に結合して硫化鉄(FeS)になり沈殿することは、高校化学等を通して良く知られています。同様に、タンパク質という保護枠を持たない剥き身のFeMocoは、分子間で容易に金属-硫黄結合を作り、凝集すると予想できます。しかしこの凝集は、N₂還元機能を実現する上で致命的な欠点になります。なぜなら、Fe等の金属に生じる空き（反応点）がなければ反応性に乏しいN₂を取り込めない一方で、別の分子に含まれる硫黄原子が反応点に接近できる場合は、金属に取り込まれたN₂を硫黄が追い出して強い金属-硫黄結合を新たに形成し、反応点を塞いでしまうからです。自然界では、タンパク質の奥深くにFeMocoを埋めることで、凝集の問題を回避していると考えられます。
以上を踏まえつつ、FeMocoを模倣する分子として、Feを反応点とする立方体型の[Mo₃S₄Fe]クラスター錯体を設計し、さらに凝集を抑制するために、３つのMo上にかさ高いシクロペンタジエニル（Cp^R）配位子（Cp^R = C₅Me₅ (Cp*), C₅Me₄SiMe₃ (Cp^L), C₅Me₄SiEt₃ (Cp^XL); Me = CH₃, Et = CH₂CH₃）を組み込みました。設計指針に沿って合成した[Mo₃S₄Fe]クラスター錯体を、大気圧のN₂を満たしたフラスコ内で還元したところ、FeにN₂が結合したクラスター錯体が得られました（図１右下）。このときN₂の結合様式はCp^R配位子により変化し、Cp*配位子を用いた場合にはFe-N₂-Fe構造が、よりかさ高いCp^L、Cp^XL配位子を用いた場合には末端Fe-N₂構造が生成することを、分子構造や分光学的測定から確認しました。
続いて研究グループは、一連の[Mo₃S₄Fe]クラスター錯体を触媒として用い、N₂の還元反応を検討しました。NH₃の合成反応は効率よく進行しなかったものの、溶液で行うN₂還元反応の一種であるトリス（トリメチルシリル）アミン（N(SiMe₃)₃）への変換反応は高効率に進行し（図２）、Fe原子当たり最大248当量のN(SiMe₃)₃が生成することが明らかとなりました。今回達成した触媒回転数は、Fe錯体を用いた従来の記録を3倍以上に更新しました。また、遷移金属を持つ錯体全般へと比較対象を広げても、本研究の触媒回転数はコバルト(Co)錯体やMo錯体を用いて報告されている最高値と同程度でした。
以上の結果が示す通り、今回グループが報告した[Mo₃S₄Fe]クラスター錯体は、FeMocoによるN₂還元作用の鍵となる要素を、簡略化しつつ反映していることが分かります。人工の金属-硫黄化合物によるN₂還元反応の第一歩を踏み出しただけでなく、酵素に学びつつ適切な分子設計を施すことで、金属-硫黄化合物が持つ可能性を広げられることを示す好例でもあります。

　

図1　本研究の模式図
（上）酵素ニトロゲナーゼのタンパク質とFeMoco（酵素活性中心）の構造、（左下）FeMocoの窒素結合状態に関する研究グループの予想、（右下）簡略化しつつ模倣した本研究の金属-硫黄クラスター錯体。

　

図2　[Mo₃S₄Fe]クラスター錯体を触媒とするN₂の還元反応
[Mo₃S₄Fe]クラスター錯体（中央下）の溶液を、N₂で満たしたフラスコに入れ、金属ナトリウム(Na)とクロロトリメチルシラン（ClSiMe₃）を加えると、N₂が還元されてトリス（トリメチルシリル）アミン（N(SiMe₃)₃）が生成する。

 

　

3. 波及効果、今後の予定
　以上のように研究グループは、窒素固定を担う複雑な酵素活性中心FeMocoの構造とN₂還元機能の関係やタンパク質の一部機能を予想し、それらの要点を大胆に簡略化しつつ分子設計に反映することで、金属-硫黄化合物によるN₂の還元に初めて成功しました。しかし、今回の成果は第一歩に過ぎません。今後、図１左下に示した予想構造を簡略化せずに合成し、N₂還元反応に最適な金属元素を探索することで、酵素を超える触媒活性を実現できれば、持続可能社会に寄与する新しいN₂還元法が現実味を帯びると期待しています。

　

4. 研究プロジェクトについて
　本研究は、以下の研究プロジェクトの助成を受けて推進しました：JST CREST （JPMJCR21B1）、JSPS科学研究費補助金（19H02733, 20K21207, 21H00021, 21K20557）、武田科学振興財団、立松財団、矢崎科学技術振興記念財団、京都大学化学研究所 国際共同利用・共同研究拠点補助金、京都大学若手研究者スタートアップ支援