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題目(和文)

生物活性化合物の構造解析に向けたアザフェナレニル配位子からなる機能性細孔の構築

Title(English)

Design of functional pores using azaphenalenyl ligands and theirapplication for the structure determination of bioactive molecules

著者(和文)

和田雄貴

Author(English)

Yuki Wada

出典(和文)

学位:博士(理学),学位授与機関:東京工業大学,
報告番号:甲第12321号,授与年月日:2023年3月26日,
学位の種別:課程博士,
審査員:河野 正規,石谷 治,大森 建,吉沢 道人,小野 公輔

Citation(English)

Degree:Doctor (Science),
Conferring organization: Tokyo Institute of Technology,
Report number:甲第12321号,
Conferred date:2023/3/26,
Degree Type:Course doctor,
Examiner:,,,,

学位種別(和文)

博士論文

Category(English)

Doctoral Thesis

種別(和文)

論文要旨

Type(English)

Summary

Powered by T2R2 (Tokyo Institute Research Repository)

（博士課程）Doctoral Program論 文 要 旨ＴＨＥＳＩＳ ＳＵＭＭＡＲＹ

系・コース：
Department of, Graduate major in

学生氏名：
Student’s Name

化学
化学

系
コース

和田 雄貴

申請学位（専攻分野）： 博士
Academic Degree Requested

指導教員（主）：Academic Supervisor(main)

Doctor of（理）河野正規

指導教員（副）：Academic Supervisor(sub)要旨（和文 2000 字程度）
Thesis Summary （approx.2000 Japanese Characters ）本博士学位論文は生物活性物質のような複雑な構造を有する分子を細孔性物質の中に包接することで取り込んだ分子の構造解析を行う手法の新たな固定化メカニズムと新規材料開発の指針についてまとめたものであり、全５章からなっている。構造解析標的分子を内包した多孔性錯体ネットワーク（ＰＣＮ）の X 線解析は、包接化合物の構造だけでなく、ホストーゲスト間相互作用から内包分子の相互作用性や準安定な化学種や反応中間体などの重要な情報も得ることが可能である。しかし、これまでほんの数例の PCN しか幅広い種類の基質に適応しその包接分子の構造解析をする研究は行われてきていない。これは、ゲストの包接は、絶妙なホスト-ゲスト相互作用によって達成されるため、全ての基質に適応するようなＰＣＮを設計することは困難であるからである。本博士学位論文では、多様な標的分子に対応した基質適応性に富んだ新規包接機構を発見し、14 種類もの生物活性物質を原子分解能で分子構造を決定することに成功している。具体的には細孔内に水分子を固定化することでゲストの形状に合わせて変化する水素結合ネットワークが発現させた。このことにより、従来の PCN ではハロゲン相互作用や・-・・相互作用のような疎水的な相互作用によりゲストが捕捉さている対して、本機構では強固で指向性を有する水素結合や配位結合のような親水的な相互作用によりゲストを固定化することで分子を細孔内に配列することが可能となり、結晶学的な束縛や拘束を必要とせずに解析をすることに成功している。また、得られた知見からより高分子量へと本応用を適用できるように細孔の大きな相互作用性に富んだＰＣＮを合成するための新たな配位子の合成も併せて報告している。
第１章では PCN の研究基礎的な背景、結晶性スポンジ法、フェナレニル化合物、ヘキサアザフェナレニル（HAP）化合物、ＨＡＰ骨格を有する配位子からなるＰＣＮとその特徴について紹介した。特に HAP 骨格を有する配位子はその特異的な相互作用から PCN の準安定構造の安定化することや、溶液拡散法において添加する溶媒を少し変えることで９つもの異なる構造を速度論的に作り分けることが本博士学位論文の足掛かりになっている。
第２章では、HAP 骨格の特異的な相互作用性について詳細に検討した。HAP 骨格に 3-ピリジル基を導入した３－TPHAP とそれを用いた PCN を合成することで PCN 形成後に置換基の回転を抑えることにより HAP 骨格の相互作用性を詳細に検討することを目的としている。合成した PCN（Co-3TPHAP）の細孔内にアントラセン、トリフェニレン、ヨウ素という種々のゲスト分子を組み込んだ。その結果、ゲストを包接した PCN の構造を単結晶 X 線回折により解明し、微妙な構造変化を伴う特異的なホストーゲスト相互作用が明らかになった。
第３章では第２章の結果を踏まえ包接分子の構造解析法への基盤としての応用が試された。14 種類の生物活性化合物を 3-TPHAP からなる PCN である Co-3TPHAP に包接させ、その精密構造解析を行った。構造解析の結果、ゲスト適応性のある水ネットワークを形成することで新たにホスト-溶媒-ゲストの相互作用が発現し、細孔内にゲスト適応性水素結合ネットワークが形成され、ゲストが捕捉されていた。量子計算の結果、全体のゲストの結合エネルギーのうち水素結合ネットワークのエネルギー的な寄与はそれほど大きくはなく分散力が支配的であることが明らかになった。一方で、水素結合と配位結合は指向性を有した結合であるため、ゲストを包接ではなく配列に大きな寄与があると示唆されている。
第４章では第３章で詳細に解析した PCN である Co-3TPHAP は細孔の大きさから包接出来る分子の大きさに制限があることが考えられる。そこでより例えば分子量 1000 を超えるような大きな分子量のゲストへの構造解析へと応用できるようにはより大きな細孔を有した PCN を合成することが必須である。そこで中心骨格を拡張し、その相互作用性を強化した。電子的な相互作用性を強めるために中程度の電子供与性能を有する C3 対称性を有したトリアザフェナレニルを中心骨格とした。このことにより細孔表面でゲスト分子との電荷移動相互作用が期待され、ゲスト化合物を細孔表面に整列させることが期待される。既報の手法から Me６HCTAP を合成した後、加水分解により６つのカルボン酸を有する HCTAP を合成した。その後、2 段階の脱炭酸反応により、HCTAP から３つのカルボン酸を有する TCTAP と無置換 TAP が合成された。最後に、CITAP は HCTAP の無水物から、アミンとの縮合によって合成された。これらの新規の化合物は新たな魅力的な細孔を有する PCN を合成が可能であると予想される。
第５章では、研究成果の要約とその意義について考察し、本テーマの今後の方向性を概説している。
本論文は、以上のようにアザフェナレン類の持つ特異な電子状態に着目し、それらをＰＣＮに取り込ませることにより広範な分子を解像度良く解析できるという新たな材料設計への指針を提示しており、学術上、産業上の両面から結晶化学、超分子化学、錯体化学や有機化学など種々の分野に寄与するところが少なくない。
備考：論文要旨は、和文 2000 字と英文 300 語を 1 部ずつ提出するか、もしくは英文 800 語を 1 部提出してください。

Note : Thesis Summary should be submitted in either a copy of 2000 Japanese Characters and 300 Words (Engｌish) or 1copy of 800
Words (English).
注意：論文要旨は、東工大リサーチリポジトリ（T2R2）にてインターネット公表されますので、公表可能な範囲の内容で作成してください。
Attention: Thesis Summary will be published on Tokyo Tech Research Repository Website (T2R2).

（博士課程）Doctoral Program論 文 要 旨ＴＨＥＳＩＳ ＳＵＭＭＡＲＹ

系・コース：
Department of, Graduate major in

化学
化学

学生氏名：
Student’s Name

和田 雄貴系コース

申請学位（専攻分野）： 博士
Academic Degree Requested

指導教員（主）：Academic Supervisor(main)

Doctor of（理）河野正規

指導教員（副）：Academic Supervisor(sub)要旨（英文 300 語程度）
Thesis Summary （approx.300 English Words ）X-ray analysis of porous coordination networks (PCNs) encapsulating target compounds could not only reveal
important information about the target structures and host-guest interactions but also observe chemical
reactions including metastable species. However, to date, only a handful of MOFs have been identified
to be compatible with a wide range of substrates since guest capture and stabilization are typicallyachieved by a series of finely balanced host-guest interactions, which are difficult to rationally design.
In this study, a MOF with hexaazaphenalenyl based ligands was used for the encapsulation and structuralcharacterization. The bioactive molecules were encapsulated by an adaptable water network with atomic
resolution data quality. A novel C3 symmetric triazaphenalenyl molecular system was also developed toexplore the unique properties of azaphenalenyl compounds.

備考 : 論文要旨は、和文 2000 字と英文 300 語を 1 部ずつ提出するか、もしくは英文 800 語を 1 部提出してください。
Note : Thesis Summary should be submitted in either a copy of 2000 Japanese Characters and 300 Words (Engｌish) or 1copy of 800
Words (English).
注意：論文要旨は、東工大リサーチリポジトリ（T2R2）にてインターネット公表されますので、公表可能な範囲の内容で作成してください。
Attention: Thesis Summary will be published on Tokyo Tech Research Repository Website (T2R2).