ヘリセンによるナノスプリング・ナノコイルの創製と新機能の発現
Synthesis and Functionality of Nanosprings and Nanocoils by Helicenes
研究代表者

和歌山大学システム工学部講師

大須賀秀次

Lecturer, Faculty of Systems Engineering, Wakayama UniversityHideji OSUGA【要約】
これまでの我々の研究で、ヘテロヘリセンジオールがバネのように伸び縮みしてゲスト分子を認識していることを明らかにしてきた。そこで、より多数の芳香環を有するヘリセンを合成し、「ナノコイル」の創製に発展させ、特異な物性の研究を行うことを目的とした。多数の芳香環が縮環したヘリセンは、有機溶媒に対する溶解性が低いことが知られている。そこで、これを改善するためヘリセン骨格にアルキル基を導入したヘリセンの合成を行った。無置換のヘリセンと比較すると、これらの溶解度は格段に向上していた。一方、オレフィンのオリゴマーを合成し、混合物を光環化することによって、最高[19]ヘリセンの生成まで確認することができた。また、ジメチルアミノ基を有するヘリセンを合成し、DNA との相互作用を調べた。その結果、P 体のヘリセンが Z 型の DNA と特異的に結合する一方で、M 体のヘリセンにはそのような選択性は見られなかった。
[Abstract]
Several types of thiaheterohelicenes bearing functional groups have been synthesized andcharacterized.

Synthesis and purification of these compounds were found to be difficult because of

their poor solubility in organic solvents.

In order to increase their solubility, novel helicenes

containing alkyl groups on the outer helix were synthesized.

The solubility of the polyalkylated

helicene was greatly improved compared to the unsubstituted thiaheterohelicene.

Since higherhelicenes, which are constructed by more aromatic rings, such as [15] helicene are very interesting inview of “molecular coil”, the synthesis and properties of higher helicenes are now in progress.
Optically active bis(dimethylaminomethyl)[7]helicenes were also prepared and their interactions with
DNA were studied by CD spectra.
端の芳香環が重なり合うため立体障害が大１．研究目的
ヘリセンは複数の芳香環が互いにオルトきく、このため光学異性体は安定であり、位で縮環したらせん型構造を有する縮合多150 °C 程度に加熱してもほとんどラセミ化

環式炭化水素の総称である。ヘリセン類はらは進行しない。光学活性ヘリセンの特徴は比せん構造に基づくキラリティ（ヘリシティ）

旋光度が極めて高いことで、キラル[6]ヘリセを持ち、右巻きの P 体と左巻きの M 体の光ンでは約 3600 度にも達する。このため、ヘ学異性体が存在する。[6]ヘリセン以上では末リセン分子は構造化学的な面だけでなく物−1−性や機能に関しても古くから化学者の興味キル基を導入したポリアルキル化ヘテロヘを集めてきた。

リセンの合成と物性について、および光学活

これまでの我々の研究で、二つのヒドロキ性ヘリセンの新規な物性として、二官能性ヘシメチル基を持つヘテロヘリセンジオール

テロヘリセンと DNA との相互作用についてが、エタノールやテストステロンなどのゲス報告する。

ト分子を取り込み、クラスレートを形成することを見出した。これらのクラスレートのＸ

２．研究経過線結晶構造解析により、ヘリセンジオールが２－１．ポリアルキル化ヘリセンの合成

バネのように伸び縮みしてゲスト分子を認

多数の芳香環が縮環したヘリセンは、有機識していることがわかった。この現象は、ら溶媒に対する溶解性が低いことが知られてせんの伸縮による分子認識の最初の例であいる。そこでこの問題を改善するため、ヘリり、ヘリカル π 電子系が持つ特異な機能が発セン骨格にアルキル基を導入したヘリセン 3、現された好例と言える。本研究では、より多6、8 の合成を行った。ベンゾジチオフェン

くの芳香環が連なった新規なヘリセンを合を出発物質として４ステップでジオクチル成することにより、新たに「ナノコイル」をヘリセン 3 を合成した。次にジオクチルベン創製し、その物性を調べることを目的としてゾジチオフェン 4 を出発物質として３ステ研究を開始した。

ップでテトラオクチルヘリセンとヘキサオクチルヘリセン 8 の合成に成功した（Scheme

芳香環が多数縮環することによって有機1）。

溶媒に対する溶解度が大きく減少するため、合成や分離精製が困難になる。したがって、これらポリアルキル化ヘリセンの各種溶より多くの芳香環が連なった新規なヘリセ媒への溶解度を吸収スペクトルを用いて測ンを合成するためには、溶解性の問題を改善定し、その結果をFigure 1（ET値は溶媒の極することが必要不可欠である。そこで本報告性の尺度を示す）に示した。無置換ヘリセン書では、ヘリセン骨格の周辺部に多数のアル9 と比較すると、疎水性のアルキル基を導入
SS

S

S

S
C8H173 steps
S

S

I2, 1,2-epoxybutane,hνSS

C8H17Sbenzene
87%

C8H1721SSS

S

2 steps

S

C8H17

C8H17C8H17S

S

C8H17

C8H17

C8H174

C8H173

I2, 1,2-epoxybutane,
hν

S

C8H17

C8H17

C8H17

C8H17benzene
85%

S

S
65S
C8H17
2 steps

S
S
C8H17

C8H17C8H17S

S

C8H17S
C8H17
C8H17

C8H17

I2, 1,2-epoxybutane,C8H17hνbenzene
93%

C8H17SS

C8H177

C8H178Scheme 1. ポリアルキル化ヘテロヘリセンの合成−2−1074.62([7]helicene)

1000

3 104

3689800

2.5 104

Solubility 600

400

1.5 104

200

1 104

o0S

S

S

S

S

S

S

C8H17

C8H17

C8H17C8H17C8H17

C8H17

C8H17SSS

C8H1760

S0500

1000

1500

2000

2500

Mass/Charge

S

C8H173T

chloroform ethanol
39.1
51.9

C8H17S

C8H17

THF
37.4

2397.27([15]helicene)

5000

E (25 C)
hexane toluene
30.933.9S

1736.00([11]helicene)

2 104(g / l)SS

Figure 2. LDI-TOFマススペクトル

C8H1789

Figure 1. ポリアルキル化ヘテロヘリセンの溶解度したことにより、親水性であるエタノール以外の有機溶媒に対する溶解性が、大きく向上

テロヘリセンを合成するため、McMurry 反応を用いてオレフィンのオリゴマーを合成した（Scheme 2）。この混合物をそのまま光環化反応にかけた結果、[7]ヘリセン以外に、することがわかった。
また、導入したアルキル基の数と溶解度は単純な比例関係にはなく、テトラオクチル体よりもジオクチル体の方が溶解度は高かった。詳細は明らかではないが、濃度を変化させて測定した一連の NMR 実験から、分子間の会合状態が大きく影響しているものと考えている。

[11]ヘリセン、[15]ヘリセン、[19]ヘリセンが生成することを、LDI-TOF MS によって確認することができた（Figure 2）。また、比較的多量に生成した[11]ヘリセンについては、
GPC によって容易に単離できることも明らかになった。

一方、より多くの芳香環が縮環した高次ヘ２－２．ヘリセンと DNA との相互作用
OS

C8H17 C8H17+S

C8H17

近年、DNA の局所構造に特異的に結合し、OO

C8H17S

C8H17S

TiCl4, Zn
THF

C8H17
C8H1730

8HOH2CSS
C8H17+SS
C8H17

C8H17C8H17S

SOCl2

C8H17S

9C8H17

C8H17S

C8H17S
C8H17S
C8H17S

C8H17

C8H17hνwater / THF

(96%)

(76%)

etc

ヘリセン

S(M)-1100%eebenzeneScheme 2. 高次ヘテロヘリセンの合成

S

SSS

CH3(P)-3H3C

CH3N

NSSSS

CH3H3CSOCl231I2, 1,2-epoxybutane,

dry Benzene /dry Pyridine

CH2OH
S

C8H17SNS

HOH2C
SSCH3N1) Dimethylamine
2) NaOH(P)-1100%ee

C8H17

H3C
H3C

CH2OH
S

C8H17S
C8H17

生物学的機能を阻害する小分子が注目され

dry Benzene /dry Pyridine

1) Dimethylamine
2) NaOH
water / THF(M)-3Scheme 3. ビスジメチルアミノヘリセンの合成−3−

また、ジメチルアミノ基を有するヘテロヘている。そこで、ともにらせん構造を有するヘリセンと DNA との間の相互作用について、 リセンと DNA との相互作用を CD スペクト
CD スペクトルを用いて調べることにした。

ルで調べたところ、P 型のヘリセンが Z 型のまず、酵素を利用した速度論的分割によってDNA に対して選択的に結合するだけでなく、右巻き、左巻きの光学活性ヘリセンジアルコB 型構造を Z 型に誘起することも明らかとしール 13 を合成した。次に塩化チオニルを反た。

応させてクロリドとし、さらにジメチルアミンを反応させ、DNA のリン酸部位とより強４．今後の課題と発展く結合するジメチルアミノ基を有する光学オレフィンのオリゴ マーを光環化するこ

活性ヘリセン 14 を合成することに成功したとによって最高[19]ヘリセンまでの生成を確（Scheme 3）。得られた光学活性なヘリセン

認することができたが、現状ではカップリン

14 と DNA との相互作用を CD スペクトルにグ時の効率が悪いため、高分子量のものが生より検討したところ、Figure 3 に示すように、成せず、結果として高次ヘリセンの生成量が(P)-14 （ 右 巻 き ヘ リ セ ン ） は Z 型 DNAわずかなものとなっている。そこで、今後は(CGC8meGCG) に よ く 結 合 し 、 B 型 DNAオレフィンの合成条件を改善することによ(CGCGCG)には結合しないことが明らかにって重合度を上げ、[15]ヘリセン、[19]ヘリなった。一方、(M)-14（左巻きヘリセン）にセンだけでなく、より高次のヘリセンの合成はそのような選択性はなく、同じように結合を行っていきたい。さらに芳香環の数の多いしていると思われる結果が得られた。また、高次のヘリセンを合成することにより、ナノP 型のヘリセンは Z 型の DNA に対して選択テクノロジーの一分野としての「ナノスプリ的に結合するだけでなく、B 型構造を Z 型にング」や「ナノコイル」を確立するとともに、誘起することも明らかとした。

らせん構造に起因した特異な物性に関する研究を行っていきたいと考えている。
５．発表論文リスト
1. Elongation and Contraction of MolecularSprings.

Synthesis, Structures, and Propertiesof Bridged [7]Thiaheterohelicenes
Tanaka, K.; Osuga, H.; Kitahara, Y. J. Org.
Chem. 2002, 67(6), 1795-1801.

Figure 3. P体とDNAの相互作用

2. 分子バネ−ヘテロヘリセン の合成と特異な性質

３．研究成果ヘリセンの周 辺にアルキル基を導入する

大須賀秀次、田中和彦，有機合成化学協会誌

ことによって、溶解度の高いヘリセンを合成

2002, 60(6), 593-603.

することに成功した。次に、オレフィンのオ

3. (P)-Helicene Displays Chiral Selection in

リゴマーを合成し、その混合物を光環化する

Binding to Z-DNA

ことによって、最高[19]ヘリセンまでの生成

Xu, Y.; Zhang, Y. X.; Sugiyama, H.; Umano, T.;

を確認することができた。

Osuga, H.; Tanaka, K. J. Am. Chem. Soc. 2004,126(21), 6566-6567.
−4−