MicroEDにおけるキラリティ（鏡像異性体）の決定～動力学的リファイメントによって決定されたキラル構造～

1. キラリティ（鏡像異性）の基本概念

鏡に映したとき鏡像と実像が一致しない分子をキラルな分子と呼び、このような性質をキラリティと言います［1］。分子に限らず、私たちの右手と左手も互いに実像と鏡像の関係にあるのでキラルと言えます。

互いに鏡像関係にあるペアをエナンチオマー（対掌体）と呼びますが、エナンチオマーどうしの融点や沸点は同じなので、エナンチオマーを区別することはとても難しいのです。ところが、私たちのからだは、一方のエナンチオマーともう一方のエナンチオマーを見分けることができます［2］。

たとえば、キラルな甘味料であるアスパルテームのエナンチオマーは苦いということが知られており、私たちの舌はエナンチオマーを区別できるということがわかります。

同様にキラルな医薬品も、どちらか一方のエナンチオマーの方は効果が高く、もう一方はほとんど効果がない、ということがしばしば起こります。2019年時点で、市販され治療に使用されている医薬品の約56%はキラル化合物であり、そのうち88%はラセミ体（エナンチオマーどうしの混合物）として投与されています［3］。

このようにエナンチオマーのペアのうちの一方を利用するとき、まずは、それぞれのエナンチオマーを区別する必要があります。先に述べましたように、融点や沸点が同じで区別するのが難しいエナンチオマーどうしを、舌を使ったりせずに区別するにはどうしたらよいでしょう。

いくつかの方法がありますが、その一つが、X線を使った絶対配置の決定になります。この方法を使えば、分子の三次元的な構造が目でみてわかりますので、エナンチオマーどうしを区別する（絶対配置を決定する）ことが簡単にできます。

従来は、分子を単結晶化させる必要があり、結晶化が成功しないと絶対配置が決定できないという問題点がありました。しかし、microED技術によって単結晶化の工程を必要とせずに絶対配置が決定できるようになりました。

2．キラル分子の動力学的リファインメントの原理と実績

単結晶X線回折法では、「異常散乱（anomalous scattering）」を利用して分子構造の絶対配置を決定します。原子中の電子を自由電子として扱うと、X線に対する散乱因子はf₀と表され、散乱波と入射波の位相差は一定（π）になります。

しかし、実際の原子では電子の束縛状態が異なるため、外殻電子の散乱能力は自由電子とは異なり、位相角にずれ（ドリフト）が生じます。この現象は波長依存性があり、これを異常散乱と呼びます。

一方で、MicroED（微小電子回折）では、動力学的リファインメント（dynamic refinement）を通じて、分子の絶対配置を決定します。X線に比べて電子は波長が短く、かつ物質との相互作用が非常に強いため、X線回折では解析困難なナノスケールの結晶材料の研究に適しています。ごく小さな領域でも強い電子回折が得られるため、微小・ナノ領域における結晶相の解析や識別に特に有効です。

しかしこの強い相互作用によって、透過型電子顕微鏡（TEM）で取得される回折パターンには強い動力学的効果（複雑な多重散乱）が現れるため、逆に構造解析の妨げとなることもあります（図１参照)。

図１：試料の厚さによって引き起こされる顕著な動力学的効果

キラル構造においては、同じ化合物でも鏡像異性体（対掌体）では、動力学的効果に明確な差異が現れます。キラル化合物の相対配置を決定する際には、これらの動力学的効果の違いを利用して、動力学的リファインメントを通じて絶対配置を確認することが可能です。

まず、データ収集の段階において、Precession Electron Diffraction（PED、プリセッション電子線回折分析）を導入することで、回折パターンにおける動力学的効果の影響を平均化することができます（図２参照）。

図２：PED（プリセッション電子線回折分析）の動作原理の模式図

次に、結晶の厚さ、モザイク性、湾曲、欠陥など、動力学的効果に大きく関わる要因を考慮しながら、データ処理の過程においては、ダブルハンプ図（double-hump diagram）における回折点強度の積分に基づいて、動力学的リファインメントに適した回折データを選別します。

最後に、選別された回折データを用いて、異なるキラリティ（鏡像異性）をもつ化合物を個別にリファインメントします。両者の差異を比較することで、未知のキラル化合物の絶対配置を容易に特定することができます。以下に動力学的リファインメントによって絶対配置が決定された75の成功事例をご紹介します（表１参照）。

　絶対配置リファインメントの成功事例一覧（ReadCrystal社）

CAS Number	Name	Molecular Formula	Non-hydrogen Atoms
68-41-7	D-Cycloserine	C₃H₆N₂O₂	7
339-72-0	L-Cycloserine	C₃H₆N₂O₂	7
73-32-5	L-Isoleucine	C₆H₁₃NO₂	9
56-85-9	L-Glutamine	C₅H₁₀N₂O₃	10
464-49-3	D(+)-Camphor	C₁₀H₁₆O	11
464-45-9	(-)-Borneol	C₁₀H₁₈O	11
2216-51-5	(1R,2S,5R)-(-)-Menthol	C₁₀H₂₀O	11
616-91-1	N-Acetyl-L-Cysteine	C₅H₉NO₃S	10
26016-98-8	Fosfomycin calcium	C₃H₅O₄PCa	9
26016-99-9	Fosfomycin Disodium Salt	C₃H₅Na₂O₄P	10
66-84-2	D(+)-Glucosamine hydrochloride	C₆H₁₃NO₅·HCl	13
13189-98-5	Fudosteine	C₆H₁₃NO₃S	11
87-89-8	Inositol	C₆H₁₂O₆	12
6284-40-8	N-Methyl-D-glucamine	C₇H₁₇NO₅	13
61-76-7	(R)-(-)-Phenylephrine hydrochloride	C₉H₁₃NO₂·HCl	13
73-22-3	L-Tryptophan	C₁₁H₁₂N₂O₂	16
81-13-0	D-Panthenol	C₉H₁₉NO₄	14
51146-56-6	(S)-(+)-Ibuprofen	C₁₃H₁₈O₂	15
72432-03-2	Miglitol	C₈H₁₇NO₅	14
1119-34-2	L-Arginine hydrochloride	C₆H₁₄N₄O₂·HCl	13
555-30-6	3-(3,4-Dihydroxyphenyl)-2-methyl-L-alanine Sesquihydrate	C₁₀H₁₃NO₄	15
7481-89-2	2′,3′-Dideoxycytidine	C₉H₁₃N₃O₃	15
104632-26-0	Pramipexole	C₁₀H₁₇N₃S	14
69308-37-8	(R)-Baclofen	C₁₀H₁₂ClNO₂	14
62571-86-2	Captopril	C₉H₁₅NO₃S	14
527-07-1	D-Gluconic acid sodium salt	C₆H₁₁NaO₇	14
3056-17-5	Stavudine	C₁₀H₁₂N₂O₄	16
6902-77-8	Genipin	C₁₁H₁₄O₅	16
68373-14-8	Sulbactam	C₈H₁₁NO₅S	15
69655-05-6	Didanosine	C₁₀H₁₂N₄O₃	17
96020-91-6	Eflornithine hydrochloride hydrate	C₆H₁₂F₂N₂O₂·HCl·H₂O	14
5080-50-2	O-Acetyl-L-carnitine hydrochloride	C₉H₁₇NO₄·HCl	15
16595-80-5	Levamisol hydrochloride	C₁₁H₁₂N₂S·HCl	15
867-81-2	Sodium D-Pantothenate	C₉H₁₆NNaO₅	16
532-03-6	Methocarbamol	C₁₁H₁₅NO₅	17
3424-98-4	Telbivudine	C₁₀H₁₄N₂O₅	17
102518-79-6	(-)-Huperzine A	C₁₅H₁₈N₂O	18
147-94-4	Cytosine β-D-arabinofuranoside	C₉H₁₃N₃O₅	17
320-67-2	5-Azacytidine	C₈H₁₂N₄O₅	17
36791-04-5	Ribavirin	C₈H₁₂N₄O₅	17
121808-62-6	Pidotimod	C₉H₁₂N₂O₄S	16
33125-97-2	Etomidate	C₁₄H₁₆N₂O₂	18
609799-22-6	tasimelteon	C₁₅H₁₉NO₂	18
50-91-9	5-Fluoro-2′-deoxyuridine	C₉H₁₁FN₂O₅	17
143491-57-0	Emtricitabine	C₈H₁₀FN₃O₃S	16
123441-03-2	Rivastigmine	C₁₄H₂₂N₂O₂	19
148553-50-8	Pregabalin	C₈H₁₇NO₂	11
274901-16-5	Vildagliptin	C₁₇H₂₅N₃O₂	22
80433-71-2	Calcium Levofolinate	C₂₀H₂₁N₇O₇.Ca	35
797-63-7	D(-)-Norgestrel	C₂₁H₂₈O₂	23
366789-02-8	Rivaroxaban	C₁₉H₁₈ClN₃O₅S	29
162359-55-9	Fingolimod	C₁₉H₃₃NO₂	22
864070-44-0	Empagliflozin	C₂₃H₂₇ClO₇	31
530-43-8	chloramphenicol palmitate	C₂₇H₄₂Cl₂N₂O₆	37
486460-32-6	sitagliptin	C₁₆H₁₅F₆N₅O	28
697761-98-1	Elvitegravir	C₂₃H₂₃ClFNO₅	31
137281-23-3	Pemetrexed	C₂₀H₂₁N₅O₆	31
641571-10-0	Nilotinib	C₂₈H₂₂F₃N₇O	39
668270-12-0	Linagliptin	C₂₅H₂₈N₈O₂	35
80621-81-4	Rifaximin	C₄₃H₅₁N₃O₁₁	57
66108-95-0	Iodoethanol	C₁₉H₂₆I₃N₃O₉	34
114-07-8	Erythromycin	C₃₇H₆₇NO₁₃	52
155213-67-5	Lopinavir	C₃₇H₄₈N₆O₅S₂	50
1809249-37-3	Remdesivir	C₂₇H₃₅N₆O₈P	42
84625-61-6	Itraconazole	C₃₅H₃₈Cl₂N₈O₄	49
117467-28-4	Cefuroxime Axetil	C₂₅H₂₈N₆O₇S₃	41
50-55-5	Nifedipine	C₃₃H₄₀N₂O₉	44
220127-57-1	Glimepiride	C₂₉H₃₁N₇O.CH₄O₃S	42
97682-44-5	Iletin	C₃₃H₃₈N₄O₆	43
231277-92-2	Lapatinib	C₂₉H₂₆ClFN₄O₄S	40
2252403-56-6	Sotorasib	C₃₀H₃₀F₂N₆O₃	41
64-86-8	Colchicine	C₂₂H₂₅NO₆	29
18531-94-7	R-1,1''-linked-2-naphthol (R)-(+)-BINOL	C₂₀H₁₄O₂	22
602-09-5	(+/-)-1,1'-linked-2-naphthol, (+/-)-BINOL	C₂₀H₁₄O₂	22
76189-55-4	(R)-(+)-2,2'-Bis(diphenylphosphino)-1,1'-binaphthyl, (R)-BINAP	C₄₄H₃₂P₂	46

また、日本国内においては、東京理科大学の高橋研究グループと共同でCorey–Bakshi–Shibata（CBS）触媒を用いた2′-アミノ-3′-メチルアセトフェノンの不斉還元反応により得られた二級アルコール生成物の絶対配置を決定しました［4］。本研究では、従来法である修正Mosher法に加え、MicroED（マイクロ結晶電子回折）技術を活用することで、極めて微量の結晶試料から構造解析に成功しました［4］。

その結果、予測通りの立体選択性で反応が進行することを実証し、グラムスケールでも高い不斉収率を得ることに成功しました。本成果は、医薬品合成をはじめとするキラル分子開発において、MicroEDを用いた迅速かつ信頼性の高い構造決定法の有用性を示すものです。

参考文献：

Eliel, E.L.;Wilen, S.H. Stereochemistry of Organic Compounds; John Wiley & Sons: New York, NY, USA, 1994.
De Camp,W.H. The FDA Perspective on the development of stereoisomers. Chirality 1989, 1, 2–6. https://doi.org/10.1002/chir.530010103
Singh, M.; Sethi, S.; Bhushan, R. Liquid chromatographic methods for separation, determination, and bioassay of enantiomers of etodolac: A review. J. Sep. Sci. 2019, 43, 18–30. https://doi.org/10.1002/jssc.201900649
Arita, H.; Tomizawa, T.; Kikukawa, S.; Sakata, H.; Nishimoto, M.; Tabata, H.; Nakamura, K.; Oshitari, T.; Natsugari, H.; Kusumi, T.; Takahashi, H. Determination of the Absolute Configuration of 2′-Amino-3′-methylacetophenone Based on the Modified Mosher and Microcrystal Electron Diffraction Methods. Chem. Pharm. Bull. 2025, 73, 520–525. https://doi.org/10.1248/cpb.c25-00284

※本サイトの内容転載、複製リンクをご希望の場合、株式会社アクセラレート・バイオにご連絡をお願いいたします。