ノーベル賞の業績への投資：不斉有機触媒

ノーベル賞の歴史

ノーベル賞は、アルフレッド・ノーベルの遺言に基づいて設けられました。物理学、化学、生理学・医学、文学と平和の分野で、人類に大きく貢献した業績を顕彰します。

経済学賞は後にスウェーデンの中央銀行が設けた別の記念賞です。正式名称はアルフレッド・ノーベル記念スウェーデン国立銀行経済学賞で、1895年の遺言に含まれていた賞ではありません。

選考は分野ごとの機関が担当します。科学賞などはスウェーデンの機関、平和賞はノルウェー・ノーベル委員会が選考します。

遺産をどう残すか

兄の死の際に本人の死亡記事を読んだことが賞の創設につながったという逸話がありますが、その因果関係は確定した史実として扱うべきではありません。ダイナマイトを無煙火薬と同一視するのも不正確です。

ノーベルは化学者、技術者であり、爆薬や工業に関する事業を展開しました。軍需産業との関わりもありましたが、遺言の動機を一つの逸話だけで説明することはできません。

ノーベル賞

ノーベル財団は資産の運用を通じて賞の運営を支えています。受賞者にはメダル、賞状と賞金が贈られ、2024年の賞金は各分野の賞全体で1,100万スウェーデン・クローナでした。共同受賞ではその額を分けます。

出典: Britannica

科学分野などでは複数の研究者が共同受賞することがあります。賞金の配分は賞ごとの決定に従います。

受賞対象には、放射能、抗生物質、X線、PCRのほか、太陽のエネルギー源、電子の電荷、原子核の構造、超流動など、基礎科学と実用技術にまたがる業績があります。

化学反応を支える触媒

化学では、温度や圧力を変えるだけでなく、触媒を使って反応を速めたり望む経路へ導いたりします。触媒の選択は生成物や工程に大きく影響します。

触媒は一般に、活性化障壁の低い反応経路を与えて反応速度を高めます。反応の平衡や総反応エネルギーを自由に変えるものではありません。

触媒は反応の途中で化学的に変化することがありますが、理想的な触媒サイクルでは再生されます。実際には失活や副反応によって交換が必要になることもあります。

触媒は燃料精製、化学品、医薬品や食品など多くの製造工程を支える技術です。

ノーベル賞の解説では、触媒が関わる生産は世界のGDPの約35％に相当すると紹介されています。これは触媒製品そのものの市場規模ではありません。

さまざまなタイプの触媒

金属触媒にはニッケル、白金、パラジウムなどを使うものがあります。費用や選択性は金属、配位子と反応条件で変わり、金属触媒が一律に低選択的というわけではありません。

医薬品製造などでは、反応する位置や生成物の立体構造を制御する高い選択性が重要です。

酵素も触媒です。多くはタンパク質で、高い選択性を持って生体内の反応を進めます。触媒作用を持つRNAもあります。

酵素の精製や性質の解明は重要な進展で、関連する業績は1946年のノーベル化学賞で評価されました。現在も多くの工業工程で酵素が使われています。

自然界の酵素が、目的とする工業反応にそのまま適するとは限りません。一方、酵素工学により活性、選択性や耐久性を改良できる場合があります。

有機触媒は主に小さな有機分子を使う触媒です。炭素を骨格とし、窒素、酸素、硫黄などを含むものがあります。金属を使わない触媒設計の選択肢になりますが、すべての反応に最適とは限りません。

有機触媒

2021年のノーベル化学賞は、不斉有機触媒の開発によりベンジャミン・リストとデイビッド・W・C・マクミランに授与されました。

「不斉」は、鏡像関係にある立体異性体の一方を選択的に作ることなどに関わります。有機触媒の原料元素が豊富でも、触媒の合成や精製の費用が常に低いとは限りません。

キラリティとは、分子とその鏡像が重ね合わせられない性質です。単に分子を回転させて向きを変えることではありません。リモネンの鏡像異性体のように、生体との相互作用やにおいが異なる場合があります。

出典: Nobel Prize

有機触媒には先行例があり、1912年にはキニーネやキニジンを用いたシアノヒドリン生成が報告されました。リストとマクミランの功績は、有機触媒を体系的に発展させる道を開いたことです。

出典: Nobel Prize

以前の例の多くは個別の反応として報告されていました。2000年前後の研究は、機構に基づいた設計と応用の拡大を促しました。

触媒はどのように働くのか

反応には活性化障壁を越える必要があります。触媒は反応物との結合や中間体の形成、遷移状態の安定化などによって別の経路を与えます。単に二つの分子を近づけるだけとは限りません。

出典: Byjus

金属触媒では電子状態と配位環境が重要です。酵素では活性部位の化学的性質と立体構造が反応を制御します。

酵素の活性部位では少数の残基が重要な役割を担うことがあります。残りの構造も結合、安定性と反応環境の維持に関わります。

出典: Nobel Prize

リストは、酵素全体でなく小さな分子、特に単一のアミノ酸でも有用な触媒作用を示せるかを調べました。

リストの研究：プロリンと不斉合成

プロリンを使う触媒反応には1970年代の先行例がありました。リストはその可能性をさらに調べ、2000年に不斉アルドール反応の研究を報告しました。

この反応では、生成物の鏡像異性体の一方が優先的に得られました。触媒活性だけでなく立体選択性が重要な成果でした。

エナミン触媒作用では、アミンがカルボニル化合物と一時的に結合してエナミンを形成し、その反応性を利用します。

プロリンのアミン部位とカルボン酸部位が反応と遷移状態の制御に関わります。「窒素がエネルギーを下げる」だけでは機構を十分に説明できません。

出典: Nobel Prize

マクミランの研究：イミニウム触媒

マクミランは不斉金属触媒を研究する中で、水分や空気への感受性などの制約に注目しました。ただし、金属触媒が工業的にほとんど役立たないという意味ではありません。

そこで、有機分子で基質の反応性を変え、立体選択性を制御する方法を検討しました。

金属のルイス酸触媒は電子対を受け入れる相互作用などで基質を活性化します。作用は金属と配位子、反応によって異なります。

マクミランの設計では、アミンとカルボニル化合物から一時的にできるイミニウムイオンを利用します。

イミニウム触媒作用は、特に共役したカルボニル化合物の求電子性を高める方法として発展しました。

キラルな触媒の立体環境が、反応物の近づく面を選びやすくします。窒素原子の一般的な電子親和性だけで不斉反応が決まるわけではありません。

出典: Nobel Prize

有機触媒の台頭

二人は2000年に独立した研究成果を報告しました。マクミランは「有機触媒」という用語を使い、この研究分野の展開に貢献しました。

機構の解明と新しい設計によって、個別の発見から幅広い反応開発へ進む基盤が整いました。

有機触媒には、反応によって次のような利点があります。

• 貴金属の使用量や金属残留物の管理を減らせる可能性。
• 目的とする立体異性体を選択的に作れる可能性。
  • 医薬品では鏡像異性体によって作用や代謝、安全性が異なることがあります。一方が常に有効で他方が必ず有毒という一律の関係ではありません。
• エナミンやイミニウムを含め、多様な機構に基づく反応へ設計を拡張できること。
• 工程の省資源化につながる可能性。ただし、有機触媒がすべて無毒、再利用可能、環境負荷ゼロというわけではありません。

有機触媒の成果

複雑な分子を効率よく組み立てる例として、ストリキニーネの合成があります。

ノーベル賞の解説では、初期の全合成は29段階を要し、全体の収率は0.0009％だったと紹介されています。ストリキニーネは強い毒性を持つ天然物です。

2011年の研究では有機触媒を使うカスケード反応を取り入れ、12段階で合成しました。解説の「7,000倍」は工程全体の効率の比較で、あらゆる有機触媒反応に当てはまる倍率ではありません。

合成法の改良は、天然資源からの抽出が難しい化合物の供給に役立つ可能性があります。医薬品化には合成だけでなく品質、臨床と安全性の確認が必要です。

将来の展開

光触媒

光合成は光を化学エネルギーへ変換する重要な自然の例です。ただし、多数のタンパク質や金属を含む複雑な機構であり、金属を含まない小分子有機触媒だけで行われるわけではありません。

現在の化石燃料の多くも、過去の生物が蓄えた炭素やエネルギーに由来します。

光を利用して化学反応を進める触媒は、燃料や化学原料の製造でも研究されています。光触媒には有機系と金属を含む系があり、性能は設計によって異なります。

光を直接反応に使う方法は、太陽電池で発電してから電解する方法とは異なります。どちらが有利かは変換効率、耐久性と設備費を含めて比較する必要があります。

燃料製造の費用を下げる可能性はありますが、光触媒の研究だけで低価格のバイオ燃料が確立したとは言えません。

AIを用いた分子設計

設計できる分子は非常に多く、研究されたものはその一部です。

厳密な量子計算は系が大きくなると困難になります。一方、近似法や分子力学などを使って大きな系も扱えるため、「5～10原子以上は計算できない」という一律の限界はありません。

機械学習は、既存データや計算結果から性質を予測し、候補を絞る方法として使われます。適用範囲と不確実性の評価が必要です。

関連する例には、AlphaFoldによるタンパク質構造予測、抗菌活性を持つ候補分子の予測、Microsoft (MSFT )のAI4Scienceがあります。構造や活性の予測だけで薬効、安全性や工業工程の成立が保証されるわけではありません。

出典: Microsoft

AIによる候補探索は新しい触媒の発見を支援する可能性があります。関連する議論は「AIによる発見の加速」でも紹介しています。

有機触媒への投資

有機触媒市場については、ある調査会社が2032年まで年平均6.4％の成長を予測しています。これは定義と仮定に依存する市場予測で、個別企業の売上や利益を保証するものではありません。

関連上場企業の取引には証券会社を利用できます。Securities.ioには、米国、カナダ、オーストラリア、英国とその他の国の証券会社に関する情報があります。商品と条件は地域で異なります。

化学・素材分野のETFには、iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF（EXV7）やVanguard Materials ETF（VAW）などがあります。有機触媒だけに投資する商品ではないため、保有銘柄、費用とリスクを確認する必要があります。

触媒企業

1. BASF (BASFY)

BASFは化学、素材、産業向け製品、農業関連など幅広い事業を持つ化学会社です。部門構成や従業員数は年度によって変わり、グループ全体が有機触媒専業というわけではありません。

顧客業界には化学、輸送、農業と消費財などがあります。顧客業界別の売上比率と会社の報告セグメントは異なる分類です。

出典: BASF

BASFの触媒事業は多様な用途を扱います。人員と拠点数は公表時点の範囲に基づくもので、すべてが不斉有機触媒の事業ではありません。

BASFの2023年の研究開発費は約21億ユーロでした。農業関連を含む複数分野に配分されており、すべてが触媒の研究費というわけではありません。

出典: BASF

同社の素材・製造技術には表面処理、多孔質材料とポリマーなども含まれます。用途ごとに技術の成熟度と市場が異なります。

こうした技術基盤は新しい用途への展開を支えますが、将来の成長は需要、競争、設備投資と製品化に左右されます。

2.  Schrödinger, Inc.

Schrödingerは物理に基づく計算と機械学習を使い、活性、溶解性、代謝や合成可能性などを考慮して候補分子を探索する技術を提供しています。

Schrödinger (SDGR )の計算手法は候補の選別に役立ちます。ただし、データがない領域でも無条件に正確な予測ができるわけではありません。「10億分子から8候補」といった例は特定の条件によるもので、合成や実験検証を不要にするものではありません。

出典: Schrodinger

Schrödingerは2020年にBayerと5年間の技術提携を発表し、受取見込額を約1,000万ユーロとしました。提携は分子設計とBayerの予測モデルを組み合わせるものでした。

2022年にはLillyとの創薬提携も発表しました。契約には前払金のほか、条件達成時の最大4億2,500万ドルのマイルストーンとロイヤルティが含まれます。全額が確定収入ではありません。

過去の協業先にはTakeda、Sanofi (SNW.DE ) (SNY )、Bristol Myers Squibbなどがあります。各提携の範囲と継続状況は個別に確認する必要があります。

同社は自社と提携先の創薬候補を開発しています。2024年以前の図表の候補数や臨床段階はその時点の情報であり、承認済み製品数や現在の開発状況を意味しません。

出典: Schrodinger

ソフトウェアなどの収入があっても、研究開発と事業拡大には資金が必要です。過去の現金残高だけで、将来の資金調達や損失のリスクを小さいと断定することはできません。

創薬以外にも、化学品、電池材料やポリマーなどへの計算技術の応用を検討しています。

出典: Schrodinger

新しい協業は技術の関心や採用を示す手掛かりになります。一方、契約発表だけで臨床的成功や新市場での利益が確定するわけではありません。

計算モデルは有機化学や触媒設計を支援する可能性があります。実際の工程改善には合成、実験、スケールアップと経済性の検証が必要です。