平成２８年４月 14 日

公益財団法人富山第一銀行奨学財団
理事長

金 岡 純 二殿助成研究成果概要報告書
教育機関名：

富山大学

研究代表者：堀野良和

助成金額：
所属：

理工学研究部（工学）600 千円
職位：准教授研究題目：固体状態で発光する有機蛍光材料の開発【研究概要】
生体標識材料として実用化されている有機系蛍光色素に代わる新たな高発光性生体標識材料の開発が活発に行われている。現在，その候補として，微量タンパク質の高感度検出が可能とされる有機色素分子をナノ粒子内部に固定化したナノ粒子型蛍光材料に注目が集まっている。しかし，蛍光ナノ粒子の濃度を高濃度にすると濃度消光を引き起こすことから，ナノ粒子内部に固定化する有機色素分子の発光特性を高める分子創製に世界中の研究者が凌ぎを削っている。有機蛍光色素も高濃度の溶液中や固体状態で使用する場合，ナノ粒子内部で色素分子同士が凝集して発光効率，発色性，光感受性や光増感性などの機能が低下する濃度消光やエキシマー形成が問題となるが，蛍光ナノ粒子材料の内部に凝集誘起発光性分子を利用することでこれらの問題を解決できる。凝集誘起発光性分子の設計には，デクスター機構やフェルスター機構による消光機構を抑制するための合理的な分子設計と高発光特性を持たせるためのドナー・アクセプター型の置換基導入を分子レベルで精密に制御する必要がある。本研究では，これらの点を克服したナノ粒子型蛍光材料に適した新規な凝集誘起発光性分子の創製を目指している。

【成果要約】
まず，基質 1 からパラジウムカルベノイドを効率的に発生させる反応条件の検討を行った。反応条件を種々検討した結果，触媒量（5 mol%）の[(η3−allyl)PdCl]2 または Pd2(dba)3CHCl3，2,2’−ビピリジン配位子（10 mol%），フッ化セシウム存在下，基質 1 を DMF 溶媒中，60˚C で加熱したところ 1,6−ジアリール−1,3,5−ヘキサトリエン誘導体 2a が良好な収率で得られることが分かった（Table 1）。本反応に適用可能な基質は，基質 1 の置換基 R に芳香族基を有するものであり，置換基 R が芳香族基以外のアルキル基，ビニル基，アルキニル基では進行しなかった（Table 2）。
5% [(allyl)PdCl]2
10% ligand

OAc
Ar

SiMe3
1

Table 1.

Ar

Ar

CsF, MS 4Å
DMF, 60 oC

2
Table 2.

entry

ligandtime (h)2a (%)

entry

Ar

2 (%)

12DPPE
TMEDA

3.5
636
trace

12

C6H5
2,6-Me2C6H3

2a (88)2b (86)

3phena)0.5

7434-BrC6H42c (70)

4bypb)

0.5

88

44-FC6H42d (88)

5c)

byp

19

48

54-CF3C6H42e (92)64-MeOC6H42f (36)a) phen = 1,10-phenanthrolineb) byp = 2,2'-bipyridine, c) no CsF was used.

これは，π 共役を介した芳香族基により，パラジウムカルベノイドが安定化されるためと考えられる。また，炭素−ケイ素結合よりも結合解離エネルギーの小さいゲルミル基やボリル基を有する基質では，基質 1 を用いる場合よりも反応が速やかに進行した（Scheme 1）。
Scheme 1.
OAc
Ph

5% [(allyl)PdCl]210% 2,2'-bpy
GeMe3

5% [(allyl)PdCl]210% 2,2'-bpy

Ph

PhCsF (2 eq.), MS 4Å
DMF, 60 oC, 87%

2aCs2CO3 (2 eq.), MS 4Å
DMF, 60 oC, 74%OAc
PhBHNHN

そこで，これまでに合成例のない 1,2,5,6−テトラアリール−1,3,5−ヘキサトリエン誘導体 3 の合成を本手法により目指した（Scheme 2）。
Scheme 2.

OAc

Ar25% [(allyl)PdCl]2

Ar1Ar2

SiMe3

Ar1CsF (2 eq.)
DMF, 60 ˚CAr2

3a (Ar1 = Ar2 = Ph)
Ar1 3b (Ar1 = 4-CF3C6H4, Ar2 = Ph)
3c (Ar1 = 4-CF3C6H4, Ar2 = 4-MeOC6H4)

本反応の特徴としては，1）特別な原料合成が不要であること，2）基本的に全て市販試薬を用いて，環境調和型有機合成と認識されている付加反応のみを利用することが挙げられる。また，3をわずか 4 段階で合成できることも特筆すべき点である。反応開発初期段階ではあるが，3a–3cが 20％–40%程度で得られた。現在，改善すべき問題点が幾つか見つかっており，収率の改善を鋭意検討中である。次に，開発した二量化反応を利用して，ヘキサトリエンに４つの芳香族基を導入した 1,2,5,6−テトラアリール−1,3,5−ヘキサトリエン誘導体（例えば 3a−3c）の合成と物性評価を行った。これらの化合物が，固体状態で蛍光発光を示すこと（図 1），さらに凝集誘起蛍光発光特性を有することを明らかにした（図 2）。これは，3a のＸ線構造解析の結果からも明らかで，ヘキサトリエンの２位と５位のフェニル基が約７２°の角度でねじれているため，分子間同士の π−π スタッキングが抑制され，デクスター機構によるエネルギーの損失がないことが分かった（図 3）。また，3a は固体状態で量子収率 53%を示した
1.2"

3aFluorescence intensity

3b60000
ε / M-1 cm-1

1"

3a0.8"

3c0.6"

40000

0.4"

3b200000.2"

3c02803303800"
430480530580

630

THF/H2O = 30/70

Relactive intensity

80000

THF/H2O = 20/80

THF/H2O = 40/60

THF/H2O = 50/50

380430480530
Wavelength (nm)

580680

Wavelength / nm

図 1. 溶液での UV（左側）と固体状態での蛍光（右側）図 2. THF/H2O 溶液中での 3a の蛍光スペクトル

図 3. 3a のＸ線構造解析

このように本研究では，π 共役系を一挙に構築できる新規触媒的分子変換反応の開発を通して，1）パラジウムカルベノイドの新規発生法を確立することができた，2）パラジウムカルベ
ノイドの化学的性質に関する知見が得られた，3）π 共役電子系有機材料として期待される
1,2,5,6­テトラアリール­1,3,5­ヘキサトリエン誘導体の実用的な合成法を見出すことができた。今後は，開発した凝集有機発光体を用いて，感染症の判定に利用できるイムノクロマト試薬用の標識粒子の作成を行い，有機系蛍光色素に代わる新たな高発光性生体標識材料の開発へ展開したい。

（別添資料）

研究成果【雑誌論文，学会発表，図書，新聞掲載，研究に関連して作成した Web ペー

発表状況

ジ，産業財産権（特許権等）の出願・取得状況について記入】
１）
著者：Yoshikazu Horino, Ataru Aimono, Hitoshi Abe
題目：“Pd-catalyzed Three-Component Reaction of 3-(Pinacolatoboryl)ally Acetates,Aldehydes, and Organoboranes: A New Entry to Stereoselective Synthesis of(Z)-anti-Homoallylic Alcohols”
掲載雑誌：Organic Letters, 2015, 17, 2824–2827.（2015 年）アメリカ化学会
２）
著者：Yoshikazu Horino, Miki Sugata, Hitoshi Abe
題目：“Palladium-Catalyzed Three-Component Reaction of 3-(n-Tributylstannyl)allyl
Acetates, Aldehydes, and Triorganoboranes: An Alternative to the Carbonyl
Allylation Using α,γ-Substituted Allylic Tin Reagents”
掲載雑誌：Advanced Synthesis & Catalysis, 2016, 358, 1023–1028.（2016 年）Wiley３）
堀野良和「ホモアリルアルコール誘導体の製造法」
特許出願（2016 年 4 月 1 日）出願番号 2016-074757
経費の区分執行額（円）

備考

執行状況
試薬代

150,607

実験で使用した薬品

消耗品

301,973

実験機器（冷却トラップ）

109,620

EYELA

UT-1000

実験機器（恒温水槽）

37,800EYELA

SB-1200

合計600,000