研究報告集
第

33

集

2022 年 3 月

公益財団法人松籟科学技術振興財団

SHORAI FOUNDATION FOR SCIENCE AND TECHNOLOGY

研究報告集第33集発刊によせて公益財団法人

しょう ら い松籟科学技術振興財団
理事長

長谷川

吉弘

第36回（2018年度）研究助成金を贈呈した研究者の方々による研究成果を収録した「研究報告集第33集をお手許にお届けします。1983年 3 月の財団設立以来、科学技術に関する調査・研究・国際交流に対する助成・奨励を行うことを目的として事業を継続してまいりました。これも、ひとえに皆様方のご理解とご協力の賜物と厚くお礼申しあげます。
さて、昨年出現した新型コロナウイルスによるパンデミックは、国内では収束に向かっているのではないかと一時思われましたが、デルタ、オミクロンと新たな変異株が出現し収束が見通せない状況となり、その解決は全世界的な課題となっています。
一方、もう一つの大きな課題である地球温暖化防止を含めSDGs、ゼロカーボンという持続可能な社会を目指す運動が世界的なうねりとして活発化しています。先日発表されたIPCCの第 6 次報
告書には「人間の活動の影響によって大気、海洋、陸地が温暖化していることは疑う余地がない」と初めて明記し、現在を生きる我々の行動が今後の地球の生態系変化、人類の命運を決めると警告しています。
また、それと連動するように今年のノーベル物理学賞は、地球温暖化のメカニズムをコンピュー
ターを使ったシミュレーションで解明した真鍋叔郎氏が受賞されました。その真鍋氏は日本の科学技術の現状について「好奇心に駆られた研究が少なくなっている」と指摘しており、安定した研究
資金や研究者のポスト不足への対応についての政策の在り方が問われるものと思われます。
SDGs、ゼロカーボンに対して科学技術が貢献できる課題は無限にあり、特にその中でも“化学”
は、エネルギー、食糧、環境、衛生等の全ての分野で重要なポジションを占めており、日本は得意とする化学分野で今後も世界に貢献できるものと考えます。
当財団では地球規模の問題に関連する研究テーマを含む以下の 3 課題 「植物有用成分およびバイオマス資源の高度利用に関わる研究」、「エレクトロニクス複合材料および次世代実装に関わる研究」、「持続可能な社会を実現する有機系新素材およびその機能化に関わる研究」を対象に基礎研究から先進的で独創的な研究に対する研究助成事業を継続してまいります。当財団ではこれまでに734件の研究を支援し、助成金を贈呈した研究者として、2001年に野依良治先生（現・科学技術振興
機構研究開発戦略センター長）が、2010年には鈴木章先生（現・北海道大学名誉教授）
が、それぞれノー
ベル化学賞を受賞されています。
これからも研究助成および国際交流支援事業を通じ、研究者の皆さんが少しでも自身の研究に集中していただけるよう微力ですが研究開発への支援活動を行っていく所存ですので、皆様の一層のご指導とご支援をお願い申しあげます。


2021年12月

松籟（しょうらい）：「松の梢に吹く風、またその音」の意味

i

設立の趣意戦後、焦土と化した国土から立ち上がった我が国は、国民の勤勉さと旺盛な技術革新とを結合させ、驚異的な復興と成長を実現し、その国民総生産は今や全世界の１割を占めるまでに至りました。
この間、我が国の科学技術は、導入技術に依存しつつも逐次自主技術開発への努力を積み重ね、世界に誇り得る数多くの技術を創出し、先進国としての確実な地歩を固めてまいりました。
しかしながら科学技術全般に視点を移しますと、我が国は、とかく成果を期待する余り、応用技術に直接結びつかない研究を軽視する傾向があり、基礎科学の立ち遅れが内外より指摘されております。このことは他国の基礎研究成果への我が国の只乗り論を招くなど、国際摩擦の一因となっております。
今や我が国は、世界の経済大国として創造的な科学技術を広範に創出し、地球上のエネルギー
開発利用、科学技術の恩恵に十分浴さなかった国々への援助、生命科学の人間生活への応用などを進め、世界経済の活力強化と社会の発展に貢献していく責務を負っています。
このような時代の要請を踏まえ、松籟科学技術振興財団は、科学技術に関し、調査・研究およびこれらに対する助成などを行い、全地球的な科学技術の振興に貢献しようとするものであ
ります。

ii

設立の経緯と財団の概況
設立の経緯
ハリマ化成グループ株式会社創業者の長谷川末吉は、はやくからトール油をさまざまな用途に適応可能な素材として着目していました。そして、かねてからの考えを行動に移し、1952年にはトール油の試験生産を開始しました。以来、トール油に対する研究開発を通じて、トール
油の持つ素晴らしさを全国に紹介し、その可能性を拓いていきました。その長年にわたる功績受賞しました。
ハリマ化成グループは、この栄誉を機に、さらなる科学技術の振興と世界文化の発展を願って、科学技術に関する調査･研究･国際交流に対する助成･奨励を行うことを目的として、1983

設立より30年を迎えた2013年４月１日をもって、公益法人の認定を受け「公益財団法人

松籟科学技術振興財団」となりました。引き続き、科学技術の発展に寄与する研究開発への支援
事業活動を行ってまいります。

事業の概要
当財団では、科学技術の振興と世界文化の発展に寄与することを願い、以下の事業を行っております。
⑴

科学技術に関する調査・研究およびこれらに対する助成（研究助成事業）⑵

科学技術に関する国際交流に対する援助（国際交流派遣事業）⑶

その他、当財団の目的を達成するために必要な事業

財団の概要
名

称：公益財団法人松籟科学技術振興財団

設立：1983年３月12日

移行登記：2013年４月１日
行 政 庁：内閣府

財務状況（2021年３月31日現在）
正味財産

12億63百万円

iii

目

次

第36回（2018年度）助成金受領研究報告
バイオマス初の伝熱性ナノファイバーを用いた動的熱機能材料の開発
大阪大学 産業科学研究所

上谷

幸治郎…… 3セルロースを利用したフルカラー液晶の創製と地球環境に優しいひずみセンサーへの応用
東京理科大学 理学部第一部 古海

誓一…… 7

バイオマス資源由来のシード化合物を原料とする有用化成品の合成法の開発
東北大学 多元物質科学研究所

小関

良卓…… 11セルロースを架橋足場とした新規セルロースポリウレタンの創出とその形態制御
神戸大学 大学院工学研究科

松本

拓也…… 17

クォーラムセンシング制御による下水汚泥のメタン発酵高速処理技術の開発
九州工業大学 大学院生命体工学研究科

前田

憲成…… 22

松脂由来樹脂酸の肺動脈イオンチャネルに対する薬理作用
名古屋市立大学

山村

寿男…… 31

大学院薬学研究科

植物のL型糖を活用するD体核酸-L体核酸の新規ヘテロ 2 本鎖の創製と構造機能評価
北海道大学 大学院先端生命科学研究院

谷口

植物由来フルフラールの新規効率変換反応の開発とπ電子共役系分子への合成的変換
産業技術総合研究所 触媒化学融合研究センター

南n 型導電性高分子を指向したロタキサン型ポリアニリンの開発
名古屋市立大学

雨夜

大学院理学研究科

透…… 38分子内にイオン性ユニットを有する有機材料の創成とエレクトロニクス素子への応用
山口大学 工学部 井方

安規…… 41
徹…… 45

美恵子…… 49

石油原料の高度物質変換を実現する有機硫黄触媒の創製
長崎大学 大学院水産・環境科学総合研究科

白川

誠司…… 54

細胞膜高透過性ペプチドの開発とその高次機能化
国立医薬品食品衛生研究所

有機化学部

三澤

隆史…… 58

D-π-A型蛍光性色素のメカノフルオロクロミズムの攻究
広島大学 大学院先進理工系科学研究科

大山

陽介…… 62

化石燃料余剰資源を原料としたシクロオレフィン高分子の合成
名古屋工業大学

大学院工学研究科

松岡

真一…… 72

高度にフッ素化された電子受容性配位子の活用によるルイス酸反応場の構築
茨城大学 工学部物質科学工学科

吾郷

友宏…… 76

主鎖にフラーレンを有するらせんポリマーの合成と機能
広島大学 大学院先進理工系科学研究科

平尾

岳大…… 79

π-π相互作用の電子調節機能を基盤とする触媒開発と高難度分子変換への応用
東京農工大学 大学院工学研究院
カチオン性芳香環を基盤としたn型有機半導体材料の開発
千葉工業大学

工学部応用化学科

森

啓二…… 85

原口亮介…… 89

高効率近赤外発光を指向した縮環型アゾベンゼンスズ錯体およびπ共役系高分子材料の創出
京都大学 大学院工学研究科 権 正行…… 93
機能性色素の高秩序集積化によるp-nヘテロ接合の構築と光電変換素子への展開
大阪府立大学 大学院工学研究科iv

前田

壮志…… 98第36回（2018年度）

助成金受領研究報告

申請者

大阪大学

上谷

幸治郎

バイオマス初の伝熱性ナノファイバーを用いた
動的熱機能材料の開発
大阪大学

1 ．研究の背景と目的

産業科学研究所

上谷幸治郎

うフィルムの歪みやCNFの界面性状変化が動的熱機能

木材や綿などバイオマス資源から抽出される高分子セのトリガーになると期待された。そこで本研究は、バイ

ルロースは断熱素材と見なされ、保温性衣服や家屋の断オマス由来CNFによるフィルム材料を用いて動的な熱

熱建材など熱を伝搬しない用途に広く活用される。また機能の探索と実証を目的とし、様々な内部構造を有する

近年、植物セルロースを解繊して製造されるセルロース

CNFフィルムに対して機械刺激に対する応答性を検証

ナノファイバー（CNF）は、その極細のナノ形態を活用することとした。

した多孔質材料を形成させることで極めて高い断熱性能を発揮することが知られる1）,2）。その一方で、筆者らは2 ．結果と考察

最近、CNFを高密度に充填したフィルム材料が、従来2 ．1異なる内部構造のCNFフィルム調製の知見に反してプラスチックやガラスの 3 ~10倍高い熱

CNFフィルムの機械特性は、セルロース結晶弾性率

伝導率を示すことを見出した3）。この予期せぬ高伝熱性のみならずかさ密度に影響される繊維間水素結合にも強は、CNFが固有に持つセルロースの伸び切り鎖結晶が、く影響される。熱エネルギー（フォノン）伝搬においても熱振動を散乱少なく伝搬する特性に由来する。伝熱性

繊維間界面の熱抵抗が重要と考えられ、フィルム内部構

CNFに基づき伝熱材料を創出することは、バイオマス

造としてかさ密度を変化させることが重要と予想され材料の可能性を大きく拓き、次世代の環境調和型スマーた。そこで、化学的に高純度のCNFであるバクテリア

ト社会の推進において重要な役割を担うと期待される。

セルロースの湿潤ゲルを異なる乾燥条件で成膜し、かさ一方、断熱材・伝熱材ともに熱伝導率が一定であるこ密度を大きく変化させたバクテリアセルロースナノファとが前提となっているが、熱伝導率を積極的に制御するイバー（B-CNF）フィルムを調製した。バクテリアセル

ことができる「動的な熱機能材料」によって新しい熱駆

ロース・ゲルを圧縮により厚み1 mm程度に脱水し、動デバイス（例えば熱ダイオードやトランジスタ等）が実

115 ºCの熱圧プレスで20分間乾燥させると1.1~1.2 g cm−3

現可能と考えられる。これらの効率は従来の電気的デバのフィルムを与える。このフィルムに対し、再度水に浸イスに及ばないまでも、排熱を利活用するためエネル

漬して熱圧プレスを行うサイクルを 5 回繰り返すこと

ギー効率の向上に大きく役立つと見られる。また、既存

で、1.33 g cm−3に高密度化した。一方、厚み1 mm程度の電子デバイスの温度を積極的に制御することで、電池に圧縮脱水したバクテリアセルロース・ゲルをtert-ブチ

や触媒、熱電変換等の効率が大きく向上される。伝熱性

ルアルコールに浸漬し、溶媒置換を繰り返した後、110を動的に変化させる機能は、これまで主にシリコンナノºCの熱圧プレスで荷重をほとんど掛けずに予備乾燥さワイヤーや薄膜材料、水和反応など微小スケールや特殊せた。その後、ゲルを凍結乾燥させることで1.1 g cm−3な化学反応に起因する熱機能と考えられ4-8）、実際の巨以下の低密度フィルムを成形した。

視的部材として活用可能にすることが課題となっている。

さらにバクテリアセルロースとは異なるCNFを用い

CNFフィルムは機械特性が高く、繰り返しの荷重試て動的熱機能を実証するため、ホヤの外套膜由来CNF

験に耐えるタフネスを有する 。従って、荷重印加に伴を調製した。マボヤの外套膜を1 cm角に裁断し、漂白

9）

―3―

した後、TEMPO触媒酸化処理を施し、高速ブレンダーc）。機械刺激を印加する前のフィルムの面内熱拡散率は、

でナノ解繊した。得たCNFをメンブレンフィルターにかさ密度の増加に反比例するように低減する傾向にある

よ り 成 膜 し、 熱 圧 プ レ ス に よ っ て ホ ヤ 殻 由 来CNF

ことが判明した（図1d）。フィルムのかさ密度が低下す（Tunicate-CNF）
フィルムを成形した。

ることで熱抵抗を生む熱伝導経路が減少し、温度波の伝搬速度（熱拡散率）が上昇すると推察される。同様の傾向

2 ．2

機械刺激に応答する動的熱機能

はCNF多孔質材料においても観測されている2）。一方、本研究では、スポット周期加熱放射測温法による熱拡

それぞれのCNFフィルムに約30 MPaの引張荷重を印加散率測定システムに導入可能な小型引張ジグを用い、荷した場合の熱拡散率の変動量は、かさ密度の増加に伴い

重を印加した状態で熱拡散率の変動を追跡調査した。ジ

上昇する結果となった。また、引張方向以外の方位におグを用いた熱拡散率測定の妥当性は、異なる熱拡散率をける熱拡散率は、荷重量に関わらずほとんど変動しな持つ銅板・鉄板ならびにB-CNFフィルムにより検証しかった。すなわち、機械刺激への熱拡散率変動はCNFた。銅板・鉄板の場合は、約30 MPaの引張荷重の印加

間界面の摂動に由来すると考えられた。

により熱拡散率はほとんど変化せず、文献値とほぼ等し

機械刺激に対するCNFフィルムの粘弾性を評価する

い熱拡散率が測定された。一方、B-CNFフィルムでは、

ため、段階的な荷重を印加して応力緩和プロファイルを

引張荷重方向にのみ熱拡散率が約15%低下し、除荷する

観測し、それぞれの応力レベルにおける緩和プロファイと元の熱拡散率に戻る明確な応答性が確認された。この

ルを一般化Maxwell関数によりフィッティング解析し、変動は、複数回繰り返して測定しても同様に観測された3 種類の緩和時間の重ね合わせを評価した。荷重が小さことから、B-CNFフィルムに特有の動的熱機能である

い段階では、応力緩和プロファイルは、約10秒、約100秒、ことが示唆された。

約1000秒スケールの異なる 3 種類の緩和時間を併せ持っこの機械刺激に応答した熱拡散率の変動は、かさ密度た。しかし一方、荷重が増加して約40 MPaを超えると、0.9 g cm−3以上のフィルムにおいて観測された（図1a−

約10秒の緩和時間が消失し、 2 種類の緩和時間のみに収

図 1 ．機械刺激に対するB-CNFフィルム（かさ密度がそれぞれ (a) 0.901 g cm −3, (b) 1.06 g cm −3, (c) 1.29 g cm −3）の熱拡散率の変動率。(d) B-CNFフィルムのかさ密度に対する面内熱拡散率の推移。

―4―

3 ．まとめと展望束した。この変化は、CNFフィルムの力学変形モード
が弾性変形から塑性変形に変化したことを示す。またこ

本研究では、機械刺激を切り口としてCNFフィルムの時、荷重方向の熱拡散率が下り止まる傾向が観測されに動的熱機能を見出した。フィルムのかさ密度の変化、たことから、熱拡散率の変動は弾性変形モード特有の現粘弾性解析、ならびにB-CNFとTunicate-CNFフィルム

象（すなわちCNF間界面における弾性的な摂動現象）での比較によるいずれの解析でも、CNF間界面の摂動があると考察された。

動的熱機能の起源であると考察された。今後、CNF表面の化学的改質と物性解析技術の融合発展により、さら2 ．3

ホヤ殻由来CNFフィルムの動的熱機能に大きな応答性を示す動的熱機能部材の開拓が期待されより顕著に界面の効果を検証するため、バクテリアセる。

ルロースより太いセルロース結晶幅を有するホヤの外套4 ．謝辞

膜由来CNF（Tunicate-CNF）を用いて、引張方向の機械刺激に対する熱拡散率の変化を観測した。無荷重状態の本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を頂きましTunicate-CNFフィルムは面内熱拡散率~2.0 mm s をた公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上示した一方、約50 MPaの荷重を印加すると、~1.8 mm2

げます。

2

−1

s 程度まで約10%減衰した。その後、除荷すると当初−1の熱拡散率に戻り、荷重に応答的に変調することが実測

5 ．参考文献された（図 2 ）。この傾向は、B-CNFフィルムと全く同

1 ．Kobayashi, Y.；   Saito, T.； Isogai, A., Aerogels様であった。Tunicate-CNFはB-CNFより熱拡散率の絶with 3D ordered nanofiber skeletons of liquid-

対値は大きいが3）、その変動率（約10%）はB-CNFが示す

crystalline nanocellulose derivatives as tough and約15% より小さかった。また、このTunicate-CNFフィ

transparent insulators. Angew. Chem. Int. Ed.

ルムを塩化銅水溶液に浸漬し、Cu2+イオンを導入した

2014, 53（39）,10394-10397.

10）

フィルムについても同様の測定を実施したが、変動率は2 ．Sakai, K.；   Kobayashi, Y.；   Saito, T.； Isogai, A.,

Cu2+イオン導入前とほとんど変化が見られなかった。

Partitioned airs at microscale and nanoscale：

B-CNFよりも繊維径が大きなTunicate-CNFは繊維間のthermal diffusivity in ultrahigh porosity solids of

接着面積が小さいため、変動率が低下したと考察され、nanocellulose. Sci. Rep. 2016, 6, 20434.
3 ．Uetani, K.；  Okada, T.； Oyama, H. T., Crystallite

本結果からも、機械刺激による動的熱機能の駆動源はSize Effect on Thermal Conductive Properties of

CNF間界面の歪みによる摂動と考えられた。

Nonwoven Nanocellulose Sheets.
Biomacromolecules 2015, 16（7）,2220-2227.
4 ．Tomko, J. A.；   Pena-Francesch, A.；   Jung, H.；  
Tyagi, M.；   Allen, B. D.；   Demirel, M. C.；
Hopkins, P. E., Tunable thermal transport andreversible thermal conductivity switching in
topologically networked bio-inspired materials.
Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 959-964.
5 ．Alam, M. T.；  Manoharan, M. P.；  Haque, M. A.；  
Muratore, C.； Voevodin, A., Influence of strain on
thermal conductivity of silicon nitride thin films. J.
Micromech. Microeng. 2012, 22, 045001.
6 ．Ihlefeld, J. F.；  Foley, B. M.；  Scrymgeour, D. A.；  

図 2 ．機 械刺激に応答するTunicate-CNFフィルムの面内熱
拡散率。

Michael, J. R.；  McKenzie, B. B.；  Medlin, D. L.；  

―5―

Wallace, M.；  Trolier-McKinstry, S.； Hopkins, P. E.,

mediated thermal conductivity in silicon

Room-Temperature Voltage Tunable Phonon

nanowires. Nano Lett. 2014, 14（7）,3785-3792.

Thermal Conductivity via Reconfigurable

9 ．Henriksson, M.；  Berglund, L. A.；  Isaksson, P.；  

Interfaces in Ferroelectric Thin Films. Nano Lett.

Lindstrom, T.； Nishino, T., Cellulose Nanopaper

2015, 15, 1791-1795.

Structures of High Toughness. Biomacromolecules
2008, 9, 1579-1585.

7 ．Z hang, T.； Luo, T., High-Contrast, Reversible
Thermal Conductivity Regulation Utilizing the

10．Uetani, K.；   Izakura, S.；   Koga, H.； Nogi, M.,

Phase Transition of Polyethylene Nanofibers. ACS

Thermal Diffusivity Modulation Driven by the

Nano 2013, 7（9）, 7592-7600.

Interfacial Elastic Dynamics Between Cellulose

8 ．Murphy, K. F.；   Piccione, B.；   Zanjani, M. B.；  
Lukes, J. R.； Gianola, D. S., Strain- and defect-―6―

Nanofibers. Nanoscale Adv. 2020, 2, 1024-1030.

申請者

東京理科大学古海

誓一

セルロースを利用したフルカラー液晶の創製と地球環境に優しいひずみセンサーへの応用
東京理科大学1 ．はじめに理学部第一部

古海

誓一

ことがある人も多いであろう。このような社会的風潮に石油資源を原料にして化学製品や燃料を創り出すオイは、冒頭で述べた石油資源の枯渇問題だけに留まらず、

ルリファイナリーは19世紀後半の第二次産業革命で飛躍

プラスチック製品の大量生産と大量消費が引き金となり的に発展し、私たち人類の日常生活を豊かにした。とこ

近年クローズアップされている海洋マイクロプラスチッ

ろが、地球全体における石油資源の採掘量は2014年にクごみ問題もその背景にある。将来、私たち人類の持続

ピークを過ぎ、すでに減少傾向になっている1）。現時点

可能な社会を実現するためには、限りある石油資源に頼では、あと約50年分の石油資源しか残されていないと試らずバイオマスを原料にして、地球環境や人体に優しく算されており、極めて危機的な状況に陥っている。この

高付加価値な機能材料を創出していかなければならない。

オイルリファイナリーとは対照的に、今後、貴重な石油

筆者らは、綿、紙、木材の主成分で地球上に豊富に存

資源に依存しない抜本的な技術改革が渇望されている。

在するセルロース（図1A）に着目して、独自の分子デザ

このような背景がある中で、持続可能な社会を実現する

インによってカラフルな反射色を示す新しいコレステ

ために、現在、植物由来の天然資源を有効活用して機能

リック液晶の創製と応用に関する研究を進めている。コ

材料や燃料を創り出すバイオマスリファイナリーが注目

レステリック液晶とは、液晶分子が平行配列したネマされている。

チック液晶層を有し、隣り合う層が連続的に回転するこ

その最たる例として、レジ袋が挙げられる。2020年 7とで、全体として常光と異常光の屈折率が周期的に変調

月から日本全国で、レジ袋が有料化になったことは記憶した分子らせん構造を自己組織的に形成できる
（図

に新しい。
一般的にレジ袋の材質はポリエチレンであり、1B）。分子らせん軸に沿って入射した非偏光は右回りと石油資源を原料にして製造されている。これに対して、

左回りの 2 つの円偏光成分に分かれ、コレステリック液

植物由来のバイオマスを25%以上使用したレジ袋は無料

晶の分子掌性と同じ方向の円偏光は液晶の分子らせん構で配布することが許されている。同様な事例として、プ造によって反射されるが、逆向きの円偏光は液晶の分子

ラスチックに代わって紙からできたストローを手にした

らせん構造に影響されずに、そのまま透過していく。分

図1

 ルロースとコレステリック液晶。
セ（A）セルロースとヒドロキシプロピルセルロース（HPC）の化学構造式。
（B）コレステリック液晶の分子らせん構造に由来した光の反射減少の模式図。

―7―

子掌性と同じ方向の円偏光は液晶の中に進入すると光のでは、セルロース誘導体によるコレステリック液晶に関干渉が起こり、次式の条件を満たす波長（λ）の円偏光は、する過去の研究例を俯瞰するとともに、筆者らが見出し

コレステリック液晶によって反射される2）。

た研究成果を紹介する。
式（1）λ = nAv × p

2 ．セルロース誘導体のコレステリック液晶

ここで、nAvはコレステリック液晶の平均屈折率であ

セルロースを用いたコレステリック液晶に関する研究

り、pは分子らせん構造のピッチ長である（図1B）。このは当初、水や有機溶媒などの液体を加えて液晶相が発現

光の反射現象は一種のブラッグ反射と見なすことができするリオトロピック・コレステリック液晶が主流であっる。光の波長程度、すなわち数百nmの分子らせんのピッたが、その後、HPCの側鎖にあるヒドロキシ基を多種

チ長（p）を持つコレステリック液晶に白色光を照射する

多様な官能基で化学修飾すると、温度によって液晶相がと、反射特性の色を目視できるようになる。しかも、コ発現するサーモトロピック・コレステリック液晶が報告

レステリック液晶の分子らせんピッチ長は温度、電場、されてきた9）。

磁場といった外部刺激によって伸縮し、それに伴って反筆者らは、HPCのヒドロキシ基をカルボン酸塩化物

射ピークの波長もコントロールできるので、反射型ディで化学修飾したHPC-R’エステル（図2A）を系統的に合成

スプレイや光メモリーへ応用できる 。さらに、コレス

すると、一部のHPC誘導体が加熱によって反射色を呈

テリック液晶を一次元フォトニック結晶と見なして、することを見出した。ここでは、HPCのヒドロキシ基

フォトニックバンド効果によるレーザー発振への研究展をプロピオニル基（図2A； R’ = C2H5）で完全にエステル開も可能である 。

化したHPCプロピオニルエステル（HPC-Pr）を例に挙げ

3,4）

5）

筆者らは、セルロース誘導体によるコレステリック液て、その反射特性について説明していこう。HPC-Prは、晶の創製に関する研究課題を推進している中で、ある種室温で反射色を示さずに透明であった。これを 2 枚のガの架橋性セルロース誘導体が全可視波長領域で反射特性

ラス基板の間に挟み込んだ液晶セルについて、温度を変を示し、しかもやわらかいゴム弾性も兼ね備えた新しい化させながら透過スペクトルを測定した（図2B）。90 °C

セルロース・コレステリック液晶エラストマー膜（以後，まで加熱しても透過スペクトルは350 nmから750 nmの「セルロース液晶エラストマー膜」と呼ぶ）になることを波長範囲で光の透過率が80%以上のほぼフラットなスペ

発見した。本研究課題では、ヒドロキシプロピルセル

クトル形状を示したが、90 °Cになると紫外線の波長領

ロース（図1A； HPC）の側鎖にあるヒドロキシ基をさま域である390 nm付近に特徴的なピークが現れた。これ

ざまなアシル基でエステル化した誘導体を合成し、カラは、まさにコレステリック液晶相の分子らせん構造に由

フルな反射特性を示すコレステリック液晶を創り出すだ

来した光の反射現象である。引き続き昇温していくと、

けでなく、機械的なひずみや力を変色で検知できるセル

その反射ピークの波長は連続的に長波長側にシフトし、ロース液晶エラストマー膜への応用展開も試みた。本稿

緑色の500 nmを経て、130 °Cでは赤色の620 nmになっ

図2

6-8）

 PCのエステル誘導体とその反射特性。
H（A）HPC-R’エステルの化学構造式。
（B）HPC-Prの液晶セルを90℃から130℃に昇温したときの透過スペクトル変化。

―8―

た。これは、HPC-Prがサーモトロピック・コレステリッ橋反応が起き、分子らせん構造を固定化できた。一方、

ク液晶の特性を示していることを意味している。液晶のアクリロイル基の導入量が比較的少ないHPC-Ac/Buで平均屈折率（nAv）は温度によって大きく変化しないこと

は、一度、100 °C程度に加熱した後に降温しても、ブチから、HPC-Prのコレステリック液晶による反射ピーク

リル基の導入量が多いことでアクリロイル基の過度の架のシフトは、昇温することで分子らせんのピッチ長〔式橋反応を抑制でき、反射波長は可逆的に短波長シフトす（1）のp〕が伸張し、これに付随して反射ピーク〔式（1）ることも見出した。

のλ〕が長波長シフトしたと解釈できる。つまり、反射

この現象を利用すると、架橋性セルロース誘導体を用によるコレステリック液晶の色づき具合で温度を検知でいて多種多様なフルカラーイメージングを作製することきるようになる。

に成功した。まず、架橋性セルロース誘導体の液晶セル

このように、側鎖を化学修飾したHPC誘導体はサーをある液晶相温度に加熱しながらフォトマスクを通じて

モトロピック・コレステリック液晶相を示すが、過去の紫外線を照射し、フォトマスクのパターンをある反射色

研究報告例を調べてみると、100 °C以上の高い温度範囲で固定した。続いて、異なる液晶相温度にして全体に紫で反射ピークが可視波長領域に現れるので、デバイス応外線を照射することで、先のパターンの色とは異なる反用を目指すには取り扱いにくいことが課題であった9）。

射色の背景などを創り出すことができた。このように、

しかし、HPCの側鎖に導入する官能基の種類や導入量

架橋性セルロース誘導体は反射特性で赤・緑・青の「光などを最適化すれば、室温付近で反射色と流動性を示すの三原色」を表現でき、紫外線の照射による光架橋反応

コレステリック液晶の調製が可能になる10）。

を利用することでフルカラーイメージングも実証することができた12）。

3 ．架橋性セルロース誘導体のコレステリック液晶固定化膜の作製

4 ．セルロース液晶エラストマー膜の特徴

前述のように、HPCの側鎖をアシル基でエステル化

筆者らは、セルロース誘導体によるコレステリックのしたHPC誘導体は、ある温度に加熱すればコレステリッ

研究を進めている中で、ある種の架橋性セルロース誘導

ク液晶由来の反射色を観察できることがあるが、当然な体を光架橋したところ、反射色のみならずゴム弾性も示

がら、温度を変えれば変色してしまう。そこで、HPC

すセルロース液晶エラストマー膜になることを発見したの側鎖に導入する官能基として不飽和二重結合を有する

6-8）

アクリロイル基を導入することで、ポリマーネットワー

力を加えると、力が加わった部分だけ反射色が可逆的にク間における架橋反応を利用してコレステリック液晶由変化する特性を示し、物体に加わる機械的な力やひずみ来の反射色の固定化を試みた。

の可視化に成功した。

。このセルロース液晶エラストマー膜に機械的な圧縮

HPCの側鎖にあるヒドロキシ基の一部をアクリロイ

たとえば、初期状態で赤色の反射、すなわち約630

ル基、その残りをブチリル基で混合エステルした架橋性

nmの反射波長を示すセルロース液晶エラストマー膜に、セルロース誘導体（HPC-Ac/Bu）を合成した。アクリロ

透明なプラスチックスプーンで押しつけてみた（図

イル基とブリチル基の混合比で異なるが、大半のHPC-3A）。そうすると、興味深いことに、圧縮した部分だけ

Ac/Buでは30 °Cから110 °Cの温度範囲において、400が赤色から青緑色の反射に変化することを発見した。こnmから800 nmの全可視波長領域における反射特性を示の時の反射ピークの波長は約480 nmであった。しかも、した。しかも、HPC-Ac/Buをコレステリック液晶相温押しつけていたスプーンを膜表面から取り去れば、青緑

度に加熱しながら紫外線を照射すると、誘導体側鎖のア色の反射は速やかに元の赤色に回復した。この圧縮と解クリロイル基間で光架橋反応が進行し、コレステリック

放のプロセスを繰り返しても、この反射色の変化が可逆

液晶由来の分子らせん構造を固定化することで、永続的的であることも確認できた。

に反射色を維持した膜を作製できることを発見した 。

この膜の変色のメカニズムは、機械的な圧力によってまた、アクリロイル基の導入量が多いHPC-Ac/Buではセルロース液晶エラストマー膜の膜厚を縮めたことで、100 °C程度に加熱し続けると、アクリロイル基間で熱架

コレステリック液晶の分子らせんピッチ長〔式（1）
のp〕

11）

―9―

図3

 縮によるセルロース液晶エラストマー膜の変色。
圧（A）圧縮によるセルロース液晶エラストマー膜の写真。透明なスプーン
で膜を圧縮すると、圧縮した部分だけ赤色から青緑色に変化する。圧縮の力を取り去れば、瞬時に元の赤色に戻る。
（B）圧
縮による膜の変色の模式図。

も同時に収縮し、反射ピークの波長〔式（1）のλ〕が式（1）

6 ．参考文献にしたがって短波長側にシフトしたと推察できる（図1 ）I. S Nashawa, A. Malallah, and M. Al-Bisharah,
Energy Fuels, 24, 1788（2010）.

3B）。その後、圧力を取り去った後は、セルロース液晶
エラストマー膜のゴム弾性により元の膜厚になり、分子2 ）H. de Vries, Acta Crystallogr., 4, 219（1951）.

らせんピッチ長も伸張することで、反射ピークは初期の3 ）N. Tamaoki, Adv. Mater., 13, 1135（2001）.

波長に戻ったことになる。

4 ）M. O’Neill and S. M. Kelly, Adv. Mater., 14, 1135
（2003）.

このように、機械的な圧縮によるひずみや力に対して
反射色の変化は相関があるため、セルロース液晶エラス5 ）S. Furumi, Chem. Rec., 10, 394（2010）.

トマー膜が示す反射の変色を見れば、どの程度の圧縮の6 ）古海 誓一, 鈴木 花菜, 石﨑 拓郎, 特許第6782485号（2020）.

ひずみや力が加わっているか一目瞭然になり、色でひず
みや力を定量的に検知できる。この他にも、延伸による

7 ）古 海 誓一, 早田 健一郎, 府川 将司, 鈴木 達也, 鈴木
花菜, PCT/JP2019/013328（2019）.

ひずみや力も検知でき13）、これらの現象を応用すれば物体表面の凹凸なども可視化することができる。地球環境8 ）古 海 誓一, 早田 健一郎, 鈴木 花菜, 府川 将司, 古川 真に配慮した材料開発が求められている今日の社会におい実, 青木 瑠璃, 川口 茜, PCT/JP2019/003267（2019）.

て、セルロース液晶エラストマー膜は新たなセンサーデ

9 ）H . Kosho S. Hiramatsu, T. Nishi, Y. Tanaka, S.

バイスとして利用できる高いポテンシャルを有している

Kawauchi, and J. Watanabe, High Perform.

と確信している。

Polym., 11, 41（1999）.
10）T. Ishizaki, S. Uenuma, and S. Furumi, Kobunshi

5 ．謝辞

Ronbunshu, 72, 737（2015）.

本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りまし

11）M. Fukawa, A. Kawaguchi, K. Hayata, R. Aoki, M.

た公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上Furukawa, and S. Furumi, J. Photopolym. Sci.

げます。ここで紹介した内容は、東京理科大学 理学部

Technol., 32, 633（2019）.

第一部 応用化学科 古海研究室のメンバーによる研究成12）府川 将司, 古海 誓一, 液晶, 22, 214（2018）.

果であり、各位のご協力に心よりお礼を申し上げます。

13）早田 健一郎, 岩田 直人, 古海 誓一, 高分子, 70, 430（2021）.

― 10 ―

申請者

東北大学

小関

良卓

バイオマス資源由来のシード化合物を原料とする有用化成品の合成法の開発東北大学

1 ．はじめに

多元物質科学研究所

小関良卓

化した後に亜鉛による脱離反応を進行させることでトリ廃棄される木質、穀物等のバイオマス資源から分離さ-O-アセチル-D-グルカールを得た。続いて、メタノール

れるセルロースやリグニンを原料として、有用な化成品

中ナトリウムメトキシドと反応させてアセチル基を除去を効率よく生産する新技術を開発することは、資源循環

し、D-グルカールへと導いた。D-グルカールから 1 の合型社会を実現するための重要課題の一つである［ 1 ］。

成の条件検討をTable 1に示した。水に溶解させたD-グ

セルロースは最も生産量の多いバイオマス資源であるルカールを耐圧容器に封入し、100–160℃で反応させ、が、近年、多くの研究者の貢献により分離技術が進歩し、その後、氷冷することで反応を停止させた。本研究ではセルロースナノファイバーやオリゴ糖、またはセルロー

溶液濃度は0.2 Mに固定して反応を実施した。反応停止

スの構成単糖であるグルコースを低コストで生産できる

後、反応液を濾過により不溶性残渣を除去し、カラムク体制が完成しつつある。しかしながら、これらの化合物

ロマトグラフィーにより精製して、単離収率を求めた。

を付加価値の高い化成品へと変換する技術は発展途上で得られた化合物のNMRおよびMSのスペクトル解析によある。

り、目的化合物である 1 の他に、副生成物として 1 の異以上の背景を踏まえて、グルコースを出発原料とし、性体 2 およびフラン化合物 3 を同定した。 1 と 2 はカラ

医薬品や農薬、顔料、香料、高機能高分子素材等を効率

ムクロマトグラフィーによる分離が困難であり、1H的に合成するための技術基盤を開発することを研究の目

NMRより生成比を求めた。いずれの反応温度において的とした［ 2 ］。本稿ではD-グルコースからの4-ヒドロ

も、反応時間の増加に伴い 1 および 2 の収率が向上した

キシ-2-ヒドロキシメチル-2-シクロペンテン-1-オン（1）のが、120℃以上の反応温度においては一定の時間以上に合成および、抗菌活性物質であるペンテノマイシン類のなると収率の低下が見られた。これは、高温条件では反合成に関して報告する。

応が過剰に進行し、生成物の分解や水に不溶な固体成分の生成といった副反応が進行したためである。得られた

2 ．D-グルコースを原料とした化合物 1 の合成

固体成分のIR測定を行ったところ、 1 および 2 に由来

D-グルコースを原料として 2 工程にてD-グルカール

する誘導体であった。また、 3 を原料として同様に水熱を高い収率で合成した（Scheme 1）。まず、臭化水素存反応を行ったところ、 1 と 2 の混合物が得られたため、在下において無水酢酸と反応させることで全てのヒドロ

3 は本反応における反応中間体であると推定された。比キシ基をアセチル化し、アノマー位のアセテートを臭素

旋光度測定の結果、3 の標準物質では［α］D23 = +32.9（cScheme 1. D-グルカールの合成― 11 ―

Table 1. 4-ヒドロキシ-2-ヒドロキシメチル-2-シクロペンテン-1-オン（1）の合成= 1.0 in CHCl3）であったのに対して、本反応で得られた率14％で 1を合成した。一方、今回の検討により最適化

3 では［α］= +0.04（c = 1.0 in CHCl3）であり、ラセD

した水熱反応による変換では、安価なD-グルコースを原ミ化が進行していた。以上の温度および反応時間の検討料として 3 工程、総収率59％で 1 を得ることができ、の結果、120℃、24時間の反応条件が最適条件であり、従来法に比べて短工程かつ高効率な合成を達成した
［4］
。

23

収率61%で 1 と 2 の混合物として得られた（ 1：2 = 1：
3 ．活性アルミナを用いた異性化0.17）が得られた。
主生成物として得られた 1 は1981年にElliottらによる

1 と 2 はシリカゲルクロマトグラフィーによる分離が合成例が報告されている［ 3 ］。アセト酢酸エチルとク困難であったため、その他の原理に基づくカラムクロマ

ロロアセトアルデヒド誘導体を原料として 5 工程、総収

トグラフィー精製を試みたが、いずれにおいても単離が― 12 ―

困難であった。そこで、二置換オレフィンである 2 を熱（pathway A）、開環反応と続く分子内アルドール反応

力学的に安定な 3 置換オレフィン体 1 に異性化することが進行し、異性体 2 が得られ、最終的に、熱力学的に安で単一化合物として 1 を回収することを試みた。

定な 1 への異性化が進行すると考えられる。

一般的に多置換シクロペンテノンの異性化は、酸性あ5 ．ペンテノマイシン類の全合成

るいは塩基性条件下にて進行する。そこで今回は、最も簡便な手法の一つである活性アルミナによる異性化を検

ペンテノマイシンI（4）は、1973年に海野らにより、グ討した。活性アルミナは市販されている塩基性アルミナ

ラム陽性細菌に分類される真正細菌の一種である

Beckmann I を用いた。溶媒を加えずにアルミナのみをStreptomyces eurythermusから単離・構造決定されたシ

用いた際、収率が非常に低かった。この場合、分子内オ

クロペンテノン骨格を有する天然有機化合物でありキシマイケルがヒドロキシ基源となるものの、その反応（Figure 1）、グラム陽性菌・陰性菌に対して抗菌活性作は非常に緩やかであった。また、その反応物の粘度は非用を示すことが知られている［ 5 – 7 ］。グラム陽性菌は常に高く、攪拌効率が低いことが収率の低下に影響したペプチドと糖からなる高分子化合物の一種であるペプチと考えた。そこで反応を促進させるため、水を添加した

ドグリカン層が細胞壁のほとんどを占めている。一方、アセトン溶媒中で検討したところ活性アルミナをアセト

グラム陰性菌は薄いペプチドグリカン層と外膜の 2 つのン/水（20：1 ）、24時間の条件に付すことで定量的に化層により細胞壁を構成している外膜にはリポ多糖やリポ合物を回収しつつ、 1：2 = 1：0.02まで異性化を進行さタンパク、ポーリンが存在するため、巨大分子もしくはせることに成功した。

疎水性の物質を無作為に取り込むことはない。従って、一般的にグラム陰性菌の細胞壁を透過する抗菌化合物の4 ．化合物 1 の生成における推定反応機構の考察

分子量は600以下かつ親水性であることが好ましいと提1 の合成における反応機構を考察した（Scheme 2）。

唱されている［ 8 ］。以上より、多数のヒドロキシ基とまず、D-グルカールが水和されて2-デオキシ-D-グルコー

シクロペンテノン構造を有し、かつ低分子化合物（分子スが生成した後に、脱水反応によりエノンが生成する。
エノンはE体が熱力学的に安定であるが、一定の割合でZ体が生成した際に環形成が進行し、脱水反応を伴うことで安定中間体である 3 が得られる。
このとき、3 は元々光学活性体であるが、脱水反応と水和反応を経ることでラセミ化が進行したと考えられる（pathway B）。一方、
3 の脱水体に対してフラン環への水和反応が起こるとFigure 1. ペンテノマイシンIの構造

Scheme 2. シクロペンテノン 1 の合成における推定反応機構― 13 ―

量128）であるペンテノマイシンI（4）から高い抗菌活性11は低収率にとどまった。以上の検討の結果、1 の一級を有する誘導体の合成ができれば、グラム陰性・陽性菌

ヒドロキシ基選択的な TBS 基による保護を効率的に行の両方に対する新規抗菌薬の開発に繋がると期待される。

うことに成功した。
効率的にシクロペンテノン 1 の位置選択的 TBS 基よ

6 ．逆合成解析とペンテノマイシンI（4）の合成

る保護を達成したため、続いて、酵素を用いた光学分割

ペンテノマイシンI（4）の逆合成解析をScheme 3 に示を行った（Scheme 4）。 9 のアセトン-酢酸ビニル溶液にす。 4 は合成の最終段階で、保護基の除去により誘導し、リパーゼAKアマノを加え、室温で一晩攪拌した。ろ過

その前駆体 7 は、光学活性なアセチル体 6 あるいはヒドによる酵素の除去し、シリカゲルカラムクロマトグラ

ロキシ体 5 のジヒドロキシル化とオレフィン部位の構フィーによる分離精製を行い、アセチル 12 と（S）
-9 を築により誘導可能であると考えた。また、5 および6 は、

定 量 的 に 得 た。 各 化 合 物 の 絶 対 立 体 配 置 は、キ ラ ル

シクロペンテノン 1 の一級ヒドロキシ基を位置選択的にHPLCに よ り 分 取 し た（R）-1（99％ ee） お よ び（S）
-1

保護した後、酵素を用いた立体選択的なアセチル化によ（99％ ee）からそれぞれ調整したキラル化合物と比較しり光学分割することを計画した。

て決定した。

はじめに位置選択的な一級ヒドロキシ基の保護に着手

次に、ジヒドロキシル化について検討した（Scheme

した（Table 2）。嵩高いシリル化剤であるTBDPSCl を

5）。目的とするジヒドロキシル体13 に誘導するためオ作用させたが、未反応の原料を回収するのみだった。一スミウム触媒を用いたジヒドロキシル化を行った。オス

方、TBSCl を用いた際、反応は緩やかに進行し、目的ミウム触媒は、取り扱いが容易な固体オスミウム触媒、物 9 を収率82％で得ることに成功した。次に、TIPCl

オスミウム（VI）酸カリウム二水和物（K2OsO4-2H2O）をを作用させたが、10 の生成は確認できなかった。最後に、使用し、N-メチルモルホリンN-オキシド（NMO）を再非常に嵩高い保護基であるトリチル（Tr）基による保護

酸化剤として用いた。当初の計画ではジヒドロキシル化を検討した。トリチルクロリド（TrCl）を無触媒条件下

により14を単離後、アセチル基を足掛かりとしたE1cBで作用させた際、反応は全く進行しなかった。一方、脱離により、シクロペンテノン骨格を段階的に構築する

DMAP を触媒として添加した際、反応は緩やかに進行した。しかし、原料は完全に消費されたものの、目的物

Table 2. 一級ヒドロキシ基の位置選択的保護の検討

Scheme 3. 逆合成解析

Scheme 4. 酵素法による光学分割― 14 ―

Scheme 6. 非天然型 ペンテノマイシンI (+)-4の合成（entry 3-5）
。また、テトラブチルアンモニウムフルオ
Scheme 5. ワ
 ンポット反応によるペンテノマイシン骨格の形成リド（TBAF）を作用させた際、基質の分解がみられた（entry 6）。
以上の検討により、脱保護の最適な条件を見出し、（－）

Table 3. TBS 基の除去の条件検討-ペンテノマイシンI（4）を合成することに成功し、得られた化合物の各種スペクトルは天然物と一致した［ 9 ］。
また、合成品と天然物の旋光度の絶対値も文献値と一致した。同様に、ent-13を最適な条件で処理したところ、
非天然型 ペンテノマイシンI（+）-4を得た（Scheme 6）。
7 ．おわりに本研究ではセルロースから得られるグルコースを原料として、炭素 5 員環を構造的特徴とする4-ヒドロキシ-2ヒドロキシメチル-2-シクロペンテン-1-オン（1）を水中で加熱するのみという簡便な条件により合成する手法を確ことを計画していた。しかしながら、興味深いことに、立した。さらに、 4 位のヒドロキシ基の光学分割に成功得られた化合物を分析したところ、E1cB脱離まで反応し、抗菌活性を有する天然有機化合物であるペンテノマが一挙に進行したペンテノマイシン前駆体13であった。

イシンIの全合成を達成した。

生成したジヒドロキシル体14が、反応液中に発生したプロトンによりエノール体を形成し、その後、E1cB 脱離

謝辞

により酢酸イオンが脱離することで、シクロペンテノン

本研究の遂行に際して、ご支援を賜りました公益財団

骨格の構築に成功したと考えられる。しかし、構築した法人松籟科学技術振興財団に心より御礼申し上げます。

オレフィンに対してオスミウム触媒が付加することで、また、本研究は東北大学多元物質科学研究所笠井均研究

再度ジヒドロキシル化が進行することが危惧された。事室にて行ったものであり、笠井教授並びに共同研究者の実、反応を長時間行うことで 13は徐々に分解した。そ皆様に感謝申し上げます。

のため、反応を 2 時間で停止させ、13 を収率61％で得た。
参考文献

この際、未反応の12を28％で回収した。
得られた13に対して脱シリル化を行い、ペンテノマイ
シンI（4）の合成を検討した（Table 3）。すでに報告され1 ．A. Corma, S. Iborra, A. Velty, Chem. Rev. 2007,
107, 2411.

た手法を踏襲し、強酸性条件下での TBS 基の除去を試

2 ．T. Kamishima, T. Nonaka, T. Watanabe, Y. Koseki,

みた（entry 1, 2）。しかし、トリフルオロ酢酸（TFA）

H. Kasai, Bull. Chem. Soc. Jpn. 2018, 91, 1691.

水溶液を用いた際、反応は全く進行せず、濃塩酸を用い

3 ．J. D. Elliott, M. Hetmanski, R. J. Stoodley, M. N.

た際、生成物の分解まで短時間で進行した。そこで希塩

Palfreyman, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1 1981,

酸から徐々に濃度を上昇させ、最適な条件を探索したと

1782.

ころ 3 M HCl 水溶液を用いた際に収率48％で 4 を得た― 15 ―

4 ．Y. Koseki, T. Watanabe, T. Kamishima, E. Kwon, H.

Kasai, Bull. Chem. Soc. Jpn. 2019, 92, 1324.

7 ．K. Umino, T. Yamaguchi, Y. Ito, Chem. Pharm.
Bull. 1974, 22, 2113.

5 ．K . U m i n o , T . F u r u m a i , N . M a t s u z a w a , Y .
Awataguchi, Y. Ito, T. Okuda, J. Antibiot. 1973, 26,

8 ．T. Sugahara, K. Ogasawara, Synlett 1999, 419.

506.

9 ．T. Kamishima, M. Suzuki, S. Aoyagi, T. Watanabe, Y.

6 ．T . Date, K. Aoe, K. Kotera, K. Umino, Chem.
Pharm. Bull. 1974, 22, 1963.

― 16 ―

Koseki, H. Kasai, Tetrahedron Lett. 2019, 60, 1375.

申請者

神戸大学

松本

拓也

セルロースを架橋足場とした
新規セルロースポリウレタンの創出とその形態制御
神戸大学

1 ．緒言

大学院工学研究科

松本拓也の制御が可能である。そのため、今日ではフォーム材・

近年、化石資源由来の材料・燃料による環境負荷、資

弾性繊維・エラストマー・合成皮革・塗料・接着剤など源問題がクローズアップされ、バイオマス由来の新たなとして開発が進められ、その用途は工業から医療分野に

環境適応材料としてセルロースが注目を集めている。セ

おけるまで多岐に渡っている。一般的なイソシアネート

ルロースは地球上で最も多量に生産されるバイオマス資基は、系内や外界の水分と反応すると、CO2を放出して源であり、年間生産量は2000億トン以上と考えられてい材料内部へ気泡を発生させるとともに、アミンなどを副る［1］。植物種によっても多少の差異はあるが、細胞壁の生し、それが別のイソシアネートと反応し、ウレアへと

およそ50%を形成しているセルロースは結晶性高分子で変換されるといった問題がある。そのため、従来PUのあり、天然ではミクロフィブリルと呼ばれる微小結晶繊

合成は溶媒を用いない塊状重合や有機溶媒中での重合に維を形成して存在することが知られている。このセル

限定されていた。しかし近年、環境負荷への観点から、

ロースは、18本のセルロース分子が規則的に束になった

有機溶媒の代替として水のような安全かつ低環境負荷な

直径約4 nmのセルロースミクロフィブリルから構成さ溶媒を用いる手法の開発が求められている。その中で、れており、近年、繊維径20 μm程度の天然セルロース

イソシアネート基を保護基で修飾あるいは、保護層で被繊維から繊維径100 nm以下のセルロースナノファイ

覆することにより水分散性が付与されたPICが開発さ

バー（CNF）を作製する手法が確立された 。CNFは高れ、塗料・コーティング分野を中心に研究が進められてアスペクト比を有し、鋼鉄の約 1 / 5 の密度にも関わらいる。この水分散可能なPICの開発により、ヒドロキシず、鋼鉄の 5 倍以上の強度を持ち、石英ガラス並みの低基を有する水溶性あるいは水分散性ポリオールと水中に熱膨張率を有するほか、シート化すると透明シートになて複合化が可能となったため、有機溶媒を使用しない低るなどの特徴を有する材料である。さらにCNFは、表

環境負荷な合成手法での新規PUの創製が期待されてい面に多量のヒドロキシ基を有することから水中にてナノ

る。

［2］

分散も可能である［3-5］。これらの優れた特徴を利用する

本研究では、PICエマルションと、ポリオールとしてことで、CNFは有機ELディスプレイ向けのフレキシブの役割を兼ね備えた表面に多量のヒドロキシ基を有する

ル基板や、食品・医薬品の包装材料向けのガスバリアフィ

CNFをフィラーとして複合することで、CNFの補強効

ルムなどへの活用が期待されており、その中でも特に果を活かしたPU複合材料を作製した。この際、水分散

CNFの高い力学物性を活かした複合材料のマトリック

性PICエマルションとCNF水分散液を利用することで、スやフィラーへの応用が注目を集めている

有機溶媒を希釈剤として使用しない低環境負荷な手法で

。

［6-9］

ポリウレタン（PU）は分子内にウレタン結合を有するのPU複合材料の作製を試みた。また、複合化の際に高分子化合物の総称であり、ポリオールおよびポリイソ

CNFの充てん量を変化させることで、CNFの充てん量

シアネート（PIC）の重付加反応によって合成される。こが各種物性へ与える影響について検討を行った。さらに、の両者の構造・組成を変化させることによって、柔らかCNFとして機械的および化学的解繊処理を施した表面

く伸びのあるものから、硬く強靭なものまで幅広い物性の化学構造や表面物性が異なる 2 種類のCNFを使用す― 17 ―

ることで、CNFの種類が複合材料の特性に与える影響

2-2．構造・物性評価
原子間力顕微鏡（AFM）はNanoNavi Ⅱ E-sweep（（株）についても併せて検討を行った。繊維化に関しても検討

日立ハイテクサイエンス）を、フーリエ変換赤外吸収ス

し、物性を評価した。

ペクトル（FT-IR）測定にはIRTracer-100（（株）島津製作
2 ．実験方法

所）を、自動滴定装置はCOM-1700A（平沼産業（株））を、

2-1．試料作製

X線回折装置にはRINT 2100（（株）リガク）を、紫外可視

物理的解繊処理を施したCNFとしてBiNFi-s（（株）スギ

近赤外分光光度計はV-750（日本分光（株））を、動的光散

ノマシン、IMa-10005）を用いた。さらに、化学的解繊乱（DLS）測定装置は、FPAR-1000RK（大塚電子（株））
を、処理には、セルロース源として平均繊維長2 mmのケナ

電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM）はJSM-7100（ 日本

フ靭皮繊維（トヨタ紡織（株）製、インドネシア産、2011

電子（株））を、 動 的 粘 弾 性 測 定 装 置 はDVA-220（ ア イ

年収穫）を用い、既報に従い、脱脂処理、アルカリ処理、ティー計測制御㈱）を、精密万能試験機はオートグラフ

Wise法処理を施すことで精製パルプとし、さらに2,2,6,6-

AG-X plus（（株）島 津 製 作 所 ）を、 熱 機 械 分 析 装 置 はテトラメチルピペリジン-1-オキシル（TEMPO）を触媒とThermo plus EVO ⅡシリーズTMA 8310（（株）リガク）

した酸化処理することで、TEMPO酸化CNF（TOCN）水を用いて評価した。

［10］

分散液を作製した。
BiNFi-s水分散液に対して濃度が0.5 wt%になるように

3 ．実験結果純水を加え、マグネチックスターラーを用いて 2 時間撹

図 1 に は、CNFと し て 使 用 し たBiNFi-s、TOCNの拌した。次いで、0.5 wt% BiNFi-s水分散液に、水分散

AFM形状像、FT-IRスペクトル、X線回折プロファイル、

性PIC（Burnock, DNW-5500, DIC（株））を 滴 下 し、 マ グ

電気伝導度滴定の結果を示した。BiNFi-s、TOCNのそ

ネチックスターラーを用いて 2 時間撹拌した。その後、れぞれの繊維径が75 nm、2 nmとナノファイバーとし得られた水分散液に対して、脱泡、キャスト処理を行うて存在していた。さらに、X線回折プロファイルから、ことによってPIC/BiNFi-sフィルムを作製した。この際、セルロースI型の結晶構造を機械的および化学的ナノ

CNFの充てん量をフィルム全体に対して14, 20, 26 wt%

ファイバー化後も維持していることが確認できた。さらとなるように調整した。この値は、CNFのヒドロキシに、BiNFi-sで 比 べ、TOCNのFT-IRス ペ ク ト ル で は、基がすべて繊維表面に存在すると仮定した場合の、PIC

カルボニルに由来する吸収バンドが確認できた。さらにのイソシアネート基とCNFのヒドロキシ基のモル比で

電 気 伝 導 度 滴 定 の 結 果 か らTOCNに は1.63 mmol/

あるNCO / OH = 2.4, 1.2 , 0.6 にそれぞれ対応する。

g-celluloseの分量でカルボキシ基が導入されていること

0.5 wt% TOCN水分散液に、水分散性PICを滴下し、が確認できた。

マグネチックスターラーを用いて 2 時間撹拌した。その図 2 には、作製したPIC/CNFフィルムの外観写真を後、得られた水分散液に対して、脱泡、キャスト処理を示した。両方のフィルムとも比較的高い透明性を示した。

行うことによってPIC/TOCNフィルムを作製した。ここれは、セルロース繊維がナノファイバー化されているの際も、CNFの充てん量をフィルム全体に対して14, 20,

ことで、複合フィルム中で高い分散性を有しているため

26 wt%となるように調整した。

と考えられる。さらに、作製したフィルムの光透過度・比較として、それぞれのCNF単体のフィルムと、PIC

曇度を評価した結果を表 1 に示した。外観写真と同様にすべてのPIC/CNF試料において高い透明性を示したが、のみからなるフィルム試料も作製した。
繊維化に関しては、調整したPIC/BiNFi-s水分散液を一方で、繊維径の大きいBiNFi-sと比較して、TOCNは、

遠心分離により濃縮し、シリンジから基板に押し出し、

繊維径が小さく、高い分散性を示したため、低いヘイズ

40 ℃のオーブン中で 2 日間乾燥させることで、PIC/

値を示したと考えられる。

BiNFi-s複合繊維を作製した。この際も、CNFの充てん

さらに、PIC/BiNFi-sとPIC/TOCNフィルムのSEM写量を繊維全体に対して14, 20, 26 wt%となるように調整

真を図 3 に示した。各フィルムともPICのエマルション

した。

に由来する粒子が観察された。観察された粒子径は、― 18 ―

図1（．a）BiNFi-sと（b）
TOCNのAFM形状像、（c）
CNFのFT-IRスペクトル、（d）
X線回折プロファイル、（e）
TOCNの電気滴定結果。

DLS測 定 の 結 果 と よ く 一 致 し て い た。 ま た、PIC/
BiNFi-sでは、BiNFi-sに由来するCNFの凝集体も確認することができた。一方で、PIC/TOCNフィルムでは、

図 2 ．PIC/BiNFi-sとPIC/TOCNフィルムの外観写真。

TOCNに由来する凝集構造は確認できなかった。これは、TOCNが非常に小さい繊維径を有し、複合フィルム中で

表 1 ．作製したBiNFi-s，TOCN，PIC/BiNFi-sとPIC/TOCNフィルムの光透過度とヘイズ値。

高い分散性を有しているためと考えられる。この結果は、ヘイズ値がPIC/BiNFi-sと比較して低いことに一致する

Transmittance

Haze

%

%

BiNFi-s

55

99

￼ また、作製した試料の動的粘弾性評価（DMA）の結果

PIC/BiNFi-s-14 wt%

9890の貯蔵弾性率の温度依存性を図 4 に示した。CNFを加PIC/BiNFi-s-20 wt%

93

91

PIC/BiNFi-s-26 wt%

89

89

えていないPICは、ガラス転移温度以上の100℃以上で

TOCN

90

13

PIC/TOCN-14 wt%

98

38

べての試料において、その低減は大きく抑制された。ま

PIC/TOCN-20 wt%

89

34

た、ガラス転移温度以下・以上に関わらず、CNFの充PIC/TOCN-26 wt%

96

30

PIC

99

95

てん量が増加するとともに、貯蔵弾性率は増加しており、Sample

結果である。

貯蔵弾性率が大きく低下しているが、CNFを加えたすガラス転移温度もわずかに上昇していた。このことから、各CNFは、PIC/CNFフィルム中で、強化フィラーとしてだけでなく、架橋剤としても作用していることが確認できた。また、同じ充てん量でも、BiNFi-sと比較してTOCNを含む試料の方がガラス転移点以上での貯蔵弾性率は、大きく増加していた。
さらに、図 5 には、PIC/BiNFi-sとPIC/TOCNフィル
ムの応力―ひずみ曲線を示した。それぞれの複合材料に

図 3 ．PIC/BiNFi-sとPIC/TOCNフィルム断面のSEM写真。

おいて、CNFがの充てん量の増加に伴い、弾性率・引― 19 ―

図4．
（a）PIC/BiNFi-sと（b）PIC/TOCNフィルムの貯蔵弾性率の温度依存性。

図5．
（a）PIC/BiNFi-sと（b）PIC/TOCNフィルムの応力―ひずみ曲線。

張強度が増加していた。このことからもCNFが強化フィラーとして振舞っていることが確認できた。さらに、
PIC/TOCNでは、引張強度・弾性率が、PIC/BiNFi-sと比較し、大きく増加しており、TOCNのより小さい繊維
径と高い分散性によって差が見受けられたと考えられる。
図 6 には、作製したPIC/BiNFi-sの30℃から90℃までの 熱 膨 張 挙 動 を 示 し た。CNFの 充 て ん に 伴 いPIC/
BiNFi-sのα値は減少し、高い寸法安定性が付与された。
これは、CNFの持つ低熱膨張性と架橋形成によってフィルムの熱変形が抑制されたためであると考えられた。ま図 6 ．PIC/BiNFi-sの熱膨張率の温度依存性。

た、PIC/BiNFi-s-26 wt%のα値は、アルミニウム（23.1
×10 -6 /K）や銅（17.3×10 -6 /K）のα値よりも低い値を示し た。 こ れ は、CNFの 優 れ た 低 線 熱 膨 張 性 がPIC/と貯蔵弾性率を示した。CNFの充てんによって貯蔵弾

BiNFi-sのバルク物性に反映されたことによるものであ

性率は、ガラス転移温度以下・以上に関わらず、増加しり、有機材料が、金属以上に優れた熱寸法安定性を示していくことが確認できた。これはフィルムの貯蔵弾性率たことが明らかとなった。

の増加と同じ傾向を示した。一方で、同じ充てん量の試

最後にこれまでフィルム形状の試料の作製とその構料において、貯蔵弾性率を比較した所、いずれの充てん

造・物性評価を進めてきたが、繊維化の検討および物性率においても、フィルム試料と比較して増加しているこを評価した。図 7 には、作製した繊維の光学顕微鏡写真とが確認できた。フィルム試料では、キャスト法で作製― 20 ―

レタン複合材料中で強化フィラーかつ架橋点として振舞っていることが明らかとなった。さらに、熱寸法安定性を線熱膨張係数測定から評価した所、金属であるアルミニウムや銅に匹敵もしくは凌駕する熱寸法安定性を有することが確認できた。さらに、繊維化も検討し、充てんしたCNFが繊維内で配向することで、ファイルの際よりも高い貯蔵弾性率を示すことが明らかとなった。
。
5 ．謝辞
本研究にご支援を賜りました公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上げます。
6 ．参考文献［ 1 ］セ ルロース学会 編、「セルロースの事典＜新装版＞」、朝倉書店（2008）.

図7．
（a）P
 IC/BiNFi-s-20wt%繊維試料の光学顕微鏡写真と（b）PIC/BiNFi-s繊維の貯蔵弾性率の温度依存性。

［ 2 ］K. Daicho, T. Saito, S. Fujisawa, and A. Isogai,

しているため、充てんしているCNFはフィルム平面方［ 3 ］T. Saito, R. Kuramae, J. Wohlert, L. A. Berglund,

向には配向を持たないが、繊維作製時ではシリンジからand A. Isogai, Biomacromolecules, 14, 248-253

押し出す際にせん断力が試料にかかり、結果充てんした（2012）.

CNFも繊維方向に配列したと考えられる。配向した

ACS Appl. Nano Mater., 1, 5774-5785（2018）.

［ 4 ］T . N i s h i n o , I . M a t s u d a , a n d K . H i r a o ,Macromolecules, 37, 7683-7687（2004）.

CNFによって、繊維試料では貯蔵弾性率が増加したと考えられる。このCNFの配向の様子は、繊維試料のX線［ 5 ］M . Nogi, S. Iwamoto, A. N. Nakagaito, and H.
Yano, Adv. Mater., 21, 1595-1598（2009）.

繊維図形においても確認できている。

［ 6 ］近藤哲男 監、「機能性セルロース次元材料の開発
4 ．結言と応用」、CMC出版（2013）.

本研究では、PICエマルションとCNF水分散液を混合［ 7 ］H . Koga, M. Nogi, N. Komoda, T. T. Nge, T.

することで、有機溶媒を用いずにCNFを架橋点とした

Sugahara, and K. Suganuma, NPG Asia Materials,

ポリウレタン複合材料を作製した。CNFは、低環境負6, e93（2014）.

荷でかつ優れた力学物性を有することが知られており、［ 8 ］H. Fukuzumi, T. Saito, T. Iwata, Y. Kumamoto,

本 研 究 で は、 新 た な ポ リ ウ レ タ ン の ”green

and A. Isogai, Biomacromolecules, 10, 162-165

composite”を創出した。得られた複合材料では、CNF（2009）.

として機械解繊処理及びTOCNによる化学酸化処理によ［ 9 ］A. N. Nakagaito, and H. Yano, Applied Physics A,
80, 155-159（2005）.

り得られたCNFを、強化フィラーおよび架橋点として添加しており、CNFの充てん量に応じた弾性率や強度［10］T . Sato, S. Mori, S. Melati, H. Nakamura, C.

の増加が観測され、さらに充てんしたCNF種の種類に

Hongo, T. Matsumoto, and T. Nishino, Carbohydr.

応じた物性の差も確認できた。さらに、ガラス転移点前Res. 493, 108020（2020）.

後での貯蔵弾性率の変化からCNFは、作製したポリウ― 21 ―

申請者

九州工業大学前田憲成

クォーラムセンシング制御による下水汚泥のメタン発酵高速処理技術の開発
九州工業大学

1 ．研究背景と目的

大学院生命体工学研究科

前田憲成が促進されたり、抑制されたりと、異なった生物応答をクォーラムセンシング（QS）は細菌のコミュニケー示すため、注目度の高い化合物の一つである。このようションのモダリティであり、バイオフィルムの形成や病に、同じ化合物でも、菌群に対する作用が異なるため、原性因子の産生などの細菌の生理学的機能を調節す

下水汚泥のような複合微生物群に対しても、インドール

る 。様々なQS分子が報告されている中、近年細菌分泌に対して正の影響、負の影響を及ぼす菌群が存在するのするインドールが、微生物コンソーシアム間に細胞間シではないかと考えた。筆者の研究室では、これまで下水

グナル分子として重要な役割を果たしていることが明ら汚泥の嫌気消化における抗生物質の影響などを検証してかにされている 。インドールの細菌群に対する作用効おり、本研究では、下水汚泥の嫌気消化におけるインドー

果はそれぞれの菌によって異なるため、インドール一つ

ルおよびその類似体化合物の効果を明らかにすることをの化学物質で細菌群のQSの活性を操作できる可能性が目的とした。具体的には、インドール系化合物が存在すある。具体的には、インドールは病原性細菌として分類る条件にて、加水分解反応、酸生成反応、メタン生成反されているE.coliおよびSalmonella entericaの抗生物質

応における効果、および次世代シーケンサ（Miseq）を用耐性を増加させたが、非病原性環境細菌L. enzymogenes

いて下水汚泥中の細菌群集構造の変化を調査した。
また、の抗生物質耐性を減少させる効果を示すことが明らかと

イ ン ド ー ル を 用 い た メ タ ン 生 成 菌Methanosarcina

なった 。

acetivorans C2Aの活性を測定した。

1）

2）

3）

下水汚泥は、世界中の廃水処理場によって副産物とし
2 ．インドール系化合物て大規模に生成されており、その有効な減容・資源化処理として、メタンガスを生成する嫌気消化が知られてい本研究には 5 種類のインドール類似体、インドール-3-

る。下水汚泥中には、豊富な細菌と古細菌が共存してお酢酸（オーキシン）、3-インドールアクリル酸、4-、5-、り、タンパク質を主とする生体高分子を低分子化して、6-フルオロインドールに加え、インドールの前駆体とな最終的な生産物としてメタンに変換する4-5）。その具体

るトリプトファンを使用した。 5 種類のインドール化合的な反応は、加水分解、酸生成、酢酸生成、およびメタ物の構造は、図 1 に示す通りである。

ン生成の 4 つの反応であり6）、アミラーゼ、リパーゼ、
セルラーゼ、プロテアーゼなどの細胞外酵素が加水分解

3 ．結果と考察

反応に関わる。または、低分子化された基質から、有機

3 － 1 ．インドール系化合物と前体物トリプトファンにおけるメタン生成量の影響調査

酸が生成される酸生成、酢酸生成が起こる。最終的には、第一に酢酸資化性メタン生成菌は酢酸からメタンを、第インドール系化合物と前体物トリプトファン（最終濃二に水素資化性メタン生成菌はH2とCO2からメタンを生

度3 mM）を10 %の下水汚泥中に添加し、120 rpm、37

成することができる。

℃で10日間に培養した。GC-3200でメタン生成量を測定

インドールは、大腸菌のQS分子として機能する化合物であるが、作用する菌種によってバイオフィルム形成

し、インドール系化合物の添加により嫌気消化中のメタン生成がどのように変化するのかを調べた。

― 22 ―

図 2 に示すように、メタン生成はインドールで若干阻し、メタン生成が大幅に低く、90％以上抑制された。さ害されるほか、その他のインドール類似体によって顕著

らに、インドールと3-IAAは、メタン生成を別々に約に阻害されることが分かった。インドール、3-IAA、25％と58％減少させた。その一方で、トリプトファンを4-FI、5-FI、6-FIをエタノールに溶解し、Ctrlエタノー

同様に添加した場合、メタン生成の抑制は見られなかっルと比較した。 さらに、3-IARAをDMSOに溶解し、対た。

照のDMSOと比較した。特にメタンの生成は、4-FIと3 － 2 ．嫌気消化中加水分解反応におけるインドール系

3-IARAを添加した場合に、完全に阻害された。5-FIお化合物の影響調査

よび6-FIグループは対照のエタノールグループと比較

イ ン ド ー ル 系 化 合 物 を 添 加 し た10 %の 汚 泥 を120rpm、37 ℃で10日間培養し、その過程でサンプリングを行ない、遠心分離で汚泥固形物を除去、さらに0.2 μmのメンブレンでフィルター処理した後、そのろ液を用いて、プロテアーゼ、pH、有機酸を測定した。下水汚泥は主にタンパク質で構成されているため、タンパク質分解酵素であるプロテアーゼの活性を調べることにより、加水分解反応を評価することができる7）。 2 日後の時点では、4-FIのプロテアーゼ活性がコントロールより低いが、他のインドールおよび類似体グループは 2 、6 、
図 1 ．インドール系化合物の構造
インドール（a）ベンゼン環4 ‘、 5 ’、6 ‘の重要な位置は、フッ素原子に個別に置き換えられ、4-フルオロイン
ドール（b）、5-フルオロインドール（c）、6-フルオロイ
ンドール（d）に形成した。インドールベンゼン環の3‘キー位置は、それぞれ酢酸とアクリル酸で置換され、3-インドール酢酸（e）と3-インドールアクリル酸
（f）に
なる。

および10日後、嫌気消化中のコントロールグループと比較してプロテアーゼ値が高いことが分かった（図 3 ）。このように、図 1 に示すように、インドール系化合物によってメタン生成が抑制されるが、加水分解反応には負の影響がないため、加水分解がメタン生成の阻害の主な要因
ではないことを示している。その一方で、3-IARAにおけるプロテアーゼ活性は 2 日後および 6 日後に対照DMSOと比較して低く、3-IARAでのメタン生成を阻害

図 2 ．3 mMのインドール系化合物による10日間メタン生成
量の変化
Ctrl（コントロールエタノール、■）、Ctrl DMSO
（コ
ントロール、◆）、Indole（インドール、▲）、3-IAA（3インドール酢酸、□）、4-FI（4-フルオロインドール、◇）、
5-FI（5- フルオロインドール、△）、6-FI（6-フルオロイ
ンドール、●）、3-IARA（3-インドールアクリル酸、マークなし）。 エラーバーは標準偏差を示す（n = 3）

図 3 ．下 水汚泥の嫌気消化での加水分解段階におけるインドール系化合物の影響Ctrl（コントロールエタノー
ル）、Ctrl DMSO
（コントロール）、Indole（インドール）、
3-IAA（3-インドール酢酸）、4-FI（4-フルオロインドー
ル）、5-FI（5- フルオロインドール）、6-FI（6-フルオロインドール）、3-IARA（3-インドールアクリル酸）。 エ
ラーバーは標準偏差を示す（n = 3）。

― 23 ―

するメカニズムがインドールおよび他の類似体と異なることが示唆された。
3 － 3 ．嫌気消化中酸生成反応におけるインドール系化
合物の影響調査
加水分解反応はインドール系化合物によって影響を受けないため、酸生成反応を評価する必要がある。下水汚泥嫌気消化における酸生成段階で生成された有機酸量の結果を図 4 に示した。有機酸生成量を 2 、 6 、10日後の培養時点で測定したところ、各グループで酢酸が最大の割合を占めすことが分かった。しかしながら、インドール系化合物の添加系では、コントロールよりも酢酸の濃度が低くなっていた。また、
インドール系化合物のうち、インドールと3-インドール酢酸の添加系においては、プ
ロピオン酸の蓄積も若干ながら増加していた。一方、フルオロインドール添加系ではその他のサンプルには検出されなかった乳酸の蓄積が確認できた。

図 4 ．下水汚泥の嫌気消化での酸生成段階におけるインドー
ル系化合物の影響Ctrl（コントロールエタノール）、
Ctrl DMSO（コントロール）、Indole（ インドール）、
3-IAA（3-インドール酢酸）、4-FI（4-フルオロインドー
ル）、5-FI（5- フルオロインドール）、6-FI（6-フルオロインドール）、3-IARA（3-インドールアクリル酸。 エ
ラーバーは標準偏差を示す（n = 3）。

コントロールグループとインドールグループについて、嫌気消化におけるpH変化を調べたところ、大量の酢酸と酪酸が蓄積したことと相関して、pH値が6.8 ± 0.1
から4.8 ± 0.1に劇的に減少した（図 5 ）。その一方で、有機酸の蓄積にもかかわらず、3-IAAのpHは 5 から4.7へのわずかな変化を示し、3-IARAは初期pHと比較して最終的に安定したpH値となった。また、コントロール
DMSO、4-FI、5-FI、6-FIのpH値は6.8 ± 0.1から6.2 ± 0.1にわずかに減少した。3-IAAの初期pHが低くなった要
因は、酢酸基の構造が影響しているものと考えられる8）。
3 － 4 ．メタン生成段階におけるインドール系化合物の影響調査
上述の通り、メタン生成経路には、酢酸を基質としてメタンを作る酢酸資化性のメタン生成反応と、水素と二図 5 ．インドール系化合物を添加した下水汚泥の嫌気消化における各サンプルのpH変化
Ctrl（コントロールエタノール）、Ctrl DMSO
（コントロール）、Indole（ インドール）、3-IAA（3-インドール
酢酸）、4-FI（4-フルオロインドール）、5-FI（5- フルオ
ロインドール）、6-FI（6-フ ル オ ロ イ ン ド ー ル ）、3-IARA（3-インドールアクリル酸）。 エラーバーは標準偏差を示す（n = 3）。

酸化炭素を基質としてメタンを作る水素資化性のメタン生成反応がある。ここでは、細菌群の活性を抑制し、メン コ マ イ シ ン-塩 酸、0.2 mg/mL、 ア ン ピ シ リ ン、0.2

タン生成菌群の働きのみ評価できるアッセイ系で、イン9）mg/mL）、10 mMの酢酸またはH2/CO（の混合
2 4 ： 1 ）ドール系化合物存在下における酢酸資化性および水素資ガスを供給し、そのバイアルを120 rpm、37 ℃で10日

化性のメタン生成活性を調べた。そのアッセイ系として間培養し、メタン生成を評価した。

は、5 %の濃度に調整した下水汚泥に、3 mMのインドー

はじめに、図 6 に示したように酢酸資化性のメタン生

ル系化合物、メタン生成菌以外の細菌を殺す及び抑制す成がインドール系化合物の存在する条件でどのように変るために 4 種類の抗生物質（ベンジルペニシリン、0.5

化するのかを調べたところ、インドール、6-フルオロイ

mg/mL、ストレプトマイシン硫酸塩、0.5 mg/mL、バンドール、3-インドール酢酸を添加した系においては顕― 24 ―

図 6 ．酢酸資化性メタン生成活性におけるインドール系化合物の効果4A / N2： 4 種 抗 生 物 質 と 窒 素 供 給、4A / N2 Ctrl
（ET）
： 4種抗生物質、エタノールコントロール、窒素
供給、4A / N2 / SA Ctrl（ET）： 4種抗生物質、エタ
ノールコントロール、窒素供給、酢酸ナトリウム、4A/ N2 / SA Indole、4A / N2 / SA 6FI、4A / N2 / SA
3-IAAは、 4 種抗生物質、窒素供給、酢酸ナトリウムに加えて、Indole（インドール）、3-IAA（3-インドール
酢酸）
、6-FI
（6-フルオロインドール）を添加している。
エラーバーは標準偏差を示す（n = 3）。

図 7 ．水素資化性メタン生成活性におけるインドール系化合物の効果4A / N2： 4 種 抗 生 物 質 と 窒 素 供 給、4A / N2 Ctrl
（ET）
： 4種抗生物質、エタノールコントロール、窒素（ET）： 4種抗生物質、エタノー
供給、4A / H 2/CO 2 Ctrl
ルコントロール、混合ガス供給、4A / H 2/CO 2 Indole、
4A / H 2/CO 2 6FI、4A / H 2/CO 2 3-IAAは、 4 種抗生物質、混合ガスの供給に加えて、Indole（インドール）、
3-IAA（3-インドール酢酸）、6-FI（6-フルオロインドール）を添加している。 エラーバーは標準偏差を示す
（n
= 3）
。

著にメタン生成が抑制されていることが分かった。実験系としては、酢酸を添加していない系ではメタン生成が見られなかったため、 4 種の抗生物質添加によって細菌群の活性（加水分解や酸生成などを担う活性）はきちんと抑制できていることが確認できた。
次に、水素栄養性メタン生成の活性についても調べた
ところ、インドール、3-IAA、6-FIによってメタン生成が抑制されることが明らかとなった（図 7 ）。
3 － 5 ．メ タ ン 菌Methanosarcina acetivorans C2A株の培養におけるインドール化合物の影響調査
下水汚泥という複合微生物系の実験の結果をさらに単一 菌 の 培 養 系 に て 検 証 す る た め、Methanosarcina
acetivorans C2A株を用いて、このメタン菌が増殖する

図 8 ．メ タン菌Methanosarcina acetivorans C2A株のメタン生成におけるインドール系化合物の影響
Ctrl（通常の培地）、Ethanol（エタノールグループ）、Indole（インドール）、3-IAA（3-インドール酢酸）、6-FI（6-フルオロインドール）、H2 / CO2
（ 混合ガスで注入）。 エラーバーは標準偏差を示す（n = 3）。

過程において生成するメタンガスがインドール系化合物を添加した条件でどのように変化するのかを調べた。メ

メタン菌C2Aは、メタン生成古細菌を研究するモデル

タン菌C2A株は嫌気性菌であるため、真空グロープボッ

株として研究されている10）。また、メタン菌C2Aはメタ

クス中で培地を作り、インドール系化合物（3 mM）も含

ノサルシナ属に属するメタン菌として、酢酸資化性と水んだ培地の全量30 mLに対して、1.5 mLの菌液を接種し、素資化性を含む 3 つのメタン生成経路を利用することが窒素ガスを注入し、密封した後に、120 rpm、37 ℃で報告されている11）。図 8 の結果の通り、インドールと10日間培養した。その培養過程にはメタンガスの測定、

6-FIは水素資化性のメタン生成活性を低下させた一方、ならびに培養10日後にはメタン菌の培養液の濁度OD600

3-IAAを添加した系ではメタン生成の阻害は起こらなを測定した。

かった。また、メタン菌C2Aの増殖も10日後の培養液の― 25 ―

は、 6 日以降の嫌気消化でインドール濃度が顕著に増加した。大腸菌などにおいては、インドールはトリプトファ
ンから生成されるため12）、下水汚泥中の細菌群によってトリプトファンからインドールが生成されたものと考えられる。
3 － 7 ．次世代シーケンサーによる細菌群集構造解析
インドール系化合物を添加した下水汚泥の嫌気消化に
図 9 ．メタン菌Methanosarcina acetivorans C2A株の10 日後の増殖におけるインドール系化合物の影響
Ctrl（通常の培地）、Ethanol（エタノールグループ）、Indole（インドール）、3-IAA（3-インドール酢酸）、6-FI（6-フルオロイン。 エラーバーは標準偏ドール）、H 2 / CO（混合ガスで注入）2差を示す（n = 3）。

おいて、菌叢がどの程度変化するのかを 5 日目および10日目のサンプルを用いて、β多様性評価を行なった。この解析においては、実際に活性のある細菌群のみを対象とするため、下水汚泥試料からはRNAを抽出・精製し、cDNAを合成した後、最後に次世代シーケンサーMiseq
で解析した。図11はβ多様性の結果を表すもので、サン

濁度で確認したところ、メタン生成が見られなかった、

プル間の菌叢の違いを評価することができる。データのインドールと6-FIの添加系においてはメタン菌C2Aの増見方としては、図中の〇または●同士が近くにある場合殖が抑制されていることが分かった。

はそれらの菌叢は類似していること、離れている場合は異なった菌叢を構成していることを意味する。図11の結

3 － 6 ．下水汚泥の嫌気消化におけるインドール化合物のモニタリング

果から、コントロールよりも、インドール、6-フルオロ
インドール、3-インドール酢酸を添加した系において、

インドール分子のみ、検出手法の確立が出来たため、距離があることから、それぞれの菌叢は大きく異なって各条件におけるインドール化合物の動態を調べた。図10

いることが分かった。また 5 日目と10日目の菌叢変化のに示したように、下水汚泥自体にも約0.27 mMのイン

着眼点では、インドールを添加した系において、菌叢がドールが存在し、10日間の嫌気消化において濃度変化は他のサンプルよりも大きく変化していることが明らかとなかった。また、インドール添加系においては、はじめなった。

の3 mMの濃度が、10日間の嫌気消化によって2 mM程

また、 5 日目と10日目の嫌気消化中における細菌群集

度まで減少した。一方、トリプトファンを添加した系での 変 化 は、 図12の 通 り と な っ た。Proteobacteria、Firmicutes、 Chloroflexi、Bacteroidetes

図10．下水汚泥の嫌気消化中におけるインドールの動態調査
WSS（汚泥のみ）、Ctrl（汚泥+エタノール）、Indole（汚泥+インドール）、3-IAA（汚泥+ 3-インドール酢酸）、
6-FI（汚泥+ 6-フルオロインドール）、Trp（ 汚泥+トリ
プトファン）。 エラーバーは標準偏差を示す（n = 3）。

と図11．第 5 日目と第10日目の下水汚泥の嫌気消化におけるインドール系化合物の添加の有無による菌叢の違い（β多様性評価）
WSSの 5 日目（黒丸）と10日目
（白丸）
、Ctrl
（エタノー
ルグループ）、Indole（インドール）、3-IAA（3-インドー
ル酢酸）、6-FI（6-フルオロインドール）。

― 26 ―

図12．下水汚泥の嫌気消化の細菌群集の変化におけるインドール系化合物の効果
嫌気消化の 5 日目と10日目で、インドール系化合物の添加、未添加の汚泥中の分類学的属レベルで分類された優勢な細菌群集の相対的な存在量。マイナークラス（ 1 ％未満）
はグループ「Others」にまとめられた。Indole、
3-IAA、
6-FIはインドー
ル、3-インドール酢酸、6-フルオロインドール、5d、10dは 5 日目、10日目のサンプル。

planctomycetesはインドールおよびその類似体の添加にをより詳細に解析するために、インドール系化合物を添関係なく、嫌気消化中に各サンプルに存在する主要な細加または未添加の下水汚泥の嫌気消化において、特定さ菌 群 で あ る。 検 出 さ れ たFirmicutes、Acidobacteria、れた細菌群のグラム陰性菌と陽性菌の存在比をまとめ

Planctomycetesは嫌気発酵における加水分解と酸生成のた。インドールはグラム陰性菌とグラム陽性菌のQSシ反応に重要な役割を果たすことが知られている 。

ステムを調節する細胞外シグナル分子であり、インドー

Bacteroidetesとchoroflexiはインドール系化合物を添加

ル系化合物の添加により、グラム陽性菌およびグラム陰した条件よりもコントロールサンプルで多く検出され性菌の割合が変化する可能性がある。表 1 に示したようた。またFirmicutes、ProteobacteriaとPlanctomycetesはに、下水汚泥の嫌気消化中の 5 日目、10日目における19

嫌気消化中でインドールとその類似体によって阻害されグループのグラム陰性菌群と 5 グループのグラム陽性菌なかったため、メタン生成の過程でこれらの細菌間の相群の存在比をコントロール、インドール、3-酢酸インドー

互作用にはインドールやその類似体の影響を受けない可ル、6-フルオロインドール添加系で比較したところ、イ能性がある。亜硝酸酸化細菌として知られるNitrospira

ンドール系化合物を添加した下水汚泥では多数のグラム

はインドール系化合物を添加することによって減少し陽性菌群の存在比が高いことが分かり、コントロールとた。この結果は、インドールおよびその類似体が、下水比較してグラム陰性菌群の存在比が少なかった。特に、汚泥の亜硝酸酸化過程に影響を及ぼす可能性を示唆して

グ ラ ム 陰 性 菌 と な るBacteroidetes、Chloroflexi、いる。

Nitrospirae とPlanctomycetes 4つの割合はインドール系

13）

次に、次世代シーケンサーによる群集構造解析の結果

化合物の存在下で増加した。Clostridia、Cladilinea、― 27 ―

表 1 ．次世代シーケンサーによる細菌群集構造の結果から分類された菌群に対するグラム陽性菌群とグラム陰性菌群の存在比の比較
本比較には、19）20）21）の文献の情報に基づいて解析が行なわれた。

下水汚泥の嫌気消化の 5 日後および10日後で、インドールおよび類似体（ 3 mM）の添加、未添加の条件における、グラム陰性菌
およびグラム陽性菌の割合。データは平均±SDを示す。

PlanctomycetesとAlphaproteobacteriaが下水汚泥のメタる。総じて、インドール系化合物を添加した系において

ン 生 成 の 促 進 に 関 わ る 菌 群、Nitrosomonadaceaeとは、グラム陰性菌群が抑制され、グラム陽性菌群の割合

Nitrospiraceaeはメタン生成の抑制に関わる菌群であるが増加しており、この細菌間のバランス変化が、メタンことが報告されている。さらに、グラム陽性菌に属し、生成量が減少した要因であると考えられる。筆者の研究

下 水 汚 泥 中 の 基 質 を 加 水 分 解 す る 役 割 を 担 う15-16）室では、下水汚泥の嫌気消化におけるQS阻害剤の効果

Firmicutesの割合は、インドール系化合物を添加した系を調査した成果があり、その場合もグラム陰性菌のQSで 増 加 し た。 さ ら に、NKB19、TM6、WS2、WS3、阻害によってグラム陽性菌群の割合が増加し、メタン生

OP3等の菌群に関してはメタン生成への関わりがあまり成が低下することが分かっている19）。

4, 14）

知られていないが、嫌気消化中には数があまり変化しな
かった。インドール系化合物の添加による菌叢変化の詳

4 ．まとめ細なメカニズムは十分には解明されていないが、グラム本研究では、QS等、下水汚泥の嫌気消化において、陰性菌間のQSシステムにおいて、シグナル伝達分子と細菌間群の相互作用の関わりを調べるため、インドール

してインドールはいくつかのタンパク質のフォールディ

系化合物を用いた実験検証を行なった。QSシグナル分ングを阻害し、AHLに結合する活性化因子LuxRを妨げ子として知られるインドールは、下水汚泥に添加して嫌ることも報告されており17-18）、様々な細菌群が関わる複気消化を行なった場合に顕著にメタンを抑制すること、雑系において、このような機構またはその他知られてい加水分解反応には影響を及ぼさす、酸生成は酪酸を多くない機構が関わり合うことで、インドール系化合物を下蓄積すること、メタン生成活性は酢酸資化性も、水素資

水汚泥に添加した場合に菌叢が変化するものと考えられ化性も抑制する効果を持つこと、メタン菌C2A株の増殖― 28 ―

にも影響を及ぼすことが明らかとなった。
また、
インドー

Sewage sludge ash. In New Trends in Eco-efficient

ル分子は実際の下水汚泥中にも約0.25 mMの濃度で存在

and Recycled Concrete（pp. 121-152）. Woodhead

していることが分かった。

Publishing（2019）

最後に次世代シーケンサーによる細菌群集構造解析の6 ）Mahon, A. M., O’Connell, B., Healy, M. G., O’Connor,

結果から、インドール系化合物を添加した系では、コン

I., Officer, R., Nash, R., & Morrison, L. Microplastics

トロールの系と大きく構成する細菌群が異なること、グin sewage sludge： effects of treatment.

ラム陰性菌群の存在比が低くなり、グラム陽性菌群の存

Environmental Science & Technology, 51（2）：810-

在が高まった。

818（2016）

以上のことから、メタン生成を向上させるためには、

7 ）Maeda, T., Yoshimura, T., Shimazu, T., Shirai, Y.,

グラム陽性菌群の存在割を低くしつつ、グラム陰性菌群& Ogawa, H. I. Enhanced production of lactic acidが活性化すること、ならびにメタン生成に関わるメタン

with reducing excess sludge by lactate

菌群の活性が高くなることが求められる。今後、これら

fermentation. Journal of hazardous materials, 168の点を追究し、下水汚泥からのメタン生成を向上化させ（2-3）：656-663（2009）8 ）Raven, J. A. Transport of indoleacetic acid in plant

ることを次の課題としたい。

cells in relation to pH and electrical potential
5 ．謝辞

gradients, and its significance for polar IAA

本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りましtransport. New Phytologist, 74（2）：163-172（1975）

た公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上9 ）Battumur, U., Yoon, Y., Bae, G. S., & Kim, C. H.

げます。また、本研究の遂行に貢献してくださりました

Isolation and characterization of new

研究室の皆様にも心より感謝申し上げます。

Methanosarcina mazei strains KOR-3,-4,-5, and-6
from an anaerobic digester using pig slurry.

6 ．参考文献

Asian-Australasian journal of animal sciences, 30

1 ）Kemp, C. Effect of Bromination on quorum sensing（8）：1198（2017）

inhibition of indole

carboxaldehydes, Thesis,10）Maeder, D. L., Anderson, I., Brettin, T. S., Bruce, D.
C., Gilna, P., Han, C. S., & Sowers, K. R. The

University of North Goergia（2018）2 ）Lee, J. H., Wood, T. K., & Lee, J. Roles of indole as

Methanosarcina barkeri genome： comparative

an interspecies and interkingdom signaling

analysis with Methanosarcina acetivorans andmolecule. Trends in microbiology, 23（11）：707-718

Methanosarcina mazei reveals extensive（2015）

rearrangement within methanosarcinal genomes.

3 ）Han, Y., Wang, Y., Yu, Y., Chen, H., Shen, Y., & Du,

Journal of bacteriology, 188（22）：7922-7931（2006）

L. Indole-induced reversion of intrinsic

11）S owers, K. R., Baron, S. F., & Ferry, J. G.

multiantibiotic resistance in Lysobacter

Methanosarcina acetivorans sp. nov., an

enzymogenes. Applied and environmental

acetotrophic methane-producing bacterium

microbiology, 83（17）（2017）

isolated from marine sediments. Appl. Environ.
Microbiol., 47（5）：971-978（1984）

4 ）Mustapha, N. A., Hu, A., Yu, C. P., Sharuddin, S. S.,
Ramli, N., Shirai, Y., & Maeda, T. Seeking key12）Maeda, T., García-Contreras, R., Pu, M., Sheng, L.,microorganisms for enhancing methane production

Garcia, L. R., Tomás, M., & Wood, T. K. Quorum

in anaerobic digestion of waste sewage sludge.

quenching quandary： resistance to antivirulence

Applied microbiology and biotechnology 102（12）：compounds. The ISME journal, 6（3）：493（2012）13）A rora, P. K., Dhar, K., Veloz García, R. A., &5323-5334（2018）
5 ）Payá, J., Monzó, J., Borrachero, M. V., & Soriano, L.

― 29 ―

Sharma, A. Biotransformation of indole to3-methylindole by Lysinibacillus xylanilyticus

18）Banerjee, G., & Ray, A. K. The talking language insome major Gram-negative bacteria. Archives ofstrain MA. Journal of Chemistry,（2015）

microbiology, 198（6）：489-499（2016）14）R egueiro, L., Veiga, P., Figueroa, M., AlonsoGutierrez, J., Stams, A. J., Lema, J. M., & Carballa,

19）Nguyen, P. D. T., Mustapha, N. A., Kadokami, K.,

M. Relationship between microbial activity andGarcia-Contreras, R., Wood, T. K., & Maeda, T.

microbial community structure in six full-scale

Quorum sensing between Gram-negative bacteria

anaerobic digesters. Microbiological research, 167

responsible for methane production in a complex（10）：581-589（2012）

waste sewage sludge consortium. Applied
microbiology and biotechnology 103（3）：1485-1495

15）F etzner, S. Bacterial degradation of pyridine,（2019）

indole, quinoline, and their derivatives under
different redox conditions. Applied Microbiology20）Rijpkema, A. S., Royaert, S., Zethof, J., van der
Weerden, G., Gerats, T., & Vandenbussche, M.

and Biotechnology, 49（3）：237-250（1998）

Analysis of the Petunia TM6 MADS box gene16）Chouari, R., Dardouri, W., Sallami, F., Rais, M. B.,
Microbial analysis andreveals functional divergence within the DEF/

efficiency of biofiltration packing systems forAP3 lineage. The Plant Cell, 18（ 8）, 1819-1832hydrogen sulfide removal from wastewater off（2006）Le Paslier, D., & Sghir, A.

gas. Environmental Engineering Science, 32（2）,21）G utiérrez, H. R., Perea-López, N., Elías, A. L.,
Berkdemir, A., Wang, B., Lv, R., & Terrones, M.

121-128（2015）
17）Kim, J., & Park, W. Indole： a signaling molecule

Extraordinary room-temperature

or a mere metabolic byproduct that alters

photoluminescence in triangular WS2 monolayers.

bacterial physiology at a high concentration?.

Nano letters, 13（8）,3447-3454（2013）

Journal of Microbiology, 53（7）：421-428（2015）― 30 ―

申請者

名古屋市立大学

山村寿男

松脂由来樹脂酸の肺動脈イオンチャネルに対する薬理作用
名古屋市立大学

大学院薬学研究科

山村寿男

1 ．研究背景
肺循環は酸素を吸収して二酸化炭素を排出するため、生体機能の維持に重要な役割を担う。肺循環経路は、肺動脈、毛細血管、肺静脈から構成される。肺血管の筋張力は、膜電位と細胞内Ca2+濃度によって制御される。膜
電位は、Ca2+チャネル、K+チャネル、Cl-チャネルなど
図 1 ．ピマル酸とアビエチン酸の構造式のイオンチャネル活性によって規定される。また、細胞内Ca2+濃度は、細胞膜Ca2+チャネルからのCa2+流入と細胞内Ca2+貯蔵部位からのCa2+遊離によって調節される。

電位依存性K+チャネルを活性化する［ 5 ］ことを発見

膜電位と細胞内Ca2+濃度は相互に影響し、最終的に肺血した。しかし、ピマル酸の血管組織に対する薬理作用は管の筋張力を決定する。

検討されていない。本研究では、松脂由来樹脂酸である

肺動脈平滑筋の細胞膜上には、電位依存性Ca2+チャネ

ピマル酸とアビエチン酸のラット肺動脈平滑筋の脱分極

ル、受容体作動性Ca チャネル、ストア作動性Ca チャ

性収縮とアゴニスト性収縮に対する薬理作用について検ネルなどのCa2+透過性チャネルが発現し、細胞内Ca2+濃

討した。

2+

2+

度を制御している［ 1 ］。電位依存性Ca2+チャネルは、
脱分極により活性化してCa2+を流入させる。受容体作動2 ．方法

性Ca2+チャネルは、内因性血管収縮物質であるセロトニ

1 ）動物実験

ンやエンドセリン-1などの受容体シグナルの下流でCa本研究における動物実験は、名古屋市立大学動物バイ

2+

流入経路として機能する。ストア作動性Ca2+チャネルは、オ倫理委員会によって承認された（H30-P-1）。動物実験

筋小胞体のCa 枯渇によって活性化してCa 流入を促進

は「動物実験に関する日本薬理学会指針」にしたがってする。また、電位依存性K+チャネル、大コンダクタン

実施した。

2+

2+

スCa2+活性化K+チャネル（BKCaチャネル）、Ca2+活性化2 ）収縮実験

Cl-チャネルなども間接的に細胞内Ca2+濃度の調節に関与する［ 2 ］。これらのイオンチャネル活性を介して細胞

雄性Sprague-Dawleyラット（ 7 ~13週齢；日本SLC）か内Ca 濃度が上昇すると、肺動脈平滑筋は収縮する。

ら肺動脈を摘出し、内皮を剥離した。肺動脈平滑筋のリ2+樹脂酸は植物樹脂の主要成分である。松脂には、アビング標本（長さ3 mm）を組織チャンバーに固定し、36±

エチン酸、ネオアビエチン酸、パラストリン酸、ピマル

1 °CのKrebs溶 液 を 灌 流 し た。Krebs溶 液 の 組 成 は、酸、イソピマル酸、デヒドロアビエチン酸などの樹脂酸

112 mM NaCl、4.7 mM KCl、2.2 mM CaCl2、1.2 mMが含まれる（図 1 ）。我々の研究室では、ヒト胎児腎由来

MgCl 2、25 mM NaHCO 3、1.2 mM KH 2PO 4、14 mM

293細胞（HEK293細胞）を用いたイオンチャネル発現系

glucoseだった。Krebs溶液のpHは、95%酸素と 5 %二酸に お い て、 ピ マ ル 酸 が ①BKCaチ ャ ネ ル を 活 性 化 す る

化炭素の混合ガスによって7.4に調整した。高K+濃度［ 3 ］、②電位依存性Ca2+チャネルを阻害する［ 4 ］、③Krebs溶液は、通常Krebs溶液のNaCl濃度とKCl濃度を― 31 ―

それぞれ76.7 mMと40 mMに置換して作製した。組織標（+）CCAAGCAAGGGAAATTCTAC

本には5 mNの張力を負荷した。収縮反応は、等張性ト（-）ATCGTCTACTACCTCCACAG

ランスデューサーとアナログ式チャートレコーダー

β3サブユニット（NM_ 012828）（MDL-201；相馬光学）を用いて記録した。

（+）TGCCCACCTGAGTCATTTGA（-）ACCCATCGCGCGGTCATTTG

3）
発現解析

β4サブユニット（NM_ 001105733）

ラット肺動脈平滑筋からSDRNA iso Plus
（タカラバイ（+）CTTTGACGCCAAGGACTTTCTTオ）を用いて総RNAを抽出した。次に、ReverTra Ace（-）GAGATCGGCTTCATCCCAAG

qPCR RT Master Mix（ 東洋紡）を用いて逆転写反応を

β-アクチン（NM_001101）

行った。最後に、SYBR Premix Ex Taq（タカラバイオ）（+）AGGCCAACCGCGAGAAGATG

を用いてLightCycler 96リアルタイムPCRシステム（ロ（-）GCCCAGAGGCGTACAGGGATAシュ）でmRNA発現解析を行った。リアルタイムPCR用
4）
試薬のプライマーを以下に示した。

ピマル酸とアビエチン酸は、それぞれHelix Biotech

BKCaチャネル
α サ ブ ユ ニ ッ ト（GenBank Accession number、とICN Biomedicalsから購入した。エンドセリン-1とパ

NM_031828）

キシリンは、Sigma-Aldrichから購入した。その他の試（+）
CCCAATAGAATCCTGCCAGA

薬は、富士フイルム和光純薬から購入した。

（-）
GCAATAAACCGCAAGCCAAA
β1サブユニット（NM_019273）

5 ）統計処理（+）
CCCAATAGAATCCTGCCAGA

実験データは、平均値±標準誤差で示した。 2 群間の（-）
GCAATAAACCGCAAGCCAAA

有意差検定には、Studentのt検定を用いた（BellCurveソβ2サブユニット（NM_176861）

フトウェア；社会情報サービス）。多群間の有意差検定（+）
CCCAATAGAATCCTGCCAGAには、一元配置分散分析（ANOVA）の実施後にScheffé（-）
GCAATAAACCGCAAGCCAAA

検定を用いた（BellCurveソフトウェア）。

β3サブユニット（NM_001104560）（+）
TGTCCACACACACATTGCAGA

3 ．結果

（-）
ACTGCTTGTGGACGTCCGTTCC

1）
脱分極性肺動脈収縮に対する松脂由来樹脂酸の薬理

β4サブユニット（NM_023960）

作用（+）
GTATTGGAAAGATGAGATC

ラット肺動脈平滑筋のリング標本を用いて、脱分極性（-）
CCTCCTGTTAGAGCAGTACA

収縮に対するピマル酸の効果を検討した。肺動脈平滑筋

電位依存性Ca2+チャネルの脱分極性収縮は、40 mM K+ Krebs溶液によって惹起α1Cサブユニット（NM_012517）

した。高K+誘発性収縮は、3 µMピマル酸では殆ど影響（+）
ACACCTCCTTCAGGAACCAC

されなかったが、10 µMピマル酸では僅かに抑制し、30（-）
GATCGCGCTGGACTGAATGµMピマル酸では有意に減弱した（図2A、C）。

α1Dサブユニット（NM_017298）

ピマル酸と構造的に類似した松脂由来樹脂酸であるア（+）
GTGCCCTGCTTGGAAACTAT

ビエチン酸の脱分極性収縮に対する効果をラット肺動脈（-）
AGTGAACGTCCACCTTAACTTC

平滑筋標本で検討した。 3 ~30 µMアビエチン酸は、高β1サブユニット（NM_017346）

K+誘発性の肺動脈平滑筋収縮に影響を与えなかった（図（+）
GGCCCCCATCATTGTTTACA

2B、C）。

（-）
CTCAATGTCCAAATAGCAGCCTC
β2サブユニット（NM_ 053851）

以上より、ピマル酸はラット肺動脈平滑筋の脱分極性
収縮を濃度依存的に抑制することが明らかになった。

― 32 ―

図 2 ．脱分極性肺動脈平滑筋収縮に対するピマル酸の阻害作
用ラット肺動脈平滑筋の脱分極性収縮に対する松脂由来
樹脂酸の効果を検討した。
（A）40 mM K +誘発性肺動脈
平滑筋収縮に対する 3 ~30 μMピマル酸の効果。
（B）
高K +誘発性肺動脈平滑筋収縮に対する 3 ~30 μMア
ビエチン酸の効果。
（C）脱分極性肺動脈平滑筋収縮に対する松脂由来樹脂酸の薬理作用（ 3 ~ 5 例 ）。
**p<0.01 vs. 0 μM。

図 3 ．アゴニスト性肺動脈平滑筋収縮に対するピマル酸の阻
害作用ラット肺動脈平滑筋のアゴニスト性収縮に対する松脂
由来樹脂酸の効果を検討した。
（A）10 nMエンドセリン-1（ET-1）誘発性肺動脈平滑筋収縮に対する30 μM
ピマル酸の効果。
（B）エンドセリン-1（ET-1）誘発性肺動脈平滑筋収縮に対する30 μMアビエチン酸の効
果。
（C）アゴニスト性肺動脈平滑筋収縮に対する松脂
由来樹脂酸の薬理作用（各 4 例）。*p<0.05 vs. 0 μM。

2 ）アゴニスト性肺動脈収縮に対する松脂由来樹脂酸の収縮に加えて、アゴニスト性収縮に対しても抑制効果を薬理作用示すことが明らかになった。

ラット肺動脈平滑筋のリング標本を用いて、アゴニス
3）肺 動脈平滑筋におけるBKCaチャネルと電位依存性

ト性収縮に対するピマル酸の効果を検討した。アゴニス
ト性の肺動脈平滑筋収縮は、肺循環機能に特徴的な内因Ca 2+チャネルのサブユニット発現解析

性血管収縮物質であるエンドセリン-1によって惹起しピマル酸によるラット肺動脈平滑筋収縮の抑制作用た。肺動脈平滑筋の10 nMエンドセリン-1による収縮は、は、ピマル酸のBKCaチャネル活性化作用と電位依存性

30 µMピマル酸によって有意に減弱した（図3A、C）。

Ca2+チャネル阻害作用を介したものであると推測されアビエチン酸のアゴニスト性収縮に対する効果をラッた。そのため、ラット肺動脈平滑筋におけるBKCaチャト肺動脈平滑筋標本で検討した。30 µMアビエチン酸は、

ネルと電位依存性Ca2+チャネルのサブユニット発現をリ

エンドセリン-1誘発性肺動脈平滑筋収縮に影響を与えな

アルタイムPCR法で解析した。

かった（図3B、C）。

BKCaチャネルのサブユニット（α、β1、β2、β3、以上より、ピマル酸はラット肺動脈平滑筋の脱分極性β4）発現解析の結果、ラット肺動脈平滑筋にはBKCaチャ― 33 ―

はα1C/β2/β3サブユニットで構成されることが示唆
された。
4 ．考察
本研究によって、ピマル酸がBKCaチャネル活性化作用と電位依存性Ca2+チャネル阻害作用を介して、ラット
肺動脈平滑筋の収縮を抑制することが明らかになった。
これまでに我々の研究室では、ピマル酸がBKCaチャ
ネルαサブユニットに作用して、BKCaチャネルを活性化することをHEK293細胞発現系で見出した［ 3 ］。ピマル酸によるBKCaチャネル活性化のメカニズムは、ピマル酸がBKCaチャネルのCa2+感受性と電位感受性を増加させた結果によると推測されている。同様の濃度域で、ピマル酸は電位依存性Ca2+チャネル（α1C/β3サブユニット）を阻害することもHEK293細胞発現系で見出した［ 4 ］。最近、ピマル酸が電位依存性K+チャネル（KV1.1、KV1.2、KV1.3、KV1.4、KV1.6、KV2.1）を活性化することも報告した［ 5 ］。
本研究では、ピマル酸がラット肺動脈平滑筋の脱分極およびアゴニスト刺激による収縮を抑制することを示した。これまでに、男性ホルモンであるデヒドロエピアン
図 4 ．肺動脈平滑筋BK Caチャネルと電位依存性Ca チャネルのサブユニット発現解析
ラ ット肺動脈平滑筋に発現するBK Caチャネルと電位依存性Ca 2+チャネルのサブユニットをリアルタイム
PCR法で解析した。
（A）ラット肺動脈平滑筋のBKCa
チャネルサブユニット（α、β1、β2、β3、β4）発現
解 析（n= 3 ）（。B）ラ ッ ト 肺 動 脈 平 滑 筋 の 電 位 依 存 性
Ca 2+チャネル（VDCC）サブユニット（α1C、α1D、β1、β2、β3、β4）発現解析（n= 3 ）。mRNA発現レベルは、
内因性β-アクチンの発現量で規格化した。
2+

ド ロ ス テ ロ ン（3β-hydroxy-5-androsten-17-one、DHEA）［ 6 ］や高度不飽和脂肪酸であるドコサヘキサエン酸（DHA）［ 7 ］が、BKCaチャネルの活性化によって肺動脈平滑筋を弛緩させることが報告されている。本研究
結果は、それらの化合物に加えて、松脂由来樹脂酸であるピマル酸もBKCaチャネル活性化を介して肺動脈平滑筋を弛緩させることを示している。
ピマル酸（ 8（14）,15-pimaradien-18-oic acid）とアビエ

ネルのαサブユニットとβ1サブユニットが高発現してチン酸（7,13-abietadien-18-oic acid）は構造的に類似していた（図4A）。一方、β2、β3、β4サブユニットの発現いるが、松脂由来樹脂酸にはピマル酸などのピマラン型

は、殆ど認められなかった。

構造とアビエチン酸などのアビエタン型構造がある。ピ

電位依存性Ca2+ チャネルのサブユニット（α1C、αマル酸とは異なり、アビエチン酸はラット肺動脈平滑筋

1D、β1、β2、β3、β4）発現解析の結果、ラット肺動の収縮作用に殆ど影響を示さなかった。この結果は、ピ脈 平 滑 筋 に は 電 位 依 存 性Ca2+チ ャ ネ ル の α1Cサ ブ ユ

マル酸がアビエチン酸よりもBKCaチャネルに高い親和

ニットとβ2サブユニットが高発現していた
（図4B）
。ま

性を有するという以前の報告［ 3 ］と一致する。この相た、β3サブユニットの発現も認められた。一方、α違には、ピマル酸とアビエチン酸のC13位の側鎖の違い

1D、β1、β4サブユニットの発現は殆ど検出されなかっが関与することが推測されている［ 3 ］。また、これまた。

でにアビエチン酸の電位依存性Ca2+チャネルに対する作

以上より、ラット肺動脈平滑筋のBKCaチャネルはα/

用は報告されていないが、本研究結果から、アビエチン

β1サブユニットで構成され、電位依存性Ca チャネル

酸はBKCaチャネルに加えて、電位依存性Ca2+チャネルの2+― 34 ―

活性にも殆ど影響しないことが示唆された。

肺動脈平滑筋弛緩効果からBKCaチャネル活性化成分をBKCaチャネルは、脱分極と細胞内Ca2+濃度増加によっ抽出するため、選択的BKCaチャネル阻害薬である1 µMて活性化される。BKCaチャネルの活性化は過分極を起パキシリン存在下で脱分極性およびアゴニスト性収縮のこすため、電位依存性Ca チャネルの活性を低下させる。

プロトコールを実施した。しかしながら、パキシリン存

その結果、細胞内Ca2+濃度は減少し、血管は弛緩する。

在下でもピマル酸による肺動脈平滑筋弛緩作用は、パキ

そのため、BKCaチャネルは血管収縮のネガティブフィー

シリン非存在下と同程度だった。血管平滑筋BKCaチャ

ドバック機構を担っていると考えられている。BKCaチャ

ネル活性は、電位依存性Ca2+チャネル活性と膜電位や細ネルは、イオン孔を形成する 4 個のαサブユニットとそ

胞内Ca2+濃度を介して機能的に強く連関している。パキの活性を修飾するβサブユニットおよびγサブユニット

シリンによるBKCaチャネルの阻害は脱分極を起こすたから構成される［ 8 ］。αサブユニットには、電位感受め、ピマル酸の電位依存性Ca2+チャネル阻害作用がパキ性領域（S0~S4）、イオン孔領域（S5~S6）、Ca2+結合領域

シリン非存在下よりも強くなったことが推察される。残（細胞内C末領域）が存在する。βサブユニットとγサブ

念ながら、本実験環境下では、ピマル酸による肺動脈平ユニットは、活性本体であるαサブユニットの機能を修滑筋弛緩機構におけるBKCaチャネル活性化作用と電位

飾し、Ca2+感受性、電位依存性、活性化、不活性化など

依存性Ca2+チャネル阻害作用のそれぞれの寄与を概算すを調節する。また、それらの修飾サブユニットは、組織ることはできなかった。

2+

特異的な発現制御にも関与する。本研究における発現解肺血管障害のような病態生理学的な環境下では、イオ

析の結果、ラット肺動脈平滑筋では、BKCaチャネルのンチャネルの発現機能変化によって持続的な脱分極や異α/β1サブユニットが主に発現していることが分かっ

常な細胞内Ca2+濃度増加が起こる。それらの病因は、た。この結果は、ヒト［ 9 、10］やラット［11］の肺動

肺血管の過収縮（攣縮）や肥厚・線維化（リモデリング）を脈平滑筋で報告されている結果と一致する。

引き起こし、肺循環機能を低下させる。そのような病態

血管平滑筋などの興奮性組織において、電位依存性の一つが、肺高血圧症である［ 1 、2 ］。肺高血圧症とは、Ca チャネルからのCa 流入は、収縮や弛緩、興奮収縮

様々な要因により慢性的に肺動脈圧が上昇する予後不良

連関などの生理的プロセスの開始点となる。電位依存性の疾患である。肺高血圧症治療ガイドラインでは、安静

Ca2+チャネルは、イオン孔を形成する 1 個のαサブユ

時の平均肺動脈圧が25 mmHg 以上の場合を肺高血圧症

ニットとその活性を修飾するβサブユニット、γサブユと定義している［15］。肺血管の攣縮やリモデリングに

ニット、α2/δサブユニットから構成される［12］。そ伴う内腔の狭窄は、肺動脈圧の持続的な上昇を起こす。

れらの修飾サブユニットは、活性本体であるαサブユ

その結果、右室に負荷がかかり、最終的には右心不全を

ニットの電気生理学的特性を変化させる。本研究での発起こす。肺高血圧症は、その病因により5 群に分類され現解析の結果、ラット肺動脈平滑筋の電位依存性Ca

2+る。臨床分類第 1 群は、肺血管での病変に起因する肺動チャネルとして、α1C/β2/β3サブユニットが主に発

脈性肺高血圧症（PAH）であり、最も典型的な臨床像を現していることが示された。ヒト肺動脈平滑筋での電位示す難病である（指定難病86）。第 2 群は左心性心疾患に依存性Ca チャネルはα1Cとβ2/β3サブユニットで構伴う肺高血圧症、第 3 群は肺疾患および／または低酸素成され［ 9 ］、マウス肺動脈平滑筋の電位依存性Ca2+チャ血症に伴う肺高血圧症、第 4 群は慢性血栓塞栓性肺高血

ネルはα1C/α1Dサブユニットで構成されていることが圧症（CTEPH；指定難病88）、第 5 群は詳細不明な多因知られている［13、14］。本研究成果は、ラット肺動脈

子のメカニズムに伴う肺高血圧症である。

2+

2+

2+

平滑筋の電位依存性Ca チャネルが、α1C/β2/β3サ

PAHの 5 年生存率は、約20年前は50%程度であった

ブユニットで構成されていることを示した初めての論文

が、PAH治療薬の開発によって、60~70%に改善されつである。

つある［15］。現在、エンドセリン受容体拮抗薬、プロ2+ピマル酸による肺動脈平滑筋の弛緩メカニズムを詳細

スタサイクリン（PGI2）製剤、ホスホジエステラーゼ 5 型に解析するため、BKCaチャネル活性化と電位依存性Ca2+（PDE5）阻害薬、可溶性グアニル酸シクラーゼ刺激薬、

チャネル阻害の寄与の割合の算出を試みた。ピマル酸のプロスタノイドIP（PGI2）受容体作動薬が、PAH 治療薬― 35 ―

6 ．謝辞本研究の遂行にあたり、研究助成を賜りました公益財
団法人松籟科学技術振興財団に厚く御礼申し上げます。
また、名古屋市立大学大学院薬学研究科細胞分子薬効解析学分野の石田昌さん（薬学科）と藤原萌園さん（博士課
程）、愛知医科大学医学部生理学講座の山村彩講師をはじめとする共同研究者の皆様に心より感謝申し上げます。
7 ．引用文献
1 ．山村寿男, 鈴木良明, 山村彩. 肺動脈性肺高血圧症におけるTRPC6チャネルの病態生理学的役割. 日薬理
図 5 ．ピマル酸による肺動脈平滑筋の弛緩メカニズム
ピ マル酸は、α/β1サブユニットで構成されるBK Ca
チャネルを活性化し、α1C/β2/β3サブユニットで構成される電位依存性Ca 2+チャネル（VDCC）を阻害す
る。BK Caチャネルは、脱分極と細胞内Ca 2+濃度の増加によって活性化する。BK Caチャネルの活性化は、過分極を介して電位依存性Ca 2+チャネルの活性を低下させ る。 こ の 両 作 用 に よ っ て、 肺 動 脈 平 滑 筋 細 胞（PASMC）が弛緩する。

誌, 155（4）：230-235（2020）.
2 ．山村彩. 肺高血圧症で発現変動するイオンチャネル.
日薬理誌, 148（5）：226-230（2016）.
3 ．I maizumi Y, Sakamoto K, Yamada A, Hotta A,
Ohya S, Muraki K, Uchiyama M, Ohwada T.
Molecular basis of pimarane compounds as novel
activators of large-conductance Ca2+-activated K+として用いられている。これらの薬剤の肺血管拡張作用

channelα-subunit. Mol Pharmacol, 62（4）：836-

によって、PAHの肺動脈攣縮が改善する。ただし、多846（2002）.

くのPAH症例では、単剤で十分な治療効果が得られな

4 ．S akamoto K, Nonomura T, Ohya S, Muraki K,

いため、作用機構の異なる 2 剤さらには 3 剤の治療薬をOhwada T, Imaizumi Y. Molecular mechanisms for

用いた併用療法が広く行われている。
しかし依然として、

large conductance Ca 2+-activated K + channel

PAHの根治治療には至っておらず、また既存薬に抵抗

activation

性の患者も多い。そのため、細胞内Ca 濃度の持続的な

12,14-dichlorodehydroabietic acid. J Pharmacol Exp

上昇を抑制するPAH治療薬の開発が期待されている。

Ther, 316（1）：144-153（2006）.

2+

by

a

novel

opener,

本研究成果であるピマル酸のイオンチャネル活性制御を

5 ．S akamoto K, Suzuki Y, Yamamura H, Ohya S,

介した肺動脈平滑筋弛緩作用は、新規PAH治療薬の標

Muraki K, Imaizumi Y. Molecular mechanisms的として、とても魅力的である。

underlying pimaric acid-induced modulation ofvoltage-gated K+ channels. J Pharmacol Sci, 133

5 ．結論

（4）
：223-231（2017）.

松脂由来樹脂酸であるピマル酸は、ラット肺動脈平滑6 ．Farrukh IS, Peng W, Orlinska U, Hoidal JR. Effect筋において、α/β1サブユニットで構成されるBKCaチャ

of dehydroepiandrosterone on hypoxic pulmonary

ネルを活性化し、α1C/β2/β3サブユニットで構成さ

vasoconstriction： a Ca 2+-activated K +-channel

れる電位依存性Ca2+チャネルを阻害する。この両作用が、

opener. Am J Physiol, 274（2）：L186-L195（1998）.

ラット肺動脈平滑筋の弛緩メカニズムに寄与していると

7 ．Nagaraj C, Tang B, Nagy BM, Papp R, Jain PP,

考えられる。イオンチャネルに作用する天然化合物の薬

Marsh LM, Meredith AL, Ghanim B, Klepetko W,

理研究は、PAHのような循環器・呼吸器疾患に対するKwapiszewska G, Weir EK, Olschewski H,

医薬品開発につながると考えられる。

Olschewski A. Docosahexaenoic acid causes rapid
pulmonary arterial relaxation via KCa channelmediated hyperpolarisation in pulmonary― 36 ―

hypertension. Eur Respir J, 48（ 4）：1127-1136

L-type Ca V1.2 calcium channels： from in vitro（2016）.

findings to in vivo function. Physiol Rev, 94（1）：8 ．L atorre R, Castillo K, Carrasquel-Ursulaez W,

303-326（2014）.

Sepulveda RV, Gonzalez-Nilo F, Gonzalez C,

13．K o EA, Wan J, Yamamura A, Zimnicka AM,

Alvarez O. Molecular determinants of BK channel

Yamamura H, Yoo HY, Tang H, Smith KA,

functional diversity and functioning. Physiol Rev,

Sundivakkam PC, Zeifman A, Ayon RJ, Makino A,

97（1）：39-87（2017）.

Yuan JX. Functional characterization of voltage-

9 ．Firth AL, Remillard CV, Platoshyn O, Fantozzi I,

dependent Ca 2+ channels in mouse pulmonary

Ko EA, Yuan JX. Functional ion channels inarterial smooth muscle cells： divergent effect ofhuman pulmonary artery smooth muscle cells：

ROS. Am J Physiol Cell Physiol, 304（ 11）：voltage-dependent cation channels. Pulm Circ, 1

C1042-C1052（2013）.

（1）：48-71（2011）.

14．Wan J, Yamamura A, Zimnicka AM, Voiriot G,

10．Babicheva A, Ayon RJ, Zhao T, Ek Vitorin JF,

Smith KA, Tang H, Ayon RJ, Choudhury MS, Ko

Pohl NM, Yamamura A, Yamamura H, Quinton

EA, Wang J, Wang C, Makino A, Yuan JX. Chronic

BA, Ba M, Wu L, Ravellette KS, Rahimi S,

hypoxia selectively enhances L- and T-type

Balistrieri F, Harrington A, Vanderpool RR,

voltage-dependent Ca 2+ channel activity in

Thistlethwaite PA, Makino A, Yuan JX.

pulmonary artery by upregulating Ca V1.2 andMicroRNA-mediated downregulation of K

CaV3.2. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 305+

channels in pulmonary arterial hypertension. Am J
Physiol Lung Cell Mol Physiol, 318（1）：L10-L26（2）：L154-L164（2013）.
15．福田恵一, 伊藤浩, 植田初江, 荻野均, 桑名正隆, 佐藤（2020）.

徹, 下川宏明, 瀧原圭子, 巽浩一郎, 伊達洋至, 土井庄

11．Detweiler ND, Song L, McClenahan SJ, Versluis

三郎, 西村正治, 波多野将, 福嶌敎偉, 福本義弘, 松原

RJ, Kharade SV, Kurten RC, Rhee SW, Rusch NJ.

広己, 百村伸一, 山田典一, 吉田俊治, 阿部弘太郎, 大BK channels in rat and human pulmonary smooth

郷剛, 小川愛子, 葛西隆敏, 片岡雅晴, 川上崇史, 小垣

muscle cells are BKα-b 1 functional complexes

滋豊, 杉村宏一郎, 田邉信宏, 辻野一三, 中村真潮, 中

lacking the oxygen-sensitive stress axis regulated

山智孝, 西崎真里, 八尾厚史. 肺高血圧症治療ガイド

exon insert. Pulm Circ, 6（4）：563-575（2016）.

ライン（2017年改訂版）（2018）.

12．Hofmann F, Flockerzi V, Kahl S, Wegener JW.

― 37 ―

申請者

北海道大学

谷口

透

植物のL型糖を活用するD体核酸-L体核酸の新規ヘテロ 2 本鎖の創製と構造機能評価
北海道大学

1 ．はじめに大学院先端生命科学研究院

谷口透

核酸は存在するのだろうか？この疑問については30年以生命を構成するほぼ全てのアミノ酸はL体、糖や核酸

上前から研究されており、D体とL体は相補的な 2 本鎖

（主鎖の糖部）はD体というように、単一のキラリティー

を通常の状態では形成しないことが実証されている［4］。

で構成されている。ホモキラリティーの起源の解明は科

我々はこのD体核酸-L体核酸ヘテロ 2 本鎖形成の難しさ

学者の究極の目標の一つであり、これまでキラルなアミ

は、らせんの巻き方向の不一致が原因であると考えた。

［1］
ノアルコールに関する硤合
（東京理科大学）の先駆的研そこで、高塩濃度下で逆巻きらせんを誘起する5-メチル

究を始め、アミノ酸の研究［2］も多数報告されてきた。まシチジン［5］（mC、原始生命との関連も示唆される一般的

た、キラルな分子が原始地球においてラセミ体で生成しなエピゲノム修飾塩基）を片方のオリゴヌクレオチドにたと仮定した場合、鏡像異性体同士がどのように相互作導入し、D体核酸とL体核酸のらせんの巻き方向を揃え用（cross-chiral相互作用）したのかについても興味が持ることによってヘテロ 2 本鎖を形成させることを試みた。

たれる。
遺伝情報や酵素活性を持つRNAが生命の起源である

2 ．L体メチルシチジンの合成というRNAワールド説に立脚すると、核酸のキラリ

オリゴ核酸の合成には、ホスホロアミダイトを有する

ティー研究は、生命起源により深く迫る知見を与えると核酸モノマーが必要である（Figure 2a）。D体モノマー

期待される（Figure 1）。2014年Joyceは、「自己の鏡像体は天然由来核酸から容易に合成される一方で、鏡像型のを合成するリボザイム」の創製に成功し、生命起源におL体モノマーの合成法は一部を除いて論文報告されていけるD体とL体の核酸によるクロストークの可能性を初ない。特に、L-メチルシチジンは新規分子である。我々めて示した［3］。我々は、逆のキラリティーを持つ核酸同は以前、植物由来のL-アラビノースを出発原料に用いる士の相互作用の可能性について、リボザイム活性ではな

L-リボヌクレオシドの合成に成功している［6］。本知見をく遺伝情報という視点から研究を進めている。D体の配元に各種L体の五炭糖を出発原料にL-メチルシチジンの列情報を認識し、相補的な 2 本鎖を形成するようなL体

ホスホロアミダイト核酸モノマーの合成を試みた。
1-chloro-2-deoxy-3,5-di-O-doluoyl-L-ribofuranosideと5-メ
チルシトシンによるグリコシル化は86%の収率で進行したものの、望むβ体がマイナー生成物となってしまった（Figure 2b）。これに対して、 3 位と 5 位をTIPDS基で環化させたL-デオキシリボースをグリコシル化ドナーとして用いることによってα側からの求核攻撃を立体反発によって制限し、β体を主生成物として入手することに成功した（Figure 2c）。シリル基をTBAFで脱保護後、ホスホロアミダイトを有する核酸モノマーへと変換した。

Figure 1. Structures of D- and L-nucleic acids.

― 38 ―

Figure 2. S ynthesis of unnatural L-methylcytidine
phosphoramidite.（a）Structure of L-methylcytidine
phosphoramidite.（b）Glycosidation using 3,5-ditoluoyl protected sugar.（c）Glycosidation using
3,5-TIPDS protected sugar.

3 ．L体mC含有オリゴヌクレオチドのCD測定
上記で得られた核酸モノマーを用いて、オリゴヌクレ
オチド各種を合成した。自己相補的なCG配列を有するD体オリゴヌクレオチド12merに、一つL体CあるいはFigure 3. CD measurement of L-C1 12mer and L-mC1 12mer
at varied concentrations of NaCl（0.5 M to 4.0 M）,
50 mM phosphate buffer（pH 7.0 at 25 ℃）,20 µM
strand concentration for all oligonucleotides.

Cを導入した場合の 2 本鎖の形成能とその構造についnm付近ならびに250 nm付近のピークが現れており、LてCDを用いて解析した。結果をFigure 3に示す。

体核酸を含んでいても相補的な 2 本鎖を組んでいると考m

通常のシトシンを用いたもの、メチルシトシンを用いえられる。また塩濃度の違いによる構造変化については

たものどちらにおいてもDNA2本鎖に特徴的な290 nm

m付近ならびに250 nm付近のピークが現れていることか

ング温度（Tm）を測定したところ、L-mC2 12merの方がら、L体核酸を含んでいても相補的な 2 本鎖を組んでい

L-C2 12merよりも高いTmを示したことから、L体mCにるこ と が 示 さ れ た。また、どちらの配列におい て もよるヘテロキラルな 2 本鎖形成の安定化を支持する結果

NaCl濃度3.0 Mで構造変化が起き始めているが、3.0M（橙となった。同様の実験結果は、別の配列でも得られてい色）のスペクトルを比較すると、L-mC1 12merの方が左る。

Cを導入したL-mC2 12merのみで起きていた。アニーリ

巻き（通常は右巻き）へ転移している割合が大きいと考え
4 ．D-Lヘテロ 2 本鎖られる。
次に同様の配列に二つL体CあるいはmCを導入した場

以上の実験より、L体を含む配列においても相補的な合の 2 本鎖の形成能とその構造についてもCDを用いて2 本鎖の形成が可能であり、mCによる構造変化の誘導解析した（図は割愛）。L体導入数を増やした配列においが確認できたことから、D-Lヘテロ 2 本鎖形成についてても、 Cの有無にかかわらずDNA2本鎖に特徴的な290

検 討 を 行 っ た。 非 対 称 配 列C-A2A12 12merま た はmC-

m

― 39 ―

4 ．まとめ本研究ではD体核酸とL体核酸がお互いの配列情報を認識し、cross-chiral相互作用しうるという可能性を初めて示した。本結果は生命起源における逆のキラリティー同士の相互作用の新たなモデルの構築に資するとともに、生体内ヌクレアーゼに耐性なL体核酸を用いた新たな核酸医薬の開発にも有用であると期待される。
5 ．謝辞
本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りました公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上げます。本研究は北海道大学大学院先端生命科学研究院
で行われたものであり、門出健次教授をはじめとする共同研究者の皆様に心より感謝申し上げます。
6 ．参考文献
1 ）S oai, K.； Shibata, T.； Morioka, H.； Choji, K.
Asymmetric autocatalysis and amplification ofenantiomeric excess of a chiral molecule. Nature
1995, 378, 767.
2 ）Breslow, R.； Levine, M.； Cheng, Z.-L. Imitating
Prebiotic Homochirality on Earth. Orig. Life Evol.
Figure 4. C D measurement D,L-heteroduplex at varied
concentrations of NaCl（0.5 M to 4.0 M）, 50 mM
phosphate buffer（pH 7.0 at 25 ℃）, 20 µM strand
concentration for all oligonucleotides.

Biosph. 2010, 40, 11.
3 ）Sczepanski, J. T.； Joyce, G. F. Cross-chiral RNA
polymerase ribozyme. Nature 2014, 515, 440.
4 ）A s h l e y , G . W . M o d e l i n g , S y n t h e s i s , a n d

A2A12 12mer（D体）とT1T11 12mer（L体）を合成し、両者

Hybridization Properties of（L）-Ribonucleic Acid.

を混合してCDを測定した（Figure 4）。C-A2A12 12merとJ. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 9731.

T1T11 12merを 混 合 し た 試 料 のCDカ ー ブ は、C-A2A125 ）W ang, S. et al. Systematic Investigations of

12merとT1T11 12merをそれぞれ別個に測定したCDカー

Different Cytosine Modifications on CpG

ブの和とほぼ等しいことから、 2 本鎖は形成されていな

Dinucleotide Sequences： The Effects on the B-Z

いことが示唆された。一方で、 C-A2A12 12merとT1T11

Transition. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 56.

12merを混合した試料のCDカーブは、個別に測定して6 ）Taniguchi, T.； Nakano, K.； Baba, R.； Monde, K.

得られたCDカーブの和とは顕著に異なる形状を示した。

Analysis of Configuration and Conformation of

以上のことより、mCの導入によってヘテロキラルな核

Furanose Ring in Carbohydrate and Nucleoside by酸同士が強固に相互作用するようになることを見出し

Vibrational Circular Dichroism. Org. Lett. 2017, 19,

た。ヘテロ 2 本鎖の詳細な構造については、予備的な

404.

m

MD計算を行ったのみであり、今後さらなる研究にてその三次元構造を解明したいと考えている。

― 40 ―

申請者

中央大学（現 産業技術総合研究所） 南

安規

植物由来フルフラールの新規効率変換反応の開発とπ電子共役系分子への合成的変換
産業技術総合研究所

触媒化学融合研究センター

南安規

1 ．研究背景と目的
フルフラール（図 1 ）はサトウキビの絞りかすやふすまなどの植物由来の原料から製造され、合成ゴムやナイロンを合成するためのアジピン酸の原料、潤滑油の精製などバルクケミカルとして利用されている。フランが優れた電子供与性を有していることを踏まえると、フルフラールへ直截的にπ電子共役系炭素骨格を精密に導入できる手法を確立できれば、現在、そして未来に求められる高付加価値有機材料分子を簡便に供給できるようになる。加えて、フルフラールの価値も高まるため、フルフ
ラールの製造から機能性材料の供給に至る新たな研究領

図 2 ．複素芳香族化合物のアルキンによるアルケニル化反応

域、物質生産法が生まれる。
有機化合物の炭素－水素結合（以下、C–H結合）を触ている二重触媒によるC–H結合のアルケニル化反応（図媒的に活性化・切断して、炭素官能基に直接変換する反2B）は4）、反応性を調製しやすい高活性ビニルパラジウ

応は、標的化合物を迅速に構築できる優れた有機合成手ム中間体を始めに発生させるため、穏和な条件下で実施法である。実際に、本手法をフルフラールに適用した例

することが可能なため、問題となるフルフラールとの反1,2）がいくつか知られている 。ところで、芳香族基質の応の制御を十分に達成できると期待される。したがって、

C–H結合の直截アルキンへ導入する付加反応は、π電子本二重触媒系はフルフラールを直截変換する合理的かつ共役系炭素骨格を廃棄物が量論量副生せずに合成できる唯一の手法と考えられる。このような観点から、申請者

優れた合成反応である。実際に、フラン誘導体のアルキはアルキンとパラジウム/カルボン酸協働触媒によるフ

ンによるアルケニル化はいくつか知られている3）。しかルフラールの位置選択的な新規直截アルケニル化反応をし、このアルケニル化反応をフルフラールに適用した例

開発した（図2C）。さらに、得られるアルケニル化生成

は、Hongらによって報告されたフルフラールを大過剰物を用いて高付加価値のπ電子共役系分子を供給する有に用いて、さらに有毒な一酸化炭素を用いる一例しかな

機合成手法の確立を目指し、生成物の脱水素型分子内環1）い（図2A）。反応性の高いホルミル基の取り扱いなど、

化反応を検証した。

フルフラールの反応性制御が困難であることが原因と考えられる。この本質的な問題に対して、申請者が見つけ2 ．結果と考察
検討の結果、期待どおりフルフラールのアルケニル化が進行した。 4 当量のフルフラールに対し、ジフェニル
アセチレンを、Pd（dba）2とトリシクロヘキシルホスフィ

図 １ ．フルフラール

ン、t-アミルカルボン酸触媒、ジオキサン中で100 ºCで― 41 ―

撹拌すると、α位C–H結合を選択的に切断して、アルケ

よびメチルフランの場合、通常の最適条件では全く反応

ニル化生成物のZ体を収率よく得た（式 1 ）。生成物の立が進行しなかったが、無溶媒条件下で行うと反応が進行

体構造は、NOESYなど各種NMRスペクトルの測定にし、対応するα位アルケニル化体が主に得られた。

よって同定した。反応時間を短くすると、シン付加生成

先に示した、 3 －フリルアルデヒドに対して過剰量の物が観測されることから、本反応はシン付加を経て系中アルキンを適用すると、両α位のアルケニル化が進行し、で異性化したことがわかる。過剰量に用いたフルフラー

対応する生成物の立体異性体の混合物として得られた

ルは反応後に回収できる。また、触媒量を少なくしても（式 2 ）。本成果は、フランを主鎖骨格に持つアリーレン

反応は問題なく進行した。本系の特徴として、本反応はビニレンポリマーの合成に向けた重要な成果である。

反応性が高く、触媒によりアルキンと反応しやすいホルミル基とは全く反応しなかった5）。

本反応の汎用性について検証した結果の例を図 3 に示

フルフラールの連続官能基化も可能である。まず、す。ビス（3-アニシル）を用いると、対応する付加生成物

ObleとPoliらが報告したフルフラールの 3 位変換反応をが得られる。立体的にバイアスのあるアルキンを用いる

利用し2f）、 3 位にアリール基を導入する。つづいて、本と、傘高いアリール基がα位に導入されたものが優先しアルケニル化によって、二置換フルフラールが得られるて得られる。
ケイ素と酸素を有するアルキンを用いると、（式 3 ）。本成果は、多くの官能基を有するフラン化合物

位置選択的に反応が進行し、対応するシス付加生成物をの合成に適している。

与えた。この場合、傘高いトリイソプロピルシリル基によって、異性化が抑制されたものと推察される。
フルフラール以外のいろいろなフラン類にも適用できる。 3 位にアルデヒドを有するフランを用いると、 2 位が選択的にアルケニル化される。これは、カルボニル基が配向基として作用したものと考えている。フラン、おつづいて、本研究計画に従い、フルフラールのホルミ
ル基のイミン形成を利用したβ位アルケニル化反応を検討した。当初の計画を基に、アルキルアミンを用いて系
中でイミンを形成し、パラジウム/カルボン酸触媒によってβ位C–H結合を切断する手法（式 4 ）、またGeらの報告を参考に6）、βアミノ酸を用いてパラジウムを隣接β位に接近させる方法（式 5 ）、また窒素や酸素の配位を受けやすいルテニウム触媒を使用するなど、数多くの検図 ３ ．フルフラールのαアルケニル化の例討を実施したが、標的β位アルケニル化生成物を満足に― 42 ―

得ることはできなかった。フランのα位C–H結合に対しを適用でき、対応する高次のフルフラール誘導体を一挙て、β位C–H結合の反応性が低いことが要因と考えていに構築できる。一方、β位のアルケニル化は容易ではなる。実際に、ポリエチレンフラノエートPEFの機能化をく、今後も開発を進める必要がある。加えて、本アルケ

視野に、2,5-ジエチルフランジカルボキシレートのβ位ニル化生成物のScholl反応を研究期間中で達成することアルケニル化を式 1 の条件を基に検証したが、この場合ができなかった。今後は、目的としていたフランを鍵骨も全く反応が進行しなかった。

格とする縮合芳香族炭化水素を構築する合成プロセスを完成させるべく、前述した反応の完成に向けて取り組みたい。なお、本研究の主課題であるαアルケニル化反応
はすでに論文発表を終えている7）。
4 ．謝辞
本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りました公益財団法人松籟科学技術振興財団に厚くお礼申し上げます。また、実験を担当してくれた宮本仁美氏に心から感謝申し上げます。

また、アルケニル化生成物のScholl反応による酸化的5 ．参考文献

閉環反応を検討した。式 6 に示す塩化鉄、DDQを用いる方法から、光照射下、エポキシドとヨウ素を用いる条（1） P. Hong, B.-R. Cho, H. Yamazaki, Chem. Lett. 1980,
507.

件など、数多くの検討を実施したが、いずれも目的生成物は得られなかった。粗生成物を調査したところ、原料（2）
 For selected examples, see a）T. Tsuchimoto, K.

のアルケニル化体は残存していなかった。すなわち、既Hatanaka, E. Shirakawa, Y. Kawakami, Chem.

知の閉環反応の条件下では、フラン骨格が耐えられない

Commun. 2003, 2454； b）N. A. B. Juwaini, J. K. P.

と考えられる。今後、より穏和な条件を探索し、実施す

Ng, J. Seayad, ACS Catal. 2012, 2, 1787； c）Y.

る必要がある。また、 3 －フリルアルデヒドのアルケニ

Shang, X. Jie, J. Zhou, P. Hu, S. Huang, W. Su,

ル化生成物のホルミル基とアルケニル基との酸による閉

Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 1299； d）X. Wu, J.

環反応も併せて検討したが、この場合も目的生成物が得

W. T. See, K. Xu, H. Hirao, J. Roger, J.-C. Hierso, J.

られなかった（式 7 ）。

Zhou, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 13573； e）C.
Pezzetta, L. F. Veiros, J. Oble, G. Poli, Chem. Eur.
J. 2017, 23, 8385； f）F. Siopa, V.-A. R. Cladera, C. A.
M. Afonso, J. Oble, G. Poli, Eur. J. Org. Chem.
2018, 6101.
（3） Several examples employing furan derivatives forthis alkenylation by alkynes were reported. a）A.
Gorgues, A. Simon, A. LE Coq, F. Corre,
Tetrahedron Lett. 1981, 22, 625； b）F. Kakiuchi, Y.
Yamamoto, N. Chatani, S. Murai, Chem. Lett. 1995,
681； c）D. J. Schipper, M. Hutchinson, K. Fagnou,

3 ．結論

J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6910； d）M. Min, D.

以上、パラジウム錯体とカルボン酸を触媒に用いるこKim, S. Hong, Chem. Commun. 2014, 50, 8028； e）とにより、フルフラールのアルキンによるα位アルケニ

C. S. Sevov, J. F. Hartwig, J. Am. Chem. Soc. 2014,

ル化反応の開発に成功した。本系はいろいろなアルキン

136, 10625； f）C. Wang, X. Xie, J. Liu, Y. Liu, Y. Li,― 43 ―

Chem. Eur. J. 2015, 21, 559； g）T. Morita, H.

（5）
 F or catalytic transformations involving theMorisaka, T. Satoh, M. Miura, Asian J. Org. Chem.

aldehyde group in furfural, see a）A. Herath, W. Li,

2018, 7, 1330.

J. Montgomery, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 469；

（4） a）Y. Minami, Y. Furuya, T. Kodama, T. Hiyama,b）A. Thirupathaiah, G. V. Rao, Indian J. Chem.

Chem. Lett. 2018, 47, 674； For related catalytic

2008, 47B, 1762； c）S. Hatanaka, Y. Obora, Y. Ishii,transformations, see： b）Y. Minami, M. Sakai, T.

Chem. Eur. J. 2010, 16, 1883； d）Q.-A. Chen, F. A.

Sakamaki, T. Hiyama, Chem. Asian J. 2017, 12,Cruz, V. M. Dong, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137,

2399； c）Y. Minami, Y. Noguchi, T. Hiyama, J.

3157.  

Am. Chem. Soc. 2017, 139, 14013； d）Y. Minami, T.

（6） B . Li, K. Seth, B. Niu, L. Pan, H. Yang, H. Ge,
Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3401.

Sakamaki, Y. Furuya, T. Hiyama, Chem. Lett. 2018,47, 1151； e）Y. Minami, Y. Furuya, T. Hiyama,（7）
 Y . M i n a m i , H . M i y a m o t o , Y . N a k a j i m a ,ChemCatChem 2021, 13, 855.

Chem. Eur. J. 2020, 26, 9471.

― 44 ―

申請者

大阪大学（現 名古屋市立大学） 雨夜

徹

n 型導電性高分子を指向したロタキサン型ポリアニリンの開発
名古屋市立大学

大学院理学研究科

雨夜

徹

1 ．背景と目的
導電性高分子は、有機エレクトロニクス産業において基盤となる重要な材料である。ホールを輸送するp型と電子を輸送するn型があるが、p型の導電性高分子のみが実用化されている。開発が遅れているn型導電性高分子材料が実用化すれば、太陽電池や有機ELにおける電Figure 1. ロタキサン構造で保護されたn型導電性ポリアニリン

子輸送層や有機熱電変換材料への応用が期待できるため、有機エレクトロニクス分野にブレークスルーをもたn型導電性ポリアニリンの安定性向上を目的とするロタらし得る。

キサン形成の報告例はこれまでない。

n型導電性高分子の開発が遅れている要因として、以このような背景の下、申請者らは、空気中（水・酸素）

下の 2 つが考えられる。 1 ）キャリア発生において、強で安定なn型導電性高分子を開発するために、塩基でn還元剤を必要とすること、 2 ）n型キャリアであるラジ型キャリアを発生させることができるポリアニリンを用

カルアニオン種の酸素や水への安定性が極めて低いこい、n型電荷キャリアを立体的に保護するためにロタキと。また、導電性もp型の導電性高分子に比べれば現状

サン構造を活用することを着想した。具体的には、ロタ

では非常に低い。

キサン構造の輪の部分にカチオン性部位を導入する。こ上記のように通常n型導電性高分子のキャリア発生は

れにより、不安定なラジカルアニオンを立体的に保護す還元剤で行うが、ポリアニリンは還元剤ではなく塩基でるだけでなく、輪の部分が対カチオンドーパントとしてn型キャリアを発生させることができる。具体的には、機能する（Figure 1）。本研究では、上記の戦略に基づく

ポリアニリンエメラルジン塩基をNaHで処理すること

ロタキサン形成について報告する。

で、ラジカルアニオン種が高分子鎖に非局在化しn型導電性が発現することをChenらが報告した［1］。山口らはn2 ．結果と考察

型導電性ポリアニリンを安定化させるために、主鎖にク

2 － 1 ．環 状カチオン種 1 の合成とn型ポリアニリンの発生

ラウンエーテル部位を有するポリアニリンを合成し、実際n型ドープされたポリアニリンの安定性が向上するこ

環状カチオン種として4,4’-ビピリジニウムを 2 対有すとを報告している 。また、Samuelsonらはカルボン酸

るテトラカチオン化合物 1（Figure 2）を用いることとしを主鎖に有するポリアニリンと 4 級アンモニウムカチオた。合成は既知法にしたがって行った［7］。

［2］ンの高分子を複合させた錯体に、塩基を加えてドープす

既知法を参考に［1］、ポリアニリン半酸化体をDMSO中ることで、n型導電性が発現できることを報告している［3］。

でNaHと反応させることにより、n型ポリアニリンを発ポリアニリンを軸とするロタキサン形成がいくつか報生させた。UV-vis-NIR吸収スペクトルをFigure 3に示す。

告されている。例えば、ククルビットウリル 、シクロ

近赤外域のポーラロンによる吸収帯は、n型電荷キャリ

デキストリン［5］、ピラーアレーン［6］などの環状化合物がアを有するポリアニリンの生成を示唆している。

［4］

ロタキサンの輪として用いられてきた。しかしながら、― 45 ―

Figure 2. ロタキサンの輪として用いるテトラカチオン化合物1

Figure 4. n型ポリアニリンと環状カチオン種 1 とのロタキサ
ン形成て化合物の包接を証明した例も報告されている［8］。
まず発光分子のみの発光強度を調査した。Figure 4に、ピラニンをNaHで処理したアニオン種の発光スペクト
ルを示す（赤色実線）。最大発光波長は517 nmであり、発光強度は1250であった。続いて包接錯体のみが溶液中に存在する場合において、その錯体が確かに発光しない
ことを確認した（緑色実線、発光波長517 nmにおいて発光強度が0.050）。確かに、ピラニンは包接されることで、
Figure 3. n型導電性ポリアニリンの吸収スペクトル

消光することが確認できた。ロタキサン形成を調べるために、この包接錯体とn型ポリアニリンとを混ぜ合わせ

2 － 2 ．n型ポリアニリンと環状カチオン種 1 とのロタ
キサン形成の検討

ると青色実線で示されるスペクトルになった。発光波長517 nmにおいて発光強度が385に回復していることか

ポリアニリンと環状カチオン種 1 のロタキサン形成を

ら、n型ポリアニリンのロタキサン形成が示唆され、テ検討した。ロタキサン形成の確認は、環状カチオン種 1

トラマーに対して0.70個の環状カチオン種 1 が含まれてに発光分子ピラニンを包接させておき、ロタキサン形成いると見積もられた。

が進行するとポリアニリンと発光性のピラニンが交換し、ピラニンが放出されるため、その放出されたピラニ

2 － 3 ．アニオン性置換基を有するポリアニリンと環状ンを定量する方法を用いて行った（Scheme 1）。ここで、

カチオン種 1 のロタキサン形成の検討

1 に包接されたピラニンは光誘起電子移動が生じるためポリアニリン骨格内にアニオン性置換基を有するポリ

消光していることが鍵となっている。類似の手法を用いアニリンを用いれば、環状カチオン種との静電相互作用
により、ロタキサン形成がより円滑に進行するのではな
いかと考えた（Figure 5）。アニオン性置換基を有するポ
リアニリンとしては、我々が開発したホスホン酸を有す
るポリアニリンであるPMAP［9］およびPMAPE［10］、に加え、スルホン酸を有するPMAS［11］とSPAN［12］を検討した（Table 1）。
発光分子であるピラニンを用いた発光スペクトル測定による方法にてアニオン性置換基を有するポリアニリンと環状カチオン種とのロタキサン形成を水溶液中で評価

Scheme 1. 発光性分子を活用するロタキサン形成の確認方法した。まず、発光分子であるピラニンならびに包接錯体― 46 ―

復が見られた。同様にホスホン酸を有するPMAPEでは
PMAPと比べてエチル基が含まれている分嵩高くなっているが、発光強度は98となり、それほど大きな差が無かった。一方、スルホン酸を有するPMASでは最も発光の回復が見られ、発光強度は407となった。このことから、アニオン部位としてホスホン酸よりもスルホン酸のほうがロタキサン形成しやすいことが示唆された。また、メ
トキシ基がなくスルホン酸を有するSPANではそれほど発光強度が回復せず、89であった。次にこれらの発光強度からテトラマー当たりのロタキサン個数を見積もった。その結果、最も発光強度の高いPMASは0.69個の環状カチオン種が含まれていると見積もられた。今後、塩基処理し、n型ドーピングを行う予定である。
Figure 5. ア ニオン性置換基を有するポリアニリンと環状カ
チオン種 1 のロタキサン

3 ．まとめ
以上のように、本研究では、安定なn型導電性高分子の発光スペクトル測定を行った。その結果、最大発光波の開発を目指し、n型ドープされたポリアニリンのロタ

長は513 nmであり、それぞれの発光強度は1726、10とキサン形成に取り組んだ。カチオン性の環状化合物を用なった。この結果から包接錯体を形成することで発光強いることで、ロタキサン形成が進行することを見出した。

度が170分の 1 程に小さくなることが分かった。次にこまた、アニオン性置換基を有するポリアニリンを用いたの包接錯体にアンモニア水で処理したアニオン性置換基

ところ、スルホン酸を有するPMASを用いた時に最もロを有するポリアニリンを添加し、発光スペクトルの測定

タキサンが形成された。今後、導電性や安定性を調査し、を行った。ホスホン酸を有するポリアニリンである

結果を分子設計に反映させていくことで、有用なn型導PMAPの場合の発光強度は137となり、わずかな発光回電性高分子を開発していきたい。

Table 1. アニオン性置換基を有するポリアニリンと環状カチオン種とのロタキサン形成（4.1 ×10 -4 mol/L in H 2O）― 47 ―

4 ．謝辞R. Langmuir 1999, 15, 910.

本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りまし［ 6 ］Ogoshi, T.； Hasagawa, Y.； Aoki, T.； Ishimori, Y.；た公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上Inagi, S.； T. Yamagishi. Macromolecules 2011, 44,

げます。本研究は大阪大学大学院工学研究科応用化学専

7639.

攻鳶巣研究室で行われたものです。鳶巣教授、畑井智裕［ 7 ］Odell, B.； Reddington, M. V.； Slawin, A. M. Z.；

氏ならびに本研究に関わる全ての皆さまに感謝申し上げ

Spencer, N.； Stoddart, J. F.； Williams, D. J.

ます。とりわけ日夜研究に励んでくれた畑井智裕氏のたAngew. Chem. Int. Ed. Engl., 1988, 27, 1547.
［ 8 ］Neelakandan, P. P.； Hariharan, M.； Ramaiah, D. J.

ゆまぬ努力に心よりの謝意を表します。

Am. Chem. Soc. 2006, 128, 11334.
5 ．参考文献［ 9 ］A maya, T.； Abe, Y.； Inada, Y.； Hirao, T.
Tetrahedron Lett. 2014, 55, 3976.

［ 1 ］H ua, M. Y.； Hwang, G. W.； Chuang, Y. H.；
Chen, S. A. Macromolecules. 2000, 33, 6235.

［10］Amaya, T.； Abe, Y.； Inada, Y.； Hirao, T. Synth.
Met. 2014, 195, 137.

［ 2 ］Yamaguchi, I.； Nagano T.； Tuan, L. V. Polymer.
2015, 73, 79.

［11］Shimizu, S.； Saitoh, T.； Uzawa, M.； Yuasa, M.；
Yano, K.； Maruyama, T.； Watanabe, K. Synth.

［ 3 ］Kim, S. C.； Sandman, D.； Kumar, J.； Bruno F. F.；

Met. 1997, 85, 1337.

Samuelson, L. A. Chem. Mater. 2006, 18, 2201.
［ 4 ］L iu, Y.； Shi, J.； Chen, Y.； Ke, C. F. Angew.

［12］Yue, J.； Gordon, G.； Epstein, A. J. Polymer 1992,

Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7293.

33, 4410.

［ 5 ］Yoshida, K.； Shimomura, T.； Ito, K.； Hayakawa,― 48 ―

申請者

山口大学

井方

美恵子

分子内にイオン性ユニットを有する有機材料の創成とエレクトロニクス素子への応用
山口大学

井方

1 ．研究背景と目的

工学部

美恵子

する必要が有る。このためOLEDに比べて有機層の厚膜

現代の情報化時代を担っているのは無機半導体であ化が可能となり、素子製造時の歩留まりを大きく向上さ

り、高集積化、高速化、低消費電力化が進んだ。21世紀

せ得ることが期待される。LECは発光性共役分子と電解に入り微細化工程における「物理的」な限界により無機質である無機塩の混合物から構成され、単層で厚膜化し半導体の技術革新も陰りが見えてきた。さらに新興国のても発光可能な素子であり次世代照明や表示素子として技術向上により日本国内の半導体産業は厳しい状況に置有望視されている1~7。本研究では発光材料として電気エ

かれており、新しい高付加価値をもつ製品開発が望まれ

ネ ル ギ ー を100%光 に 変 換 で き る 熱 活 性 型 遅 延 発 光ている。一方、有機材料を用いたフレキシブル素子は柔（TADF）特性を示すマレイミド系やフタルイミド系分

軟性に富み、軽量化や印刷技術により多品種少量製造が子を用いる8~11。特に同一分子内に発光部位とイオン性可能になり、多種多様のニーズにも対応できる。フレキ

部位を配置することで素子作製工程の簡素化が期待でき

シブル素子は持ち運びも容易で人体への適合性も高く、る。

体に貼りつける健康管理センサーなどの生体応用や糸や
2 ．N-置換マレイミド誘導体の合成

服にフレキシブル素子を装着することで行動範囲や生活の質の向上が図れる。

N-置換マレイミド誘導体を無水マレイン酸（MAn）

実用化されている有機EL素子（Organic Light-Emitting

を出発原料として合成した（Scheme 1）。MAnをアミノ

Diode： OLED）は 4 から10層の有機半導体の薄膜（輸送基による開環反応した後、閉環反応を経て、N-置換マレ層、電子輸送層、発光層等）を積層させ、電荷の印加にイミド誘導体（RMI）を合成した。RMIの 2 、 3 位を臭より発光する。この多層構造であるため、製造時におけ素化し、パラジウム触媒を用いての鈴木-宮浦カップリる工程の複雑・煩雑化、膜厚の制御が難しいなど、有機ング反応によりビフェニル基を導入し、N置換基を臭化ELの高価格、欠陥による歩留まりの低下、耐久性の低水素により臭素化を行い1-メチルイミダゾールを導入す

下など構造的な問題が生じ、普及の妨げの要因の一つとることで新規イオン性発光材料を合成した。

なっている。一方、原理的に単層構造でも発光する有機

本研究の最終合成物をChart 1に示す。N置換基にイ系発光素子の一種である発光電気化学セル（Light-オン特性を有するBBPhMImEMIとN置換基に異なるア

Emitting Electrochemical Cell： LEC）を新規に開発す

ルキル鎖長を有するBBPhHMI、BBPhDMIをそれぞれることを目的とした。

合成した。

LECは、正極と負極の間が発光層のみの単層で構成さ3 ．N-置換マレイミド誘導体の光学特性れている。LECでは、印加電圧によりイオンを電極方向に分極させ、局在化させることで素子中に電気二重層が3 種類のN-置換マレイミド誘導体のUV-vis測定と蛍形成され、この電気二重層によって生じた界面電場を利光測定をTHF溶媒にて行い、最大吸収波長（Amax）、最用することで素子の電気抵抗を減少させることができ

大蛍光波長（λmax）、蛍光量子収率（Φ）をTable 1に示しる。電気を流しやすくするために少量のイオン種を添加た。またFigure 1に（A）UV-vis吸収スペクトルおよび― 49 ―

Scheme1

SynthesisofN-substitutedmaleimidederivativeshavingionicpropertiesatN-substituent.
Table1 U
 V-vis absorption maxima, PL emission and PL
quantumyieldsofBBPhRMIa）
λmax（intensity）
ΦFa）
nm
（-）
（%）

Run

BBPhRMI

Amaxa）
nm

1

MImE

261.5,389.0

541
（46.5）

58.9

2

H

264.0,390.0

532
（515）

89.8

3

D

264.0,393.0

534
（534）

92.5

a）
Concentration：1.0x10-4mol/LinTHF.
Chart1

換基を変化させても蛍光波長に大きな影響はないと考え

N-Substitutedmaleimidederivatives.

られる。BBPhMImEMIの蛍光ピークは541nmであり、BBPhHMI、BBPhDMIは約7 nm程、短波長側にシフト（B）蛍光スペクトルを示した。
Table1に示したN-置換マレイミド誘導体について230した。さらに、イオン特性を付与したBBPhMImEMIは-310nm付近に類似した吸収ピークがみられた。これは蛍光強度と蛍光量子収率が大きく低下した。これはN置マレイミド環のオレフィン部位のπ-π*電子遷移に起因換基のメチルイミダゾールがマレイミドの電子吸引特性

するピークと考えられる。また、440-490nmに付近にを阻害したためと考えられる。また、蛍光量子収率は見られる吸収ピークは有効共役鎖長に起因するピークと

BBPhDMIが最も高い値で、92.5 %を示した。これは長考えられる。また蛍光波長はどの合成物も大きな変化が鎖アルキル基によって溶液中での分散性が向上し、濃度見られなかった。この結果からマレイミド誘導体はN-置消光による蛍光のロスが少ないことが要因であると思わ― 50 ―

Figure 1 （A）UV-vis and（B）PL spectra of N-substituted maleimide derivatives in THF（1.0 x 10-4 mol/L）.

Figure 2

Photographs of N-substituted maleimide derivatives in THF（1.0 x 10-4 mol/L）（Black light ： 365nm）.

れる。
Figure 2に各物質の可視光状態と近紫外線を照射した
ときの蛍光発光の写真を示した。この蛍光写真の結果からもビフェニル基を導入したマレイミド誘導体は明るい
黄色の蛍光発光を示した。
4 ．発光材料のLEC素子化と発光評価
4 ．1

発光材料を用いたLEC素子の作製合成した発光材料（BBPhRMI）を発光層に用いた。

Figure 3 Structure and fabrication of LEC using BBPhRMI.

回路パターンを施したITOガラスをアセトン、2-プロパ
ノールで10 分ずつ超音波洗浄し、オゾンクリーナーで

BBPhRMI / Al（100 nm）の構造のLEC素子を作製しUV洗浄を15分行った。BBPhRMI（10.0 mg）とイオン液

た。Figure 3にLEC素子構造図を示す。

体（P666（14）
NTf2）（0.1 mg）をクロロベンゼン（1 mL）
4 ．2に溶かし発光液を調製した。発光液を0.5 mLとり、スピ

発光材料を用いたLEC素子の評価

ンコーターで成膜した（500 rpm, 5 s → 800 rpm, 30 s）。

本実験では各合成物のLEC素子にした場合の発光とイ

アニーリングを100 で30 分間し、真空蒸着を行った。

オン液体の有無によって素子の発光にどのように差がで膜厚は上記に示す通りに成膜した。最後に薄膜全体をカきるのかを調査した。作製したEL素子に電圧を印加さバ ー ガ ラ ス とUV硬 化 剤 を 用 い て 封 止 し、ITO /せて発光性を確認した。Figure 4にBBPhRMIを発光層― 51 ―

液体を含まずとも発光が確認でき、イオン液体を加えた場合では他のイオン特性を有さない発光材料に比べて強い発光を示した。今後、同様の作製手順でデバイスを作製し、輝度、電流密度、外部量子効率のEL特性の調査を行う必要がある。
6 ．謝辞
本研究は、山口大学大学院 創成科学研究科 物質工学系専攻 応用化学領域 高分子化学研究室（主宰

鬼村謙二郎教授）にて行ったものです。鬼村教授をはじめ、高分子化学研究室の大学院生の皆様に感謝申し上げます。
公益財団法人松籟科学技術振興財団に多大なご支援を賜りました。深く感謝申し上げます。
7 ．参考文献1 ）Q . B. Pei, G. Yu, C. Zhang, Y. Yang and A. J.
Figure 4

Heeger,“Polymer Light-Emitting Electrochemical

EL emission from LEC devices using BBPhRMI.

Cells”, Science, 269, 1086-1088（1995）.
2 ）J . M. Leger ,“Organic Electronics： The Ionsに用いたLEC素子の発光写真を示す。

Have It”, Adv. Mater., 20, 837-841（2008）

Figure 4より発光材料のみで作製されたLEC素子においてイオン特性をN置換基に付与したBBPhMImEMIは3 ）S
 . Tang, J. Pan, H. Buchholz and L. Edman,“White

10 ~ 15 Vの電圧で黄白色の発光が確認できた。しかし、Light-Emitting Electrochemical Cell”, ACS Appl.

アルキル鎖のみを有しているBBPhHMI、BBPhDMIは

Mater. Interfaces, 3, 3384-3388（2011）.

発光を確認することができなかった。また、イオン液体

4 ）Z. Zhang , K. Guo, Y. Li , X. Li , G. Guan , H. Li , Y.

を加えたLEC素子は全て黄白色の発光が約8 ~ 16 Vの電Luo, F. Zhao , Q. Zhang, B. Wei, Q. Pei and H.

圧で確認できた。特にBBPhMImEMIに関してはひとき

Peng,“A colour-tunable, weavable fibre-shaped

わ強い発光が目視で確認できた。これは発光層内のイオ

polymer light-emitting electrochemical cell”,

ンの数が多いためより素子内の抵抗を低下させたと考え

Nature Photonics, 9, 233-238（2015）.
5 ）J . Liu, J. Wang, Z. Zhang, F. M.-Lopez, G.-J. N.

られる。この結果から発光材料にイオン特性を付与する

Wang, B. C. Schroeder, X. Yan, Y. Zeng, O. Zhao, H.

ことはLEC素子において有効であることを示唆した。

Tran, T. Lei, Y. Lu, Y.-X. Wang, J. B.-H. Tok, R.
5 ．結論

Dauskardt, J. W. Chung, Y. Yun and Z. Bao,“Fully

1 ）本研究で合成したマレイミド誘導体のUV-vis測定、

stretchable active-matrix organic light-emitting

蛍光測定、蛍光量子収率測定を行い、光学特性を調

electrochemical cell array”, Nature

査した。マレイミド誘導体では導入するN置換基にCommunications, 1, 3362（2020）.

よって蛍光波長に大きな影響を与えなかった。また6 ）K . Shanmugasundaram, M. S. Subeesh, C. D.

イオン特性を付与したBBPhMImEMIは、蛍光量子

Sunesh, R. K. Chitumalla, J. Jang, Y. Choe,

収率が他のマレイミド誘導体と比べて低い数値を記“Synthesis and photophysical characterization of

録した。N置換基にイミダゾリル基を有することでan ionic fluorine derivative for blue light-emitting

マレイミドの電子吸引特性を阻害したと考えられる。

electrochemical cells”, Org. Electron., 24, 297-302

2 ）BBPhMImEMIを発光層に用いたLEC素子はイオン― 52 ―（2015）.

7 ）P. Lundberg, E. Mattias Lindh, S. Tang and L.

donor-substituted phthalimide and maleimide

Edman, “Toward Efficient and Metal-Free

fluorophores”, Chem. Lett., 44, 1248-1250（2015）.

Emissive Devices： A Solution-Processed Host-

10）M . Nakamura, K. Yamabuki, T. Oishi and K.

Guest Light-Emitting Electrochemical Cell

Onimura,“Synthesis and fluorescent properties of

Featuring Thermally Activated Delayed

conjugated copolymers containing maleimide andFluorescence”, ACS Appl. Mater. Inter., 9, 28810-

fluorine units at the main chain”, J. Polym. Sci.,

28816（2017）.

Part A： Polym. Chem., 51, 4945-4956（2013）.

8 ）H. Uoyama, K. Goushi, K. Shizu, H. Nomura and C.

11）K . Onimura, M. Matsushima, M. Nakamura, T.

Adachi,“Highly efficient organic light-emitting

Tominaga, K. Yamabuki and T. Oishi,“Synthesis

diodes from delayed fluorescence”, Nature, 492,

and fluorescent properties of model compounds234-238（2012）.

for conjugated polymer containg maleimide units

9 ）M. E. Jang, T. Yasuda, J. Lee, S. Y. Lee and C.
Adachi,“Organic light-emitting diodes based on― 53 ―

at the main chain”, J. Polym. Sci., Part A：
Polym. Chem., 49, 3550-3558（2011）.

申請者

長崎大学

白川

誠司

石油原料の高度物質変換を実現する有機硫黄触媒の創製
長崎大学

大学院水産・環境科学総合研究科

白川誠司

1 ．研究の背景と目的
機能性材料や医薬品の設計では、分子の三次元構造を精密にデザインすることが重要である。このため、有機化合物の立体選択的合成手法の確立は、重要な研究課題
図 1 ．キラル二官能性有機硫黄触媒の合成として位置づけられてきた。中でも、触媒的不斉合成法
は、実用的手法が医薬品等の製造に利用され、確立された方法となりつつある。しかし、グリーン・サステイナ

2 ．キラル二官能性有機硫黄触媒の合成

ブルケミストリーの観点から眺めると、解決すべき問題

分子認識部位として水酸基を触媒骨格に組み込んだキがある。従来の触媒的不斉合成で用いる原料は、石油か

ラル二官能性有機硫黄触媒を新たに設計し、その合成をら得られた炭化水素から多段階合成により生産する。こ行なった。市販の光学活性BINOLを出発原料とし、数の原料合成において、多大なエネルギーを消費し、多量段階を経て合成した（図 1 ）。

の廃棄物を排出してしまう。すなわち、循環型社会の構築に向けた真に実用的な手法を確立するためには、この

3 ．不斉触媒能の検討

問題を克服しなければならない。本研究では、従来高立合成したキラル二官能性有機硫黄触媒の能力を確認す

体選択的不斉合成への適用が困難だと考えられてきた、るため、スチレン誘導体1aの不斉ブロモラクトン化を石油原料由来の単純なアルケンを出発原料とし、より直［5］モデル反応とし、検討を実施した（図 2 ）。キラル二官

截的な有用化合物の立体選択的合成手法の確立を目指

能性有機硫黄触媒（S）-3aを用い反応を実施した結果、良す。本目的を実現するための触媒として、硫黄元素の特好なエナンチオ選択性で目的の光学活性フタリド生成物性に着目した。光学活性有機硫黄触媒による試薬の活性2aが得られることがわかった。一方、分子認識部位と化を基盤とし、単純なアルケンの変換反応の開発を行して導入した水酸基を保護した触媒（S）-4を用い、同条

う［1］。

件下での反応を実施した場合、生成物2aのエナンチオ

アルケンの不斉面認識は、通常の触媒デザインでは困

選択性は大幅に低下する。これらの結果は、キラル二官

難であることが予想される。本研究では、光学活性有機

能性有機硫黄触媒における分子認識部位としての水酸基

硫黄触媒骨格に、分子認識部位を組み込んだキラル二官が、エナンチオ選択性の発現において極めて重要な役割

能性触媒を用いることで、反応中間体の構造および触媒を担っていることを示唆している。また、キラル二官能機能を精密に制御し、真に実用的な不斉合成法の確立を性有機硫黄触媒の硫黄上のアルキル置換基をかさ高くし目指す。本研究で開発するキラル二官能性有機硫黄触媒

た触媒（S）-3bおよび（S）-3cを用いることで、得られる生は、筆者らのこれまでのキラル触媒開発で得た知見を生成物のエナンチオ選択性はさらに向上し、高エナンチオ

かして設計されている［2］。筆者らの触媒設計における豊選択的に生成物2aが得られることが明らかになった。
本反応において予想される触媒サイクルを図 3 に示

富な経験と知識を生かすことで、これまでにない革新的
触媒反応系が構築できると考え研究を行なった［3,4］。

す。キラル二官能性有機硫黄触媒（S）-3bは、臭素化剤としてのN-ブロモフタルイミド（NBP）と反応し、ブロモ― 54 ―

スルホニウム塩中間体を形成する。この際生じたフタル
イミドアニオンは、水素結合を介して触媒（S）-3bの水酸基と相互作用し、その位置が固定される。ついで、スチレン誘導体基質 1 のアルケン部位がブロモスルホニウム
塩によって活性化される。同時に、基質 1 上のカルボン酸は、ブレンステッド塩基として働くフタルイミドアニ
オンにより活性化され、精密に組織化された中間体構造を形成する。その後、ラクトン化反応が立体選択的に進行し、目的の学活性フタリド生成物 2 を与える。また、
本反応における遷移状態構造をDFT計算により明らかにした。
4 ．光学活性フタリド合成最適化した不斉触媒反応系を用い、ブロモラクトン化を介した光学活性フタリド合成における基質一般性を検図 2 ．不斉触媒能の検討討した（図 4 ）。その結果、様々な置換機を有するフタリ

図 3 ．触媒サイクルと遷移状態構造

図 4 ．基質一般性の検討― 55 ―

7 ．参考文献［ 1 ］For reviews on chiral sulfide catalysts, see： a）V.
K. Aggarwal, Synlett 1998, 329–336； b）V. K.
Aggarwal, C. L. Winn, Acc. Chem. Res. 2004, 37,
611–620； c）E. M. McGarrigle, E. L. Myers, O.
Illa, M. A. Shaw, S. L. Riches, V. K. Aggarwal,
Chem. Rev. 2007, 107, 5841–5883； d）R. Gómez
Arrayás, J. C. Carretero, Chem. Commun. 2011,47, 2207–2211； e）J. Luo, X. Liu, X. Zhao, Synlett
2017, 28, 397–401.
［ 2 ］a）S. Shirakawa, K. Maruoka, Angew. Chem. Int.
Ed. 2013, 52, 4312–4348； Angew. Chem. 2013,
125, 4408–4445； b）S. Kaneko, Y. Kumatabara, S.
Shirakawa, Org. Biomol. Chem. 2016, 14, 5367–

図 5 ．変換反応の検討

5376； c）S. Liu, Y. Kumatabara, S. Shirakawa,
Green Chem. 2016, 18, 331–341； d）S. Shirakawa,

ド生成物が、良好なエナンチオ選択性で得られることがS. Liu, S. Kaneko, Chem. Asian J. 2016, 11, 330–

明らかになった。

341； e）T. Nakamura, K. Okuno, R. Nishiyori, S.

また、得られた光学活性フタリド生成物は、エナンチ

Shirakawa, Chem. Asian J. 2020, 15, 463–472.

オ選択性を損なうことなく、様々な誘導体へと変換可能［ 3 ］M . O k a d a , K . K a n e k o , M . Y a m a n a k a , S .
Shirakawa, Org. Biomol. Chem. 2019, 17, 3747–

であることも明らかにした（図 5 ）。

3751.
5 ．まとめ［ 4 ］a ）S. Liu, K. Maruoka, S. Shirakawa, Angew.

以上のように、本研究では独自に設計したキラル二官

Chem. Int. Ed. 2017, 56, 4819–4823； Angew.

能性有機硫黄触媒の創製と、アルケンの高立体選択的ブChem. 2017, 129, 4897–4901； b）R. Nishiyori, A.

ロモラクトン化反応への適用に成功した。
しかしながら、

Tsuchihashi, A. Mochizuki, K. Kaneko, M.

本触媒系をより単純なアルケンを用いた分子間反応に適

Yamanaka, S. Shirakawa, Chem. Eur. J. 2018, 24,

用した場合、満足いく結果は未だ得られていない。分子16747–16752； c）A. Tsuchihashi, S. Shirakawa,

間での高立体選択的反応を実現するには、さらなる触媒

Synlett 2019, 30, 1662–1666； d）T. Nakamura, K.

構造の最適化と、計算科学を利用した触媒反応の詳細なOkuno, K. Kaneko, M. Yamanaka, S. Shirakawa,

理解が必要であると考えている。今後は、開発に成功しOrg. Biomol. Chem. 2020, 18, 3367–3373； e）R.

た有機硫黄触媒反応系のさらなる展開と、より高度に分

Nishiyori, J. R. J. Maynard, S. Shirakawa, Asian J.

子認識可能な新奇高性能触媒の開発、また、実用的な単Org. Chem. 2020, 9, 192–196； f）K. Okuno, T.

純アルケンの高度物質変換反応への適用について検討を

Nakamura, S. Shirakawa, Asian J. Org. Chem.

進めていく。

2021, 10, 655–659； g）R. Nishiyori, M. Okada, J. R.
J. Maynard, S. Shirakawa, Asian J. Org. Chem.

6 ．謝辞

2021, 10, 1444–1448.

本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団からの［ 5 ］F o r r e v i e w s o n c a t a l y t i c a s y m m e t r i c

研究助成を受けて行われたものであり、ここに厚くお礼

halocyclizations, see： a）G. Chen, S. Ma, Angew.

申し上げます。

Chem. Int. Ed. 2010, 49, 8306–8308； Angew.
Chem. 2010, 122, 8484–8486； b）C. K. Tan, L.

― 56 ―

Zhou, Y.-Y. Yeung, Synlett 2011, 1335–1339； c）A.

Chem. 2014, 3, 366–376； j）Y. A. Cheng, W. Z.

Castellanos, S. P. Fletcher, Chem. Eur. J. 2011,

Yu, Y.-Y. Yeung, Org. Biomol. Chem. 2014, 12,

17, 5766–5776； d）S. E. Denmark, W. E. Kuester,

2333–2343； k） C. B. Tripathi, S. Mukherjee,

M. T. Burk, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51,

Synlett 2014, 25, 163–169； l）J. M. J. Nolsøe, T. V.

10938–10953； Angew. Chem. 2012, 124, 11098–

Hansen, Eur. J. Org. Chem. 2014, 3051–3065； m）

11113； e）U. Hennecke, Chem. Asian J. 2012, 7,

A. Sakakura, K. Ishihara, Chem. Rec. 2015, 15,456–465； f） C. K. Tan, Y.-Y. Yeung, Chem.

728–742； n）M. H. Gieuw, Z. Ke, Y.-Y. Yeung,

Commun. 2013, 49, 7985–7996； g）K. Murai, H.

Chem. Rec. 2017, 17, 287–311； o）J. Luo, X. Liu, X.

Fujioka, Heterocycles 2013, 87, 763–805； h）C. K.

Zhao, Synlett 2017, 28, 397–401； p）Y. Kawato, Y.

Tan, W. Z. Yu, Y.-Y. Yeung, Chirality 2014, 26,

Hamashima, Synlett 2018, 29, 1257–1271； q）R.

328–343； i）S. Zheng, C. M. Schienebeck, W.

Kristianslund, J. E. Tungen, T. V. Hansen, Org.

Zhang, H.-Y. Wang, W. Tang, Asian J. Org.

Biomol. Chem. 2019, 17, 3079–3092.

― 57 ―

申請者

国立医薬品食品衛生研究所

三澤隆史

細胞膜高透過性ペプチドの開発とその高次機能化
国立医薬品食品衛生研究所

有機化学部

三澤

隆史

新たな創薬カテゴリーとして核酸医薬や特殊環状ペプの細胞膜透過能との相関を検討した。その結果、L-Arg

チドなどの中分子創薬が注目を集めている。核酸医薬でか ら な るFAM-1［FAM-（L-Arg-L-Arg-Aib）
3-NH2］ はは、RNA干渉を利用した標的遺伝子のサイレンシング

L-ArgとD-Argか ら な るFAM-2［FAM-（L-Arg-D-Arg-

やゲノム編集技術を応用したがん治療に関する研究が広Aib）3-NH2］と比較して、安定なヘリカル構造を形成し、く行われ、その有効性が実証されてきた。しかし、核酸

高い膜透過能を示すことを明らかにした。このことからは高い水溶性から細胞内への導入が困難であり、その効

CPPsが膜透過能を発揮するためには、ヘリックス構造

果を発揮できないことが核酸創薬の大きな障壁となってを形成することが重要であることを明らかにしたいる。そのため、核酸を細胞内へ効率的に輸送するDDS（Figure 1）。しかしながら、アルギニン数の減少や分布技術の開発が急務である。そこで、近年膜透過性ペプチの変化により膜透過能がR9と比較して大きく低下した。

ド（Cell-penetrating peptides： CPPs）
が注目を集めてい

そこで、さらなる活性の向上を目指し、グアニジノ基をる。CPPsは細胞膜を透過するだけでなく、タンパク質有するジ置換アミノ酸を新たに合成し、オリゴアルギニ

や核酸などのカーゴ分子を細胞内に輸送することができンに導入したところ、安定なヘリカル構造の形成を誘導る。これまでに代表的なCPPsとしてオリゴアルギニン

すること、高い細胞膜透過性を示すこと、さらにはプラ（Rn）やHIV-1 Tatなどが知られ、これらの配列中にはカ

スミドDNAなどの効率的に細胞内に導入可能であるこチオン性アミノ酸であるアルギニンが多く含まれているとを明らかにした（Figure 2）。上記ペプチドが優れた細ことが明らかになっている。さらには、アルギニンのグ

胞膜透過性を示す一方でさらなる応用例としてRNA干

アニジノ基と細胞表面に存在する酸性基との相互作用が渉を示すsiRNAの細胞内導入を検討したが、上記ペプチ

膜透過能に重要であることが報告されている。上述

ドではsiRNAの細胞内デリバリーは達成できなかった。

の通り、CPPsの配列内アミノ酸側鎖の重要性が報告さその原因としては、非天然アミノ酸を導入した細胞膜透れる一方で、ペプチドの二次構造と膜透過能の相関性に

過性ペプチドは細胞内でも安定に存在し、siRNAと安定

関しては未だ不明な点が残されている。また、CPPsのな複合体を形成することで、その効果を発揮できない可生体応用を志向した場合、生体内酵素による分解など安能性が挙げられる。そこで、上記問題を解決するために定性に乏しいこと、特定の標的細胞のみに薬剤を届ける

はペプチド配列をそのままにペプチドの二次構造を安定ことができない（細胞選択性）などの問題点が挙げられ化する新たな構造制御法の開発が求められる。本研究成る。上記問題点を解決すべく、
当研究室ではこれまでに、

果報告では、新たなヘリカル構造制御手法による細胞膜

ペプチド配列中にα,α-ジ置換アミノ酸（dAAs： α,α

高透過性ペプチドの開発を行い、その応用に関する検討-disubstituted amino acids）を導入することでヘリカル

を述べる。

1）
, 2）

構造を安定化し、代謝酵素に対する耐性を獲得すること、

上記問題点を解決すべく、当研究室で見出したロイシ

生理活性が向上することを明らかにした。これらの知見

ンとAibからなるペプチドが安定なヘリカル構造を形成を活かし、不安定な二次構造を示すオリゴアルギニンにすることを明らかにしている。そこで、私は安定なヘリ対 し、 代 表 的 なdAAsで あ る2-aminoisobutyric acid

カ ル 構 造 を 形 成 す る ペ プ チ ド［1： H-（L-Leu-L-Leu-（Aib）を導入したペプチドをデザインし、二次構造とそAib）3-NH 2］をヘリカルプロモータとしてノナアルギニ― 58 ―

Figure 1.

二次構造の細胞膜透過性への効果

Figure 2.

これまでのCPPs研究概要

ンに連結することでノナアルギニン配列をそのままにヘびBlock5は208および222nm付近に負の吸収極大を示し、リカル構造を誘導し、細胞膜透過性を向上させることが安定なヘリカル構造を形成することを明らかにした。一できると考えた。安定なヘリカル構造を形成するペプチ方で、その他のペプチドはランダム構造を形成している

ド 1 をヘリカルプロモータとして、R9に連結したBlock

ことが明らかになり、R9にヘリカル構造を形成させるペプチドをデザイン・合成し、その細胞膜透過性およびためには、ヘリカルプロモータ配列を 3 回繰り返す必要

カーゴ分子の細胞内デリバリー効果について検討した。

があること、Aibが重要な役割を担っていることが明ら

まず、代表的なCPPsであるノナアルギニンに対し、様々かになった（Figurer 3）。次に、合成したペプチドのカーな長さのヘリカルプロモータ配列を連結したペプチド

ゴ分子の細胞内デリバリー能を評価した。具体的には、Block1-3、Block3と同じアミノ酸構成だが、配列をバラ

MCF-7細胞に対し、各ペプチドとsiRNAを共添加し、標バラにしたBlock4、ヘリカル構造に重要なAibをAlaに的タンパク質（XIAP）の細胞内発現量をウェスタンブ

置換したBlock5をデザイン・合成した。まず、CDスペ

ロット法を用いて定量的に評価した。siRNAを添加し、クトルを用いて、合成したペプチドの二次構造解析を

72時間後の発現量を評価したところ、Block3は有意に行った。その結果、水溶液中においても、Block3およ

細胞内の標的タンパク質量を減少させることが明らかに― 59 ―

Figure 3.

Blockペプチドの二次構造解析およびsiRNAデリバリー効果

Figure 4.

Block3によるsiRNAデリバリーにおける作用メカニズム解析なった。一方で、その他のペプチドでは標的タンパク質ており、魅力的な創薬標的であると考えられているが、の発現量減少は認められなかった。以上の結果から、ヘ

これまでに上市に至った小分子阻害剤はない。このようリカル構造を形成していること、アルギニンがブロックな標的に対し、核酸医薬品を用いた阻害剤さらには、細として存在することがデリバリー能に重要であることが胞内へ輸送するDDS技術の開発が求められている。そ示唆された（Figure 4）。

こで、変異型KRASに対するsiRNAをBlock3と共添加す次に優れたデリバリー効率を示したBlock3のデリバる事で変異型KRASの発現量を減少させるかを検討した。KRAS依存的に細胞増殖する事が知られているNCI-

リーメカニズム解析を行なった。
Block3が優れたカーゴ分子のデリバリー分子として716細胞に対し、Block3-siRNA複合体を添加し、発現量機能する事が示された。更なるBlock3の有用性を示す

および細胞増殖抑制活性をそれぞれ評価した。その結果、ため、医薬化学への応用を検討した。変異型KRASは細胞内KRASの発現量が減少し、発現量に応じて細胞増70%の固形ガンで恒常的に活性化している事が報告され殖も抑制する事が明らかになった（Figure 5 3））。

― 60 ―

Figure 5.

Block3による変異型KRASに対するsiRNAデリバリー6）。現在、その細胞膜透過性が低下した原因究明を行うとともにクリック反応を用いて生理活性物質を連結し細胞内に導入可能かについて検討を行っている。
まとめ
本助成研究では、ペプチドの二次構造を制御する新たな手法としてヘリカルプロモータ配列を連結することにより、ペプチド配列中に修飾を行うことなくヘリカル構
Figure 6.

造を維持できる事を明らかにした。また、本研究で見出ペプチドの細胞内取り込み量評価

したBlock3は細胞内にエンドサイトーシスを介して核
これまでにsiRNAを細胞内に効率的に輸送するペプチ酸分子を効率的に輸送可能である事、またエンドソーム

ドの開発に成功した。一方で、本ペプチドのさらなる拡から脱出する事でデリバリー分子の細胞質への輸送を可張性を求め、ペプチドのpost-modificationによる機能化能にした。さらに、これまでタフターゲットとして知らに着手した。これまでに、ペプチドの側鎖上にアジド基れている変異型KRASに対してsiRNAを導入する事でそを有するε-azidolysine（Azl）を導入した短鎖ペプチド2の発現量を減少させKRAS依存的な細胞増殖を抑制する［H-（L-Leu-L-Azl-Aib）（L-Azl-L-Azl3-NH2］ お よ び 3［H-ことが明らかになり、Block3の医薬化学への応用を示

Aib）3-NH2］をデザイン・合成した。ペプチド2, 3は安定した。また、Block3の拡張を目指し、post-modification

なヘリカル構造を形成していること、クリック反応を利を行う事でその高次機能化を目指しており、その分子の用したpost-modificationを行う事で、ヘリカル構造を維

最適化を行った。

持したまま多様な官能基・生理活性物質の導入が可能である事を報告した。そこで、Block3として使用したヘ

謝辞

リカルプロモータ配列としてペプチド 2 や 3 を導入する

本研究は、公益社団法人松籟科学技術振興財団からの事 で、Block3の 高 い 細 胞 内 デ リ バ リ ー 活 性 を 活 か し

研究助成を受けて行われたものであり、ここに厚く御礼

post-modificationを行う事で多様なカーゴ分子を細胞内申し上げます。

にデリバリー可能ではないかと考えた。まず、ペプチド
2 をノナアルギニンに連結したペプチド 4 ； H（L-Leu-

参考文献

L-Leu-Aib）3（Gly）
3（Arg）
9-NH2をデザインし、その細胞

1 ．Futaki et al. J. Biol. Chem. 2002, 277, 2437

膜透過性をフローサイトメトリを用いて評価した。その2 ．Wender et al. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 9506

結果、ペプチド 4 はBlock3と比較するとその細胞膜透

3 ．Chem. Commun. 2019, 55, 7792

過性が著しく低下することが明らかになった（Figure― 61 ―

申請者

広島大学

大山

陽介

D-π-A型蛍光性色素のメカノフルオロクロミズムの攻究
広島大学

大学院先進理工系科学研究科

大山陽介

Abstract
Donor–acceptor–π-conjugated （D–π–） 2A fluorescent dyes OUY-2, OUK-2 and OUJ-2 with two（diphenylamino）carbazole-thiophene units as D（electron-donating group）–π（π-conjugated bridge）moiety
and a pyridine, pyrazine or triazine ring as electron-withdrawing group（electron-accepting group； A）have
been designed and developed. The photophysical and electrochemical properties of the three dyes were
investigated by the photoabsorption and fluorescence spectroscopy, Lippert–Mataga plots, cyclic voltammetry
and density functional theory calculations. The photoabsorption maximum（

λabsmax）and the fluorescencemaximum（λflmax）for the intramolecular charge-transfer characteristic band of the（D–π–）2A fluorescent dyes
show bathochromic shift in the order of OUY-2 < OUK-2 < OUJ-2. Moreover, the photoabsorption bands of the（D–π–）2A fluorescent dyes are nearly independent of solvent polarity, while the fluorescence bands showedbathochromic shift with increasing solvent polarity（i.e., positive fluorescence solvatochromism）. The Lippert–
Mataga plots for OUY-2, OUK-2 and OUJ-2 indicate that the Δμ（= μe ‒ μg）value, which is the difference inthe dipole moment of the dye between the excited（μe）and the ground（μg）states, increases in the order of
OUY-2 < OUK-2 < OUJ-2. Therefore, the fact explains our findings that OUJ-2 shows large bathochromic shiftsof the fluorescence maxima in polar solvents, as well as the Stokes shift values of OUJ-2 in polar solvents aremuch larger than those in nonpolar solvents. The cyclic voltammetry of OUY-2, OUK-2 and OUJ-2
demonstrated that there is little difference in the HOMO energy level among the three dyes, but the LUMO
energy levels decrease in the order of OUY-2 > OUK-2 > OUJ-2. Consequently, this work reveals that for the（D–π–）2A fluorescent dyes OUY-2, OUK-2 and OUJ-2 the bathochromic shifts of λabsmax and λflmax and thelowering of the LUMO energy level are dependent on the electron-withdrawing ability of azine ring, which
increases in the order of OUY-2 < OUK-2 < OUJ-2. Moreover, it was found that the dye OUK-2 shows abathochromic shift-type mechanofluorochromism（MFC）： as-recrystallized OUK-2 exhibits a bathochromic shiftof fluorescent color by external mechanical stimuli, being accompanied by a reversion to the original fluorescentcolor by heating.
Introduction

zine and triazine linked by the π-conjugated bridges

Donor–acceptor–π-conjugated（D–π–A）dyes,

such as oligoene and heterocycles. Thus, the D–π–A

which are constructed of the electron-donatingdyes exhibit intense photoabsorption and fluores-group（D）such as a diphenyl- or dialkylamino groupcence emission properties based on the intramolecu-

and the electron-withdrawing   group（electron-ac-

lar charge transfer（ICT）excitation from the D moi-

cepting group； A）such as a nitro, cyano, and car-ety to the A moiety ［1-4］. Moreover, the D–π–A

boxyl group and a azine ring such as pyrizine, pyra-

structure possess a considerable structural charac-― 62 ―

teristics： the increase in the electron-donating andelectron-accepting abilities of D and A moieties andthe expansion of π conjugation, respectively, canlead to the decrease in the energy gap between the
HOMO and LUMO because the highest occupied
molecular orbital（HOMO）is localized over the π-conjugated system containing the D moiety, and thelowest unoccupied molecular orbital（LUMO）is localized over the A moiety. Thus, the photophysicaland electrochemical properties based on the ICT
characteristics of D–π–A dyes should be tunable byFig. 1

not only the electron-donating ability of D and the hemical structures of（D–π–）C
2A fluorescent dyes
OUY-2, OUK-2 and OUJ-2.

electron-accepting ability of A, but also the electronic characteristics of the π bridge. Consequently, theD–π–A dyes are of considerable practical concern
as a useful fluorescence sensor for cation, anion andneural species ［5-14］, an efficient emitter for organic
light emitting diodes（OLEDs）［15-24］, and a promising
photosensitizer for dye-sensitized solar cells（DSSCs）［25-34］.
Thus, in this work, to gain insight into photophysical and electrochemical properties of D–π–A fluorescent dyes with azine ring as electron-withdrawScheme 1

ing group, we have designed and synthesized（D–Synthesis of OUY-2, OUK-2 and OUJ-2.

π–）
2A fluorescent dyes OUY-2, OUK-2 and OUJ-2
with two（diphenylamino）carbazole-thiophene units

Results and Discussion

as the D–π moiety and a pyridine, pyrazine or tri-

Synthesis

azine ring as A moiety（Fig. 1）, although we have［2］,
The （D–π–）
2A fluorescent dyes OUY-2

already reported the synthesis of（D–π–）2A fluores-

OUK-2 ［3, 4］ and OUJ-2 were prepared by Stille cou-

cent dyes OUY-2 ［2］ and OUK-2 ［3, 4］ and their partial

pling of stannyl compound 1 ［3］ with 3,5-dibromopyri-

photopysical and electrochemical properties. An ad-dine, 2,6-diiodopyrazine, and 2,4-dichloro-1,3,5-triazine,

vantage of（D–π–）
2A fluorescent dyes over otherrespectively（Scheme 1）.

D–π–A fluorescent dyes is the broad and intense
photoabsorption spectral features. Herein, based on

Optical properties

photoabsorption and fluorescence spectroscopy, Lip-

The photoabsorption and fluorescence spectra ofpert–Mataga plots, cyclic voltammetry and density

OUY-2, OUK-2 and OUJ-2 in various solvents arefunctional theory（DFT）calculations, we reveal theshown in Fig. 2, and their optical data are summa-

photophysical and electrochemical properties of the

rized in Table 1. OUY-2, OUK-2 and OUJ-2 in tolu-（D–π–）2A fluorescent dyes OUY-2, OUK-2 andene as a non-polar solvent show the photoabsorption

OUJ-2. Moreover, we investigated the mechanofluo-

maximum（λabsmax）at 398 nm, 401 nm and 433

rochromism（MFC）of OUK-2.

nm, respectively, which is assigned to the ICT exci-― 63 ―

tation from the two（diphenylamino）carbazole-thiophene units as D–π moiety to a pyridine, pyrazine
or triazine ring as A moiety. Fo r OUK-2, the shoulder band was observed at around 430 nm. Thus, theICT-based photoabsorption band of the three dyes
appears at a longer wavelength region in the orderof OUY-2 < OUK-2 < OUJ-2, which is in agreementwith increase in the electron-withdrawing ability ofazine ring in the order of pyridyl group < pyrazyl
group < triazyl group. The photoabsorption spectraof the three dyes are nearly independent of solvent
polarity. This indicates that the electronic and structural characteristics of both the ground and Franck–
Condon（FC）excited states do not differ much witha change in solvent polarity. The molar extinction
coefficient（εmax）for the ICT band is ca. 100000 M‒1
cm‒1 for OUY-2, 75000 M‒1 cm‒1 for OUK-2 and 80000
M‒1 cm‒1 for OUJ-2. The corresponding fluorescencemaximum（λflmax）of the three dyes in toluene also
Fig. 2 （a）
Photoabsorption and（b）fluorescence（λex =ca. 400 nm）spectra of OUY-2 in various solvents.
（c）Photoabsorption and（d）fluorescence（λex =ca. 400 nm）spectra of OUK-2 in various solvents.
（e）Photoabsorption and（f）fluorescence（λex =ca. 430 nm）spectra of OUJ-2 in various solvents

appears at a longer wavelength region in the orderof OUY-2（453 nm）< OUK-2（480 nm）< OUJ-2（509nm）. Interestingly, in contrast to the photoabsorption spectra, the fluorescence spectra are strongly
dependent on solvent polarity, that is, the three dyes

Table 1 Optical data of OUY-2, OUK-2 and OUJ-2 in various solvents.
Dye
OUY-2

OUK-2

OUJ-2

Solvent

λabsmax［nm］（ε［M-1cm-1］） λflmax［nm］（Φf-solution）a

Brightness［M-1cm-1］

Stokes shift［cm-1］

Toluene398（91100）

453（0.38）

34600

3050

1,4-Dioxane

398（95800）

455（0.40）

38300

3147

Ethyl acetate394（98500）

480（0.39）

38400

4547

THF

397（100000）

485（0.58）

58000

4570

DMF

399（97500）

533（0.59）

57500

6300

Toluene401（74800）

480（0.48）

35900

4104

1,4-Dioxane

397（78300）

487（0.62）

48500

4655

Ethyl acetate

398（75800）

518（0.55）

41700

5820

THF

394（77400）

524（0.65）

50300

6296

DMF

399（73300）

588（0.14）

10200

8055

Toluene433（78500）

509（0.81）

63600

3448

1,4-Dioxane

430（85100）

525（0.86）

73200

4208

Ethyl acetate

428（80100）

568（0.72）

57700

5758

THF

433（81100）

576（0.72）

58400

5733

DMF

435（78900）

665（0.09）

7100

7950

Fluorescence quantum yields（Φf-solution）were determined by using a calibrated integrating sphere system（λex = 400 nm for
OUY-2, 400 nm for OUK-2, and 430 nm for OUJ-2, respectively）.

a― 64 ―

showed a bathochromic shift of the fluorescencewhereband with increasing solvent polarity from tolueneΔf =to DMF（i.e., positive fluorescence solvatochromism）. Thus, the Stokes shift（SS）values of the threeε – 1 – n2 – 1

2n2 + 12ε + 1（2）

dyes increase with increasing solvent polarity. Com-

Consequently, on the basis of eqns（1）and（2）,pared with OUY-2, OUK-2 and OUJ-2 exhibit signifi-

the change in dipole moment, Δμ = μe – μg, between

cant fluorescence solvatochromic properties, that is,

the ground（μg）and the excited（μe）states can eas-

the two dyes show a significant decrease in the fluo-

ily be evaluated from the slope of a plot of ν strescence quantum yield（ Φf）in polar solvent suchagainst Δf（the Lippert–Mataga plot）, where νst is

as DMF（Φf = 0.59, 0.14 and 0.09 for OUY-2, OUK-2

the Stokes shift（SS）（Table 1）, ε0 is the vacuum

and OUJ-2, respectively）, although in relatively low

permittivity, h is Planck’s constant, c is the velocity

polar solvents OUK-2 and OUJ-2 exhibit a higher Φfof light, a is the Onsager radius of the dye moleculevalue（0.48–0.65 and 0.72–0.86, respectively）than（7.81 Å, 7.99 Å and 7.91 Å for OUY-2, OUK-2 andOUY-2（Φf = 0.38–0.58）. For OUK-2 and OUJ-2, theOUJ-2, respectively, estimated from DFT calculation

large bathochromic shifts of the fluorescence band

, Δf is the orienat the B3LYP/6-31G（d,p）level ［47］）with a significant decrease in the Φf value in polar

tation polarizability, ε is the static dielectronic con-solvent such as DMF might be arising from thestant, and n is the refractive index of the solvent.

twisted intramolecular charge transfer（TICT）ex-

The Lippert–Mataga plots（Fig. 3）for the threecited state due to the twisting between the pyrazyl

dyes show high linearity, indicating that for theor triazyl group and the（diphenylamino）carba-

three dyes the solvent-dependent shift in the fluores-

zole-thiophene moiety, leading to non-radiative deac-

cence maximum is mainly attributed to the dipole–

tivation. On the other hand, it is worth mention-

dipole interactions between the dye molecule anding here that the brightness values（ε × Φf）for

the solvent molecule. The slopes（msl）became steep

OUY-2, OUK-2 and OUJ-2 in various solvents arein the order of OUY-2（10500 cm–1）< OUK-2（12200

fairly large（Table 1）. Thus, the fact indicates that

. The correlation coefficm–1）< OUJ-2（13700 cm–1）

the（D–π–）2A fluorescent dyes have advantageous

cient（R2）value for the calibration curve regarding［1］

characteristics as emitters for OLEDs and fluorescence probes for biological imaging.
It is well accepted that the dipole–dipole interactions between the fluorescent dye and the solvent
molecules are responsible for the solvent-dependent
shifts in the fluorescence maxima ［35-43］. Therefore, inorder to understand the fluorescence solvatochromisms of OUY-2, OUK-2 and OUJ-2, we have investigated the relationships between the solvent polarity-dependent shift of fluorescence maximum and thedipole moment of dye molecule on the basis of theFig. 3

Lippert–Mataga equation［eqn（1）］：［44-46］
νst =

1

4πε0

·

2Δμ2
hca3

Δf  +  Const.

（1）― 65 ―

 orrelation of the Stokes shift（νst）and the orientaCtion polarizability（ Δf）according to eqn（1）and（2）, respectively, for OUY-2, OUK-2 and OUJ-2；： toluene（2.38, 1.4969, 0.0132）,
solvent（ε, n, Δf）
1,4-dioxane（2.21, 1.4224, 0.0205）, ethyl acetate（6.02,
1.3724, 0.199）, THF（7.58, 1.4072, 0.2096）and DMF（36.71, 1.4305, 0.274）［4］.

the three dyes is 0.90 for OUY-2, 0.88 for OUK-2, and0.06. When the ground sample of OUK-2 was heated

0.89 for OUJ-2, which indicates good linearity. The

at 230 ºC（beyond the recrystallization temperatureΔμ values increase in the order of OUY-2（22 D）<, described later）, the colors and fluorescent col（Tc）

OUK-2（25 D）< OUJ-2（26 D）, which corresponds

ors of the dyes recovered to the original one. The

to the increase in the electron-withdrawing ability of

X-ray diffraction（XRD）patterns and differential

azine ring（pyridyl group < pyrazyl group < triazyl

scanning calorimetry（DSC）curves for OUK-2 be-group）. Consequently, the Lippert–Mataga plots ex-fore and after grinding of as-recrystallized dyes areplains our findings that OUJ-2 shows large ba-

shown in Figs. 4 and 5, respectively. The XRD mea-

thochromic shifts in its fluorescence maximum in po-

surements with as-recrystallized dye OUK-2 exhibit-

lar solvents, as well as the SS values for OUJ-2 in

ed diffraction peaks ascribable to well-defined micro-

polar solvents are much larger than those in nonpo-

crystalline structures. They almost disappeared after

lar solvents（Table 1）.

grinding, showing that the crystal lattice was significantly disrupted. The diffraction peaks of the ground

Mechanofluorochromism

dyes after being heated were quite similar to thoseFirst, in order to investigate the solid-state photo-

before grinding, suggestive of recovery of the micro-

physical properties of OUY-2, OUK-2 and OUJ-2, we

crystalline structure. The DSC analysis indicatedhave measured the solid-state fluorescence spectraof the solids. The λflmax of the as-recrystallized dyes
appears at 550 nm for OUY-2, 531 nm for OUK-2,
and 557 nm for OUJ-2, which showed a significant
bathochromic shift by 97 nm, 51 nm, and 48 nm, respectively, compared with those in toluene. The solid-state Φf-solution value is below 0.02 for OUY-2, 0.03
for OUK-2 and 0.09 for OUJ-2, which are much lower than those in toluene. It is well known that the Dπ-A fluorescent dyes show the bathochromic shiftof the λflmax and the lowering of the Φf-solution value
by changing from the solution state to the solidstate. The fact is attributed to the delocalization of
excitons or excimers due to the formation of intermolecularFig. 4 （a）
 Solid-state excitation and（b）fluorescence spectra of OUK-2 before（λex = 487 nm）and after（λex = 501 nm）grinding of as-recrystallized dye, andafter heating（λex = 487 nm）the ground solids at
230 ºC： insets show photographs of powder of
OUK-2 under（a）room light and（b）UV irradiation before（left）and after（middle）grinding, andafter（right）heating the ground solid.

π-π interactions ［48-51］ between the dyemolecules in the solid state, although we could notprepare single crystals of OUY-2, OUK-2 and OUJ-2
for the X-ray structural analysis.
Next, the MFC characteristics of OUK-2 was investigated according to the following procedure. By
grinding the as-recrystallized dye OUK-2 at a stressof 50–100 N/cm2 in a mortar with a pestle, the λexmax
and λflmax for OUK-2 show bathochromic shift by 14
nm and 27 nm. It is worth noting here that the Φ
f-solidvalue was enhanced by grinding from 0.03 to

Fig. 5 （a）

XRD patterns of OUK-2 and before and after
grinding, and after heating the ground solid.（b）DSC curves（s heating process with scan rate of 10ºC min-1）of OUK-2 after grinding.

― 66 ―

that the dye OUK-2 before grinding showed only

oxidation waves（Epaox）for the three dyes were ob-

one sharp endothermic peak associated with melting.

served at 0.42 V for OUY-2 and OUK-2 and 0.45 V

On the other hand, the ground solids underwent an（Tafor OUJ-2, vs. ferrocene/ferrocenium（Fc/Fc+）

endothermic glass transition（Tg）and then an exo-

ble 2）. The corresponding reduction waves（Epcox）

thermic recrystallization（Tc）before melting（Tm）.

appeared at 0.35 V for OUY-2 and OUK-2 and 0.36 V

The DSC traces of the ground powders are typicalfor OUJ-2, thus indicating that the three dyes un-of amorphous solids. Consequently, based on the

dergo an electrochemically stable oxidation–reduc-above experimental results, this study demonstrates

tion process. The HOMO energy level（‒ ［E1/2ox +that the MFC of the（D–π–）2A fluorescent dyes is4.8］eV）versus the vacuum level was estimatedattributed to a reversible switching between crystal-from the half-wave potential for the o xidation（E1/2oxline and amorphous states with changes of intermo-= 0.39 V for OUY-2 and OUK-2 and 0.40 V for OUJ-

lecular hydrogen bonding and π-π interaction be-

2）. Therefore, the HOMO energy level was ‒5.19 eVfore and after grinding.

for OUY-2 and OUK-2 and ‒5.20 eV for OUJ-2, respectively. The fact indicates that the three dyes

Electrochemical properties

have comparable HOMO energy levels. The LUMO

The electrochemical properties of OUY-2, OUK-2

energy level versus the vacuum level was evaluatedand OUJ-2 were investigated by cyclic voltammetry

from the E1/2ox and an intersection of photoabsorp-（CV）in DMF containing 0.1 M tetrabutylammonium

tion and fluorescence spectra（449 nm； 2.76 eV for

perchlorate（Bu4NClO4）. The cyclic voltammograms

OUY-2, 481 nm； 2.58 eV for OUK-2, 506 nm； 2.45 eVof the three dyes are shown in Fig. 6. The reversible

for OUJ-2）in DMF. Consequently, the LUMO energy level was   obtained through eqn =［HOMO +E0–0］eV, where E0–0 transition energy is the intersection of the photoabsorption and fluorescence
spectra corresponding to the optical energy gap between the HOMO and the LUMO. Thus, the LUMO
energy level versus the vacuum level lowers in theorder of OUY-2（‒2.43 eV）> OUK-2（‒2.61 eV）>
OUJ-2（‒2.75 eV）. This result demonstrates that increasing the electron-withdrawing ability of azine

Fig. 6

 yclic voltammograms of OUY-2, OUK-2 and OUJC
2 in DMF containing 0.1 M Bu4NClO4. The arrowdenotes the direction of the potential scan.

ring lowers the LUMO energy level of the（D–π–）
2

A fluorescent dyes. Consequently, the fact revealed

that the bathochromic shift of the ICT-based pho-Table 2 Electrochemical data, and HOMO and LUMO energy level of OUY-2, OUK-2 and OUJ-2.
Dyea
Epaox［V］a
Epcox［V］a
E1/2ox［V］b
HOMO［eV］

c
LUMO［eV］

d
E0–0［eV］

OUY-2

0.42

0.35

0.39

‒5.19

‒2.43

2.76 eV

OUK-2

0.42

0.35

0.39

‒5.19

‒2.61

2.58 eV

OUJ-2

0.45

0.36

0.40

‒5.20

‒2.75

2.45 eVThe anodic peak（Epaox）, the cathodic peak（Epcox）and the half-wave（E1/2ox）potentials for oxidation vs. Fc/Fc+ were recorded in DMF/Bu4NClO4（0.1M）solution. bthe HOMO energy level（‒ ［Eox1/2 + 4.8］eV）versus the vacuum level was evaluatedfrom the E1/2ox for oxidation. cthe LUMO energy level versus the vacuum level was evaluated from the HOMO and the opticalenergy gap（E0–0）, that is, the LUMO energy level was obtained through eqn =［HOMO + E0–0］eV. dThe optical energy gap（E0–0）was determined from the intersection of photoabsorption and fluorescence spectra in DMF.
a

― 67 ―

toabsorption band in the order of OUY-2 < OUK-2 <energy level of the three dyes is remarkably similar

OUJ-2 is attributed to the stabilization of the LUMO

to each other（‒4.80 eV, ‒4.78 eV and ‒4.84 eV forenergy level due to the increase in the electron-with-

OUY-2, OUK-2 and OUJ-2, respectively）, and thedrawing ability of azine ring in the order of pyridyl

LUMO energy level is lowered in the order of OUY-

group < pyrazyl group < triazyl group, resulting in

2（‒1.56 eV）> OUK-2（‒1.76 eV）> OUJ-2（‒1.98

a decrease in the energy gap between the HOMOeV）
, which are in good agreement with the experi-

and the LUMO.

mental results from the photoabsorption and fluorescence spectral analyses（Fig. 2）and the cyclic vol-Theoretical calculations

tammetry（Fig. 7）. Thus, the experimental results

In order to examine the HOMO and LUMO distri-and the DFT calculation strongly demonstrated thatbutions of OUY-2, OUK-2 and OUJ-2, the molecular

the bathochromic shift of the ICT-based photoab-

structures and the molecular orbitals of the threesorption band in the order of OUY-2 < OUK-2 <dyes were calculated using the DFT at the B3LY-

OUJ-2 is attributed to stabilization of the LUMO en-

P/6-31G（d,p）level ［47］. The result of the DFT calcu-

ergy level due to the increase in the electron-with-lation for the three dyes indicated that the HOMO isdrawing ability of azine ring in the order of pyridyl

mostly localized on the two（diphenylamino）carba-

group < pyrazyl group < triazyl group.

zole moieties containing the thiophene ring and the
LUMO is mostly localized on the thienylpyridine

Conclusion

moiety for OUY-2, the thienylpyrazine moiety for

To gain insight into photophysical and electro-

OUK-2 and the thienyltriazine moiety for OUJ-2

chemical properties of D–π–A fluorescent dyes with

（Fig. 6）. Accordingly, the DFT calculations reveal

azine ring as electron-withdrawing group, we havethat the photoexcitation of OUY-2, OUK-2 and OUJ-

designed and synthesized a new type of（D–π–）
2A

2 induces the ICT from the two（diphenylamino）

fluorescent dyes OUY-2, OUK-2 and OUJ-2 with two

carbazole moieties to each azine ring. The HOMO

（diphenylamino）carbazole-thiophene units as the D

Fig. 7

 nergy level diagram, HOMO and LUMO of OUY-2, OUK-2 and OUJ-2, derived from the DFT calculations at B3LYE
P/6-31G（d,p）level. Numbers in parentheses are the experimental values.

― 68 ―

（electron-donating group）–π（π-conjugated bridge）

Experimental

moiety and a pyridine, pyrazine or triazine ring as

General methods

the electron-withdrawing  group（electron-accepting

Melting points were measured with a Yanaco mi-group； A）, and their photophysical and electrochem-

cro melting point apparatus MP model. FT-IR spec-

ical properties were investigated. It was found thattra were recorded on a SHIMADZU IRAffinity-1

the intramolecular charge-transfer（ICT）-based pho-

spectrometer by ATR method. High-resolution mass

toabsorption and fluorescence bands of the three

spectral data were acquired on a Thermo Fisher

dyes appear at a longer wavelength region in the or-

Scientific LTQ Orbitrap XL. 1H NMR and 13C NMR

der of OUY-2 < OUK-2 < OUJ-2. This results is due

spectra were recorded on a Varian-400（400 MHz）

to the increase in the electron-withdrawing ability of

FT NMR spectrometer. Photobsorption spectra wereazine ring in the order of pyridyl group < pyrazyl

observed with a HITACHI U-2910 spectrophotome-group < triazyl group. Moreover, the（D–π–）2A flu-

ter, and fluorescence spectra were measured with aorescent dyes showed a large bathochromic shift of

HORIBA FluoroMax-4 spectrofluorometer. The fluo-

fluorescence maxima with increasing solvent polari-rescence quantum yields in solution were deter-ty（i.e., positive fluorescence solvatochromism）. The

mined by a HORIBA FluoroMax-4 spectrofluorome-

Lippert–Mataga plots revealed that the difference inter by using a calibrated integrating sphere system.

the dipole moment of dye between the excited state

Cyclic voltammetry（CV）curves were recorded inand the ground state increases in the order of OUY-DMF/Bu4NClO4（0.1 M）solution with a three-elec-

2 < OUK-2 < OUJ-2. Thus, the fact explains ourtrode system consisting of Ag/Ag + as reference

findings that OUJ-2 shows the large bathochromic

electrode, Pt plate as working electrode, and Pt wire

shifts of fluorescence maxima in polar solvents, as

as counter electrode by using a Electrochemical

well as the Stokes shift values for OUJ-2 in polar

Measurement System HZ-7000（HOKUTO DENKO）.

solvents are much larger than those in nonpolar solvents. The cyclic voltammetry and the DFT calcula-Synthesis

tions demonstrated that the HOMO energy level of（D-π-）2A fluorescent dyes OUY-2 ［2］, OUK-2 ［3］the three dyes is remarkably similar to each other,and OUJ-2 were prepared by Stille coupling of stan-but the LUMO energy level is lowered in the order

nyl compound 1 ［3］ with 3,5-dibromopyridine,of OUY-2 > OUK-2 > OUJ-2, showing that increas-

2,6-diiodopyrazine, and 2,4-dichloro-1,3,5-triazine, re-ing the electron-withdrawing ability of azine ring

spectively, by using Pd（PPh3）4 as a catalyst in tolu-

lowers the LUMO energy level of the（D–π–）2A flu-ene at 110 ºC under an argon atmosphere（Scheme

orescent dyes. Consequently, this work reveals that1）.

for the（D–π–）2A fluorescent dyes OUY-2, OUK-2
and OUJ-2, the bathochromic shift of photoabsorp-

Acknowledgementstion and fluorescence maxima and the lowering ofThis work was supported by a Grant-in-Aid for

LUMO energy level are dependent on the elec-

Scientific Research on Innovative Areas“Soft Crys-tron-withdrawing ability of azine ring which increas-tals”（No. 2903）（JSPS KAKENHI Grant No.

es in the order of OUY-2 < OUK-2 < OUJ-2.

18H04520）and for Scientific Research（B）（JSPS
KAKENHI Grant No. 19H02754）, and by Shorai
Foundation for Science and Technology.

― 69 ―

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― 71 ―

申請者

名古屋工業大学

松岡真一

化石燃料余剰資源を原料としたシクロオレフィン高分子の合成
名古屋工業大学

1 ．研究背景と目的

大学院工学研究科

松岡

真一

は飽和炭化水素系の高分子で主鎖に脂環式骨格を持つも高分子化合物は、我々の身近な生活用品から、極めてのの総称である。一般的にはノルボルネンの配位共重合

高度な性能を発揮する高機能性樹脂に至るまで、我々のや開環メタセシス重合9, 10により合成される。これらの生活を豊かにする基盤的な有機材料である。それらの原ポリマーは吸水性が非常に低いなどの特性を有するが、料は石油由来であり、有限な石油を効率よく利用する必

一方で接着性や密着性、混和性には優れない。加えて、要がある。近年、学術界を中心にバイオマス資源を利用

耐熱性のさらなる向上も要求され、配位重合においてはすることが検討されているが、食物との競合、森林伐採、

ノルボルネンユニットを減らしても同等以上の性能を発原料自体が高額であるという理由から、それらの応用は現させることが求められている。以上の観点から、ポリ

限定的にならざるをえない。そこで我々は、石油精製のノルボルネンの構造に更なる環状構造とPMMAと同様際に副生して、化学原料として利用されていない、いわにエステル官能基を導入した構造が、耐熱性を格段に向

ゆる未利用化学資源に着目している。

上させることができ、吸湿性、透明性、接着性、密着性、

石油化学工業のナフサの熱分解において、エチレン、混和性などの諸物性を高いレベルで融合した透明樹脂材

プロピレンなどに加え、不飽和炭化水素を含む分解油分料となりえる。そこで今回、ノルボルネン骨格に環状エが副生する。そのうち炭素数 5 個のC5留分は室温で液ステル構造が縮環したモノマーであるノルボルネンラク

体として存在し取り扱いやすい化学資源である。その中トン（NBL）に着目し、その重合反応を調査し、得られでシクロペンタジエン（CPD）は有効な大量消費の用途

たポリマーの水素化反応により新規シクロオレフィンポ

がなく、残念ながら多くが燃料として利用されていリマーを合成した。さらに得られたポリマー（H-poly

る 。CPDは 容 易 に 二 量 化 し ジ シ ク ロ ペ ン タ ジ エ ン（NBL））の溶解性、耐熱性、構造の物性評価を行った。

1-4（DCPD）として存在する。すなわち、CPDやDCPDを原
2 ．結果と考察料として有用な高分子材料を創製することは、化学資源を有効利用するという観点から、非常に重要な課題であDCPDと無水マレイン酸から対応する酸無水物を合成る。そこで我々はCPDの環状構造に着目し、次世代のし、それをNaBH4により還元することによりモノマーで高耐熱性透明樹脂材料に適用できるような、新たな高分あるendo-NBLおよびexo-NBLを合成した（Scheme 1）。

子合成プロセスを提案する。

第 3 世代Grubbs触媒（G3）を用い塩化メチレン中にて、

ポリメタクリル酸メチル（PMMA）
は汎用樹脂の中で、

endo-NBLは室温にて、exo-NBLは－20 °Cと比較的低温

光学ガラスと同等以上の極めて優れた透明性を持ち、硬にて重合を行うことにより、Mw/Mnが1.1以下のポリマー

度や耐久性、成形性などにも優れるため、多くの精密成が得られた。重合後にさらにモノマーを添加したところ、型レンズに用いられている。しかし欠点として、吸湿性

SEC曲線が狭い分子量分布を保ったまま高分子量側にシが高いこと、耐熱性が十分でないことが挙げられ、高温

フトしたことから重合がリビング的に進行することが分多湿条件での高精度な用途へ適用することができていなかった（Figure 1）。exo-NBLの場合、室温や0 °Cにおいい。それらの欠点を補うことができるのが、シクロオレては重合末端の失活が観察されたことから（Figure 1

フィンポリマー である。シクロオレフィンポリマーと（b）（c））、重合末端はendo-NBL の方が安定であること

5-8― 72 ―

が 分 か っ た。 ま た、poly（endo-NBL）末 端 にexo-NBLを添加しても、poly（exo-NBL）末端にendo-NBLを添加しても、両者から成るブロック共重合体の合成が可能であった。
両モノマーの重合速度を－20 °Cにて比較したところ、exo-NBLの方が約40倍高かった（Figure 2（a）（d））
。
また、両モノマーを混合して重合することでグラジエン
ト共重合体の合成も可能となった。この際にもモノマー
消費速度はexo-NBLの方が約 2 倍高かった（Figure 2
（b）
（c）
）
。以上のことからendo-NBL の低い重合速度は、
endo-NBLがRu触媒に配位した際の遷移状態における立体障害（ モ ノ マ ー の 反 応 性 に 由 来 す る 効 果 ）と、poly
Scheme 1. endo-およびexo-NBLの合成、開環メタセシス重合と引き続く水素化反応による新規シクロオレ
フィンポリマーの合成（endo-NBL）の重合末端におけるエステルカルボニル酸
素のRuへの分子内配位の二つの影響によると考えられる（Figure 3）。
また、endo-およびexo-NBLと炭化水素系モノマーとの共重合を検討したところ、exo-NBLとendo-テトラシクロドデセン（endo-anti-TCD）とはモノマー消費速度がほぼ等しく、ランダム共重合体が得られた（Scheme 2）。

Figure 2. 各モノマーの重合速度：（a）exo-NBLの単独重合、（b）endo-NBLと exo-NBLの 共 重 合 に お け るexoNBLの消費速度、（c）  endo-NBLと exo-NBLの共重合におけるendo-NBLの消費速度、（d）endo-NBLの単独重合

Figure 1. SEC曲線

Figure 3. endo-NBLの開環メタセシス重合における（a）6員環キレート配位と、（b）
立体障害― 73 ―

単一で観察され、両成分が混和していることを示している。水素化反応前後とも、exo体に比べendo体のTgが50°Cほど高くなった。これはイス型構造を有するendo体の方がやや立体的にかさ高く主鎖の運動性をより低下させるためと考えられる。WAXD測定からH-poly（endoNBL）、H-poly（exo-NBL）ともに2θ = 13-21°に幅広いピークが観察され、アモルファスであることが分かる。
また、両ポリマーともにDCMなどのハロゲン系溶媒やDMFなどの非プロトン性溶媒に良好な溶解性を示した。
Scheme 2. exo-NBLとendo-anti-TCDとの共重合以上のことからH-poly（endo-NBL）、H-poly（exo-NBL）
は新たなCOPとして期待される。

このことは単一のTgが観察されたことによっても説明
3 ．結論

される。
ポリマーの水素化反応において、過剰量のp-トルエン

今回、エステル基を有し脂肪族系二環式ポリマーを、スルホニルヒドラジド（TSH）を試薬として用いたとき

NBLの開環メタセシス重合と引き続く水素化反応によには高転化率を達成したが、試薬残渣の分離が困難でり合成した。endo-NBLとexo-NBLとの重合性や、得らあった。また、H（1.0MPa）/Pd/C触媒系による水素化
2

れたポリマーの熱安定性を比較した。両モノマーともに反応の場合、転化率は低かった。一方、均一系触媒であモノマーの添加実験などから、重合反応はリビング的にるH （1.0MPa）/RuHCl（CO）（ PPh 3）3ではo-xylene/2

進行することが分かった。endo-NBLはexo-NBLに比べDMAc混合溶媒系でいずれも95%以上の高転化率で、狭重合速度は低かった。これは成長末端のキレート配位やい分子量分布のまま水素化反応が進行した。一般的には立体障害に起因すると考えられる。また、水素化反応は

o-xyleneなどの炭化水素系溶媒が高効率であるが、ポリ

RuHCl（CO）（PPh3）
3触媒により達成した。得られたポリマーの溶解性が低いために極性溶媒との混合溶媒系を選

マーは、アモルファス構造であり、ハロゲン系溶媒に良択した。

好な溶解性を示し、400 °Cまで重量減少は観察されな

Table 1に水素化前後の 4 種類のポリマーの熱分析のかった。H-poly（endo-NBL）とH-poly（exo-NBL）のTgは

結果をまとめた。水素化反応後のH-poly（endo-NBL）おそれぞれ163 °Cと131 °Cであり、成形加工が可能であり

よ びH-poly（exo-NBL）は、TGA測 定 に よ る10%重 量 減ながら十分な熱的安定性を示す値であった。以上のこと

少温度はともに大きく上昇し、450 °C程度となった。一からこれらのポリマーは新たなシクロオレフィンポリ

方、ガラス転移温度Tgは水素化反応後に60 °Cほど減少

マーとして将来期待できる材料である。

し、H-poly（endo-NBL）およびH-poly（exo-NBL）それぞ
4 ．謝辞

れ163 °C, 131 °Cとなった。これは、成形加工性と耐熱性とを両立できる適度な値となった。ブロック、グラジ

本研究にご支援いただきました公益財団法人松籟科学

エント共重合体のTgは、単独重合体のTgの中間領域に

技術振興財団に深く御礼申し上げます。また、本研究を遂行するにあたり、実験を行ってくれた宮迫成美さん、Table 1. 各種ポリマーの熱特性

清原紗英さんに御礼申し上げます。
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― 75 ―

4544.

申請者

茨城大学

吾郷

友宏

高度にフッ素化された電子受容性配位子の活用によるルイス酸反応場の構築
茨城大学

工学部物質科学工学科

吾郷

友宏

1 ．背景
ホスファイト（P（OR）3）や ホ ス ホ ロ ア ミ ダ イ ト（P（OR）（NR）に代表される電子受容性配位子は、配22）位した金属原子のルイス酸性を高めるため、多重結合への付加反応等のソフトなルイス酸が有効な触媒反応に繁用されている。特にDPPE-F20等のポリフルオロ化され
図 1 ．FCPPの特徴

たホスフィン配位子は、フッ素の電気陰性度を反映し低いσ供与性と高いπ受容性を示し、さらに化学的安定性にも優れるため様々な触媒反応に用いられている1-3。しでありながらアルキン水和反応に高い活性を示した。ポかし、これらのポリフルオロ化ホスフィンには次の問題

リフルオロ化された架橋基によるリン原子のσ供与性低点が指摘されている。①P-置換基としてC6F5基等のポリ下とπ受容性向上に加え、かさ高いF原子を金属から遠フルオロ化置換基を多数導入する必要があるため、分子隔位に位置させたことで、金属周辺に反応空間を確保し設計が制約を受け配位子の立体的・電子的効果を調節したのが触媒活性の向上の原因と考えられる。

づらい。②かさ高いF原子がP原子近傍に多数存在する

以上の知見を基に、本研究では電子受容性を向上させため、金属周辺の立体障害が増加し錯体の安定性や反応た新規ポリフルオロ化ホスフィン配位子を開発し、金属性が低下する。これらの問題を解決したポリフルオロ化錯体に利用することで極度に電子不足なルイス酸反応場

ホスフィンはほとんど無く、斬新な配位子設計が必要とを構築することを目指した。なお、本研究に関連して、されている4。

FCPPを基本構造とした機能性ポリフルオロ化ホスフィ

他方、申請者が所属する研究グループでは有機フッ素材料の開発研究を展開しており5、特に精密洗浄用ペルンの開発と触媒反応への応用について発表を行っている 8,9。

フルオロカーボンの一つであるオクタフルオロシクロペ
ンテンを原料とした高度フッ素化有機分子・高分子を

2 ．ポリフルオロ化ホスフィン配位子の開発と触媒反応への応用10

種々報告している6。その一巻として申請者は、ペルフルオロ化環状骨格を架橋部位としたビスホスフィン

σ供与性の低下とπ受容性の向上を狙い、FCPPの

FCPPの配位特性を検討し、この配位子が後周期遷移金

フェニル基にCF3基を導入した新規ビスホスフィン 1 を属に対し強力な電子受容性配位子としてはたらき、金属合成した（図 2 ）。また、共通のポリフルオロ化環状骨格

7のルイス酸性向上に有効であることを見出している（図を持つモノホスフィン2,3も合成を行った。モノホスフィ

1）。一般に、中性Au（I）
錯体はカチオン性Au（I）錯体やン 2 の合成と、配位特性や触媒反応への応用は以前に報Au（III）錯体に比べ触媒活性が低く、アルケンやアルキ

告している7。

ンの触媒反応に不適であることが知られているが、ポリフルオロ化ホスフィン配位子の触媒機能を評価す

FCPPの二核Au（I）錯体［（AuCl）（FCPP）］は中性錯体2

るために、Au（I）錯体を用いたアルキン水和反応を検討― 76 ―

表 2 ．アルキンのヒドロアリール化反応の検討

図 2 ．開発したポリフルオロ化ホスフィン配位子の構造
表 1 ．アルキンの水和反応の検討

Alcarazoらは強力なπ受容性と弱いσ供与性を併せ持つ
カチオン性ホスフィン配位子を用いることで、アルキン
した（表 1 ）。Au（I）触媒によるアルキン水和反応は多くのヒドロアリール化が良好に進行することを報告していの報告があるが、ほとんどの例ではAg（I）助触媒の添加

る13。

によるカチオン性Au（I）錯体の発生が必須とされておポリフルオロ化ホスフィン配位子FCPPまたは1-3を有り、中性Au（I）錯体が良好な触媒活性を示した例は極めするAu（I）錯体を用いて、フェニルアセチレンに対するて少ない11,12。申請者が以前に報告したFCPPまたはモノ

メシチレンのヒドロアリール化を検討したところ、中性

ホスフィン 2 を有するAu（I）錯体は、中性のままアルキ錯体では反応は全く進行しなかったが、助触媒として

ン 4 の 水 和 が 可 能 で あ り、 と り わ け 二 核 錯 体 で あ る

AgSbF6を添加しカチオン性錯体に変換することで、中7［（AuCl）（FCPP）］が優れた活性を示した（Entries 1,2）。
2程度の収率で目的とするアルケンが得られた（表 2 、一方、新たに開発したビスホスフィン配位子 1 の錯体

Entries 1-4）。アルキン水和反応に高活性であったモノ［（AuCl）（1）］では、FCPP錯体に比して触媒活性の向2ホスフィン 3 はヒドロアリール化でも良好な成績を示上が見られなかった（Entry 3）。反応生成物の P NMR

し、內部アルキンであるアセチレンジカルボン酸ジエチ

スペクトルで錯体［（AuCl）（1）］が検出されなかった
2

ル（Entry 5）や1-フェニル-1-プロピン（Entry 6）でも、中ことから、反応中に錯体の分解が進行したものと考えら程度の収率でヒドロアリール化体を与えた。アルキル置れる。モノホスフィン 3 の錯体［AuCl（3）］は最も高い換アルキンではヒドロアリール化は全く進行せず活性を示し、水和体であるケトン 5 が高収率で得られた（Entries 7,8）、アルキンがある程度電子不足であること（Entry 4）。この錯体は反応後に定量的に回収されたこが反応の進行に重要と考えられる。また、いずれの場合とから、モノホスフィン 3 はAu（I）中心のルイス酸性をも原料アルキンが残存しており、反応中に触媒が分解し向上させるとともに、錯体の安定化・長寿命化にも有効失活していることが示唆された。同様の現象はAlcarazo

であることが示唆された。

らのカチオン性ホスフィン配位子を用いた系でも報告さ

31

次に、C-C結合反応への応用としてアルキンのヒドロ

れており13、σ供与性の低いホスフィンがAu（I）中心か

アリール化反応を検討した。アルキンのヒドロアリール

ら解離しやすく、ヒドロアリール化反応と競合して触媒

化反応は、
［Au
（PPh3）（BF4）等の一般的なカチオン性］の分解が進行したものと考えられる。ポリフルオロ化ホAu（I）錯体では極めて収率が悪いことが知られている。

スフィン配位子のAu（I）中心からの解離を抑制すること― 77 ―

で触媒寿命と活性の向上が可能と考えられるため、ポリ

3 ．Hashimoto, T.； Kato, K.； Yano, R.； Natori, T.；

フルオロ化ホスフィン配位子へのキレート構造を導入しMiura, H.； Takeuchi, R. J. Org. Chem. 2016, 81,

配位能を高める検討を行っている。

5393–5400.
4 ．Korenaga, T.； Ko, A.； Uotani, K.； Tanaka, Y.；

3 ．まとめSakai, T. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 10703–
10707.

本研究では、高度にフッ素化されたホスフィン配位子を開発し、Au（I）錯体を用いたアルキン水和反応および5 ．Agou, T.； Yoshinari, K.； Shirai, T.； Yamada, S.；

アルキンのヒドロアリール化反応の触媒活性向上に有効

Konno, T.； Mizuhata, Y.； Tokitoh, N.； Yasuda, S.；

であることを明らかにした。これらの反応は遷移金属触Yamazaki, T.； Fukumoto, H.； Kubota, T.

媒反応としてはシンプルなものであるため、今後は触媒

Macromolecules 2020, 53, 2942-2949.

寿命・活性をさらに向上させると共に、より複雑な分子6 ．吾郷友宏、
福元博基、
化学工業、
70巻、
pp. 37-41（2019）．

変換反応への適用を検討することで、ポリフルオロ化ホ

7 ．Agou, T.； Wada, N.； Fujisawa, K.； Hosoya, T.；

スフィン配位子による新しい触媒反応の開発が可能と考Mizuhata, Y.； Tokitoh, N.； Fukumoto, H.；

えている。

Kubota, T. Inorg. Chem. 2018, 57, 9105-9114.
8 ．ヘキサフルオロシクロペンテンを架橋部位に有する

謝辞

かさ高いビスホスフィン配位子の開発と応用、野原本研究の実施にあたりご支援下さいました、公益財団

美希、吾郷友宏、福元博基、第10回CSJ化学フェス

法人松籟科学技術振興財団および関係の皆様に厚く御礼

タ2020、P5-055、2020年10月20日、オンライン開催．

申し上げます。本研究は茨城大学工学部物質科学工学科

9 ．ヘキサフルオロシクロペンテンで架橋されたP,O-キの有機機能性材料化学グループで行われたものであり、レート型配位子を有する遷移金属錯体の合成と触媒

多くのご助言を賜りました久保田俊夫名誉教授・福元博

反応への応用、小松桃子、吾郷友宏、福元博基、第基教授に感謝申し上げます。単結晶X線構造解析でご協

10回CSJ化学フェスタ2020、P6-055、2020年10月21

力頂いた茨城大学の藤澤清史教授・細谷孝明講師、京都

日、オンライン開催．

大学化学研究所の時任宣博教授・水畑吉行准教授に深く

10．Agou, T.； Wada, N.； Komatsu, M.； Nohara, M.；
Mizuhata, Y.； Tokitoh, N.； Hosoya, T.；

感謝申し上げます。

Fukumoto, H.； Kubota, T. Results in Chemistry
参考文献

2019, 1, 100008.

1 ．Akahori, S.； Sakai, H.； Shinokubo, H.； Miyake, Y.

11．I to, S.； Nanko, K.； Mikami, K. ChemCatChem
2014, 6, 2292-2297.

Org. Lett. 2018, 20, 304–307.
2 ．Mitsudo, K.； Tanaka, S.； Isobuchi, R.； Inada, T.；

12．Ito, S.； Shinozaki, T.； Mikami, K. Eur. J. Org.
Chem. 2017, 6889-6900.

Mandai, H.； Korenaga, T.； Wakamiya, A.；
Murata, Y.； Suga, S. Org. Lett. 2017, 19, 2564-

13．Tinnermann, H.； Wille, C.； Alcarazo, M. Angew.
Chem. Int. Ed. 2014, 53, 8732-8736.

2564.

― 78 ―

申請者

広島大学

平尾

岳大

主鎖にフラーレンを有するらせんポリマーの合成と機能
広島大学

1 ．背景

大学院先進理工系科学研究科

平尾

岳大成した（図1a）。
（S）-,（R）-1とダンベル型フラーレン 2 を

フラーレンポリマーは、フラーレンが有する特異な混合すると、（S）-,（R）-1のC5A部位が 2 のフラーレン部

光・電気物性をマクロスケールに拡張できるため、新し位を包接し、主鎖にフラーレンを含む超分子ポリマーがい炭素材料の基盤分子として注目され、盛んに研究が行生成する。また、キラルにねじれたビナフチル部位がポわれてきた。これまで、フラーレンを直接重合すること

リマー主鎖に組み込まれることで、ビナフチル部位のねで、フラーレンを含むポリマーの合成が報告されてきじれ方向によってポリマー主鎖全体が右巻きもしくは左た2-4。しかしながら、フラーレンは対称性の高い球状の巻きにねじれた「らせんポリマー」が生成すると期待で構造をしているため、等価な反応点が多く、生じるポリ

きる（図1b）。

マー中のフラーレン配列構造をひとつに制御することは極めて難しい。そこで、フラーレンとフラーレンを包接2 ．結果と考察するホスト分子の超分子錯形成を利用して、フラーレン（S）-,（R）-1は、ビナフチル部位に由来する蛍光を示す。

の規則的な配列構造を有する超分子フラーレンポリマー

また、フラーレンは、よい蛍光の消光剤として知られてが注目されてきた 。フラーレンのホスト分子は、フラーいる。したがって、（S）-,（R）-1の溶液に2aを加えた際のレン分子全体を反応点として捉えるため反応点の制御が蛍光の消光を観察することで、溶液中におけるC5Aとフ

容易であり、ポリマー主鎖に規則的にフラーレンを配列

ラーレンの会合体形成を調べることができる。
（R）-1のさせるための合理的な解決方法のひとつである。これまトルエン溶液を調整し、少しずつ2aを加えていくと、（R）

でに、主鎖にフラーレンの規則的な繰り返し配列構造を-1の蛍光強度の減少が観測された（図2a）。この滴定から有する直鎖状、ネットワーク状超分子フラーレンポリ

得られた結果をStern–Volmerプロットで解析したとこ

マーの合成が達成されてきた7-9。我々の研究グループでろ、2aの濃度が濃くなるにつれて非直線的に蛍光の消は、カリックス［ 5 ］アレーン（C5A）がフラーレンの有光効率が上昇する様子が観測された
（図2b）
。この結果

効なホスト分子であることを見出した10。このことを利から、観測された蛍光の消光は、主に会合に由来するも用して、複数のC5A部位を有するホスト分子と複数のフのであることが示唆された。Jobプロットから（R）-1とラーレン部位を有するゲスト分子を合成し、それらを混2aの会合比を調べたところ、 1：1 の比で会合している

合することで、超分子フラーレンポリマーを合成してきことが分かった（図2c）。実験によって得られた会合比をた。このように、超分子フラーレンポリマー分野のも と に 会 合 定 数 を 見 積 も っ た と こ ろ、K = 31,000 L

発展は、フラーレンポリマーの一次構造の制御を可能に

mol–1という値が得られた（図2d）。この会合定数の値は、した。そこで今回我々は、フラーレンポリマー分野の発

過去に我々が報告している様々なC5Aとフラーレンの超展的挑戦課題として「フラーレンポリマーの二次構造の分子錯体の会合定数と近い値であったことから、今回新制御」に取り組んだ1。

たに導入したキラルなビナフチル部位は会合体形成を阻

5, 6

11, 12

今回我々は、ポリマーの二次構造のひとつである「ら害しないということが明らかになった。続いて溶液中にせん構造」に着目し、キラルなビナフチル部位を組み込おける会合体の大きさを調べるためにDOSY測定から拡んだホモジトピックなホスト分子
（S）
-,（R）
-1を新たに合散係数を見積もった。拡散係数は流体力学半径と反比例― 79 ―

図1．
（a）キラルなビナフチル部位を有するホスト分子
（S）
-,（R）
-1とダンベル型フラーレン 2 の分子構造。
（b）超分子らせんフラーレンポリマー生成の模式図。文献 1 より許可を得て転載（一部改変）。

図 2 （a）．
 （R）-1のトルエン溶液に2aを滴下していった時の蛍光スペクトル変化。
（b）蛍光スペクトル変化を元にしたStern–Volmer
プロット。
（c）蛍光スペクトルによるJobプロット。
（d）（R）-1と2aの 1 ： 1 混合溶液の濃度別モル吸光係数。
（e）（R）-1、2aおよび（R）-1と2aの 1 ： 1 混合溶液の濃度別拡散係数。
（f,g）計算によって得られた超分子らせんフラーレンポリマーの分子モ
デル。
（h）円筒モデルの模式図。文献 1 より許可を得て転載（一部改変）。

の関係にあるため、溶液中に存在する化学種の拡散係数

ろが、（R）-1と2aの 1：1 混合溶液の拡散係数は、濃度をを測定することで、分子集合体の大きさを見積もること濃くするに従って、大きく減少したことから、濃度30

ができる。
（R）
-1と2aを独立に溶かした溶液を調整し、mmol L–1において大きな会合体が形成していることが示

拡 散 係 数 を 測 定 し た と こ ろ、 濃 度1 mmol L–1か ら30唆された。得られた拡散係数の値をもとに円筒モデルをmmol L の間でほぼ一定の値が観測された（図2e）。とこ用いて重合度（DP）を見積もったところ濃度30 mmol L–1–1― 80 ―

においておよそ32分子が連結していることが明らかに下するとCDバンドは完全に消失した
（図3c）
。また、
（S）

なった（図2f-h）。この重合度は、会合定数から見積もっ-1と2aの 1：1 混合溶液に 1 当量のモノトピックなホスた濃度30 mmol L–1における重合度（DP = 31）と極めてト分子もしくはフラーレンを添加するとCD強度の減衰

よい一致を示したことから、（R）-1と2aの混合物は、溶が見られた（図3d,e）。これらの結果から、今回観測され液中でらせん構造に由来する剛直な円筒状のポリマーをたCDスペクトルは、短いオリゴメリックな会合体や、形成していると考えられる。

モノマー分子に由来するものではなく、長く繋がった超

続いてCDスペクトル測定を用いて、生成した超分子分子ポリマー構造に由来していると言うことが明らかにポリマーのらせん性を調べた。
（S）-1と2aの 1：1 混合物なった。一般的に、分子の会合、解離の平衡は温度を高と（R）-1と2aの 1：1 混 合 物 のCDス ペ ク ト ル 測 定 を 行くすると解離側へ平衡が偏ることが知られている。
（S）-1

なったところ、それぞれミラーイメージの関係にあるスと2aの 1：1 混合溶液を調整し、昇温していくとCD強度ペクトルが観測されたことから、（S）-1と2aから生じる超の減衰が見られた（図3f）。この結果からも、今回観測さ分子ポリマーと（R）-1と2aから生じる超分子ポリマーはれたCDスペクトルは超分子ポリマー由来であることが互いに逆方向にねじれていることが示唆された（図3a）。

支持された。様々な濃度で（S）-1と2aの 1：1 混合溶液を

また、
（S）
-,（R）
-1は今回CDスペクトルを観測した波長領調整し、モル円二色性をプロットしたところ、濃度およ域（550 nm ~ 750 nm）に吸収をもたないことから、観測

そ2.5 mmol L–1を境に急激にモル円二色性の値が負に大されたCDバンドは2aに由来するものであると考えられきくなった（図 3 g）。このことは、短いオリゴメリックる。そこで2aのモデル化合物Μ1のフラーレン部分を回な会合体や、モノマー分子が優勢に存在している低濃度

転させ、TD-DFT解析によりCDスペクトルを見積もっ領域ではCDバンドは見られず、超分子ポリマーがある

たところ、
（R）
-1と2aから生じる超分子ポリマーは時計程度伸長することでCDバンドが観測されるようになっ

回り、（S）-1と2aから生じる超分子ポリマーは反時計回り

たという結果を示している。以上の結果から、溶液中ににねじれていることが分かった（図3b）。続いてこれらおける主鎖にフラーレンを含むらせんポリマーの構築がのCDバンドが超分子ポリマー構造に由来しているか調示唆された。

べるために、超分子ポリマーの分解実験を行った。
（S）-1

最後に、原子間力顕微鏡（AFM）を用いて固体状態にと2aの 1：1 混合溶液に0.5当量の（S）-1もしくは2aを滴おける超分子らせんフラーレンポリマーの生成を確認し

図 3 （a）．
 （S）-1（赤線）および（R）-1（青線）と2aの 1：1 混合溶液のCDスペクトル。
（b）計算によって見積もられたΜ1（φ = ± 90°）のCDスペクトル。
（c）（S）-1と2aの 1：2 および 2：1 混合溶液のCDスペクトル。
（S）-1と2aの 1：1 混合溶液に
（d）
モノトピッ
クなホスト分子および（e）フラーレンを加えた時のCDスペクトル変化。
（f）（S）-1と2aの 1 ： 1 混合溶液の温度を上げていった時のCDスペクトル変化。
（g）（S）-1と2aの 1 ： 1 混合溶液の濃度別モル円二色性。文献 1 より許可を得て転載（一部改変）。

― 81 ―

た。
（S）-1と2aの 1：1 混 合 溶 液 を 高 配 向 グ ラ フ ァ イ トと、ポリマー鎖が主鎖方向に対して、平均–56°に傾いた（HOPG）基板上にキャストし、溶媒を乾燥させた後、基らせんピッチを観測することができた（図4c）。この傾き

板表面での形態をAFMによって観測したところ、規則

角は計算によって求められた左巻きの超分子らせんフ的に配向した剛直なポリマー鎖の組織が観測された（図

ラーレンポリマーの傾き角とよい一致を示すことから、

4a,b）。この剛直なポリマー鎖は、一定のピッチを有し（S）-1と2aの 1：1 混合物は、主として左巻きのらせん構ており、その長さを測定すると5.4 ± 0.3 nm間隔である造を形成することが分かった（図4d）。この結果はCDス

ことが分かった。この間隔は、らせんひと巻きの間隔とペクトル測定によって求められた結果を支持するものでよい一致を示すことから（図2f）、基板上でらせんポリある。また、（S）-1と2bの 1：1 混合物のAFM像を調べた

マーの生成が確認された。得られたAFM像を拡大する

ところ、規則的に配列した繊維状の組織が観測された（図

図 4 （a-c）．
（S）-1と2aの 1 ： 1 混合物の原子間力顕微鏡（AFM）像。
（e,f）（S）-1と2bの 1 ： 1 混合物の原子間力顕微鏡（AFM）像。
計算によって得られた（S）-1と（d,g）2aおよび（h）2b分子モデル。文献 1 より許可を得て転載（一部改変）。

― 82 ―

4e,f）。2aと2bの基板表面における形態の違いは、アルSynthesized at High Pressure. Science 1994, 264

キル側鎖の長さの差を反映しているものと考えられる。

（5165）,1570.

（S）-1と2aの 1：1 混合物から得られたポリマー鎖の幅は3 ．Xu, C. H.； Scuseria, G. E., Theoretical Predictions

6.6 ± 0.6 nmと 測 定 さ れ た の に 対 し て、（S）
-1と2bのfor a Two-Dimensional Rhombohedral Phase of

1：1 混合物から得られたポリマー鎖の幅は4.0 ± 0.6

Solid C60. Phys. Rev. Lett. 1995, 74（2）,274-277.

nmと測定された。これらの幅は、計算によって求めら

4 ．Belavin, V. V.；  Bulusheva, L. G.；  Okotrub, A. V.；

れた超分子らせんポリマーの幅とよい一致を示すことかTomanek, D., Stability, electronic structure andら（図 4 g,h）、モノマー分子の構造の違いをAFMによっreactivity of the polymerized fullerite forms. J.

て可視化することに成功した。

Phys. Chem. Solids 2000, 61（12）,1901-1911.
5 ．S hirakawa, M.；   Fujita, N.； Shinkai, S.,［60］3 ．まとめFullerene-Motivated Organogel Formation in a

以上のように、我々はC5Aとフラーレンの超分子錯体

Porphyrin Derivative Bearing Programmedを基盤として、主鎖にフラーレンを含む超分子らせんポ

Hydrogen-Bonding Sites. J. Am. Chem. Soc. 2003,

リマーの合成に成功した。溶液中におけるらせんポリ

125（33）,9902-9903.

マーの生成は、蛍光スペクトル測定、DOSY測定、CD

6 ．L iu, Y.；   Wang, H.；   Liang, P.； Zhang, H.-Y.,

スペクトル測定およびTD-DFT計算を用いて確認した。

Water-soluble supramolecular fullerene assembly

また、AFM測定によって基板表面におけるらせんポリ

mediated by metallobridged beta-cyclodextrins.

マーの可視化に成功した。本研究結果は、超分子化学のAngew. Chem. Int. Ed. 2004, 43（20）,2690-2694.

手法が、主鎖にフラーレンを含むポリマーの一次構造の7 ．F ernández, G.；   Pérez, E. M.；   Sánchez, L.；

制御のみならず、二次構造の制御にも極めて有効である

Martín, N., Self-Organization of Electroactive

ことを示している。

Materials： A Head-to-Tail Donor–Acceptor
Supramolecular Polymer. Angew. Chem. Int. Ed.

4 ．謝辞

2008, 47（6）,1094-1097.

公益財団法人松籟科学技術振興財団の研究助成および8 ．Kim, D. S.；   Chang, J.；   Leem, S.；   Park, J. S.；  

学生諸氏の協力のもとに本研究課題を遂行することがでThordarson, P.； Sessler, J. L., Redox- and pH-

きました。本研究助成および本研究課題に関わった全て

Responsive Orthogonal Supramolecular Self-の方々に心より感謝致します。また、超分子ポリマーのAssembly： An Ensemble Displaying Molecular

構造評価に関して、広島大学自然科学研究支援開発セン

Switching Characteristics. J. Am. Chem. Soc. 2015,

ターの設備を利用しました。この場を借りて深く感謝申137（51）,16038-16042.

し上げます。

9 ．F ernández, G.；   Pérez, E. M.；   Sánchez, L.；
Ma r t ín, N ., A n E le c t r o a c t ive D yna m ically

5 ．参考文献

Polydisperse Supramolecular Dendrimer. J. Am.

1 ．H irao, T.；   Iwabe, Y.；   Fujii, N.； Haino, T.,

Chem. Soc. 2008, 130（8）,2410-2411.

Helically Organized Fullerene Array in a

10．H aino, T.； Yanase, M.； Fukazawa, Y., New

Supramolecular Polymer Main Chain. J. Am.

supramolecular complex of C60 based on calix［ 5 ］

Chem. Soc. 2021, 143（11）, 4339-4345.

arene - its structure in the crystal and in solution.
Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36（3）, 259-

2 ．Iwasa, Y.；  Arima, T.；  Fleming, R. M.；  Siegrist,
T.；  Zhou, O.；  Haddon, R. C.；  Rothberg, L. J.；  

260.

Lyons, K. B.；   Carter, H. L.；   Hebard, A. F.；  

11．H aino, T.；   Matsumoto, Y.； Fukazawa, Y.,

Tycko, R.；   Dabbagh, G.；   Krajewski, J. J.；  

Supramolecular Nano Networks Formed byThomas, G. A.； Yagi, T., New Phases of C 60

Molecular-Recognition-Directed Self-Assembly of― 83 ―

Ditopic Calix［ 5 ］arene and Dumbbell ［60］Supramolecular Fullerene Polymers and Networks

Fullerene. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127（25）,

Directed by Molecular Recognition between Calix8936-8937.

［ 5 ］arene and C60. Chem. Eur. J. 2014, 20（49）,

12．Hirao, T.；   Tosaka, M.；   Yamago, S.； Haino, T.,― 84 ―

16138-16146.

申請者

東京農工大学森

啓二

π-π相互作用の電子調節機能を基盤とする触媒開発と高難度分子変換への応用
東京農工大学

1 ．研究背景と目的

大学院工学研究院

森啓二

ある電子調節効果としての利用が上の二つの要件を満た

医薬・農薬などの多くの生物活性物質は光学活性であすと期待し、それに基づいて設計した触媒群（スタックる。これらには右手と左手のように重なり合わない関係

ドアレーン型触媒：二つの芳香環が“スタック”していを持つ異性体（鏡像異性体）が存在し、それぞれで薬理活ることから命名）の活性評価や不斉触媒化、さらには本性が異なる場合がある。そのため医薬・農薬合成ではそ

触媒群を用いた高難度分子変換の達成を目指して研究にれらの一方を選択性に合成する、不斉合成反応が重要な取り組んだ（図 1 ）。

地位を占めている。不斉合成において中心的な役割を担う不斉触媒として、近年、有機元素のみから成る不斉有

2 ．スタックドアレーン型触媒の高活性化

機触媒に大きな注目が集まっている1,2。これまでの触媒設計した触媒群は以下の有望な特徴を持つことが期待反応を席巻してきた金属触媒でも達成できない反応を可できる（図 1 、右下）。すなわち、（1）π–π相互作用を介能とすることもあるなど、近年の進展は目覚ましいが、する一方の芳香環の電子環境による他方の芳香環の電子

金属触媒と比較して多量の触媒を必要とする（多くの場

環境の変動、ひいてはその芳香環に付随する活性部位

合が10 mol%）ことが課題であった。そのため触媒化学（X–Hなど）の性能調節、（2）C1対称型芳香環の導入によの進展した現在においても、“触媒活性の向上”と“こる不斉触媒としての利用（従来にない不斉場の提供）（3）、

れまでにないキラル情報の制御”の双方を可能とする新ピリジニウム環を用いたカチオン-π相互作用による電しい母核構造の設計が強く求められている。

子効果の増強、（4）合成の簡便さ（ジハロナフタレン、おこのような背景のもと本研究では、新しい概念の利用

よびジハロビフェニレンから短工程で調製可能）、であに基づいた母核構造の設計による高活性有機触媒の開発る。予備実験の結果、これまでに期待した電子調節効果を目的とした。特に筆者は、基礎的な相互作用である“πが効果的に機能することを見出していた（図 2 ）。すなわ–π相互作用”のこれまで注目されてこなかった側面でち、ニトロスチレン 1 とマロン酸ジメチルとのMichael

図 1 ．“スタックドアレーン型”有機触媒の設計― 85 ―

図 3 ．電子不足芳香環を用いた検討

図 ２ ．予備実験

付加反応をモデルに触媒能の変化を調査したところ、パラメトキシフェニル基やフェニル基のような比較的電子密度の高い芳香環を持つ触媒2a, 2bの場合には付加体 3の収率が30%前後に留まったのに対し、電子不足なp-フルオロフェニル基を持つ触媒2cを用いた際には収率が43%まで向上した。芳香環上のフッ素原子の数が増加す
るにつれて触媒活性が向上し、特にペンタフルオロフェ
ニル基を持つ2eを用いた際には収率60%と良好な収率で3 を得ることができた。
この知見のもと、さらなる触媒の高活性化を目指して
図 ４ ．ピリジン窒素原子上の置換基検討

電子不足芳香環に焦点をあてて研究を進めた（図 3 ）。まずは強力な電子求引性基であるトリフルオロメチル基をパラ位に持つ2fを用いたところ、期待したほどの触媒活と高い収率を達成できた。なお、同じピリジニウム構造性の向上はなく、付加体 3 の収率は43％にとどまった。

を持つN-オキシド型の触媒 6（合成上の都合のため、チそこでトリフルオロメチル基を二つ持つ触媒 2 gやジク

オウレアではなくウレアを採用）では溶解性が大きく低ロロ体2hを試みた。その結果、2fに比べると付加体 3 の下したことが主たる原因と考えられるが、付加体 3 はほ

収率はわずかに向上したが、ペンタフルオロ体2eの活

とんど得られなかった（ 8 %）。ピリジニウム型触媒にお性には及ばなかった。この状況のもと、次に筆者が着目ける対アニオンとしては非配位性のBArF—（テトラキス

したのが含窒素芳香環であるピリジン環の採用である。

［3,5-ビス（トリフルオロメチル）］ホウ酸イオン）を用いピリジン環は炭素芳香環であるベンゼン環よりも電子密ることが極めて重要であり、配位性の高いヨウ化物イオ

度が低いことに加え、窒素原子上に置換基を導入してピンやトリフリルオキシアニオンを対アニオンとする触媒

リジニウム環とすれば、さらにその電子密度を低下させ

5cや5cではほとんど反応は進行しなかった。

ることが可能である。この着想のもと実際に反応を行っ以上の結果のもと、次に窒素原子上の置換基効果を調たところ、ピリジニウム環の採用が期待以上の効果を持べた（図 4 ）。まずはメチル基の代わりにエチル基やベンつことが分った。すなわち、単純なピリジン型触媒 4 でジル基を導入したところ、75%、69%と多少ながらも活はむしろ触媒活性が低下したが、ピリジニウム型触媒性が向上することが分った。そこで立体・電子環境の調

5aでは大幅に触媒活性が向上し、63％と良好な収率を節が容易なベンジル系置換基に焦点をあてて検討を行っ達成できるとともにより短時間で反応が完結した。さらた。電子不足芳香環（3,5-（CF3）2C6H4環）を持つ触媒5fでにこの5aでは、触媒量を5 mol%まで低減しても、66%は良好な収率（64%）を示した一方で、さらに電子不足な― 86 ―

ペルフルオロベンジル体 5 gでは収率が35%と大きく低下した。そこで趣向を変え、多環芳香環を検討した。まずはナフチル環を用いたところ、1-ナフチル型触媒5hと2 −ナフチル型触媒5iでは後者が効果的で、75%と良好な収率を達成できた。この結果をみると遠隔位まで影響を及ぼせることが重要のように思えるが、期待に反しア
ントリル型触媒5jでは有意な効果は確認できなかった。
このことから 2 −ナフチル基の効果に関しては、反応基

図 6 ．不斉情報と電子環境との相関質であるニトロスチレンとのT-型スタッキング相互作
用が関わっていると現在のところ解釈している。
ピリジニウム窒素のアニリン窒素の位置関係も触媒活は不安定であると予想されるが、その動的な性質をうま性に影響を与えそうだが、この点はそれほど大きな効果

く利用できれば、例えば触媒分子のジアステレオ選択的を示さないことも分った。すなわち、それぞれの位置関

不斉合成の達成や柔軟な反応遷移状態の形成などが期待係を様々に変えた類縁体 7 — 9 で反応を試みたが、大きできる。しかし、そもそもこのような構造に生じる不斉な収率の変化は見られなかった。

情報の安定性を詳細に調べた研究はこれまでなかったた
め、まずはその調査を行った。

3 ．不斉触媒化に向けた検討

具体的にはキラルプローブとなるベンジルオキシ基を触媒活性の向上に関して有望な知見が得られたため、持つ様々な類縁体10a—fを合成し（図 6 ）、動的NMR法3

次に不斉触媒化に取り組んだ。特にその達成にあたり、によりそれらの反転障壁エネルギーを調べた。その結果、キラルな置換基を骨格中に導入するのではなく、この骨

触媒活性のみならず不斉情報の安定性においても芳香環格そのものから生じる不斉を利用しようと考えた。なお、の電子環境が大きく関与してくることが判明した。すな

この構造から生じる不斉要素としては、芳香環を結ぶ単

わち、p-メトキシフェニル基を持つ基質10aではフェニ結合の回転束縛の様式により図 5 に示す二つが考えられル基を持つ10bと同程度だったが、p-ニトロフェニル基る。一つは側鎖芳香環上のオルト位置換基とナフタレン

や3,5-ジフルオロフェニル基を持つ基質10cおよび10dで環との立体障害による“軸不斉”で、もう一つは側鎖芳は僅かながらも安定性が向上した（ ∆G‡ = 17 kcal/

香環上のメタ位にある置換基ともう一方の芳香環との立

mol）。ペンタフルオロフェニル型の基質10eの反転エネ

体障害による、いわゆる“面不斉”である。このうち筆ルギーは20kcal/molであり、他の基質よりも4kcal/mol

者は後者の面不斉に着目した。この面不斉は軸不斉より程度高い結果となった。なお、ピリジニウム型基質10fに関しては、ベンジル位水素がABカルテットパターンで観測されず、安定性を評価することはできなかった。
以上のように電子求引基の導入により反転エネルギーが向上することが分ったが、アトロプ異性体を光学分割するために必要な反転エネルギーが23 kcal/molである3ことを考慮すると、最も高い10eでも不斉情報の安定性は不十分であった。そこで、面不斉の利用を一旦あきら
め、まずはこの構造の有用性を確認するために、比較的不斉情報が安定だと予想される軸不斉型触媒を用いることとした（図 7 ）。すなわち、チオウレア部位のパラ位にメチル基をもつ触媒11を合成し、その不斉情報の安定性を調べたところ、期待通りこの化合物の安定性は面不斉

図 5 ．スタックドアレーン構造の生み出す不斉要素型のものよりも高く、光学分割できることが分った。な― 87 ―

す。また、触媒構造から生み出される相互作用に関して有益なご助言を頂いた立教大学 山中正浩教授に感謝申し上げます。
6 ．参考文献（1）Selectedreviewsonchiralligandswithbinaphthyl
backbone, see：（ a）Noyori, R.； Takaya, H. Acc.
Chem. Res. 1990, 23, 345.（b）Feringa, B. L. Acc.
Chem. Res. 2000, 33, 346.（c）Hayashi, T. Acc.
Chem. Res. 2000, 33, 354.（ d）Newton, C. G.；Kossler, D.； Cramer, N. J. Am. Chem. Soc. 2016,
138,3935.（e）Kumagai,N.；Kanai,M.；Sasai,H.
ACS Catal.2016,6,4699.

図 7 ．軸不斉触媒の安定性と不斉反応（2）ForselectedreviewsonchiralBrønstedacidswith

お、その室温での半減期は238日とかなり高い安定性をbinaphthylbackbone,see：（a）
Akiyama,T.；Itoh,

有していた。そこで早速、このキラル触媒を用いて上記

J.；Fuchibe,K.Adv. Synth. Catal.2006,348,999.

のMichael付加反応を行ったところ、目的物 3 を収率（b）Terada, M. Chem. Commun. 2008, 4097.（c）
53%で与えるとともに、10%eeとわずかではあるが、期

Zamfir,A.；Schenker,S.；Freund,M.；Tsogoeva,

待感ある不斉の発現が見られた。

S. M. Org. Biomol. Chem. 2010, 8, 5262.（ d）
Hatano, M.； Ishihara, K. Asian J. Org. Chem.

4 ．展望

2014, 3, 352.（ e） Rueping, M.； Kuenkel, A.；今後は窒素原子上にキラル素子を導入することによる

Atodiresei, I. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 4539.（f）

スタックドアレーン型触媒の不斉化に焦点をあてて研究

Parmar, D.； Sugiono, E.； Raja, S.； Rueping, M.

を行う予定である。スタックドアレーンという未知の構

Chem. Rev. 2014, 114, 9047.（g）Akiyama, T.；造が提供する反応場は、従来型の触媒系では合成できな

Mori,K.Chem. Rev. 2015,115,9277.

いキラル分子、ひいては新たな医薬・農薬・機能性材料（3）（a）
  岩下

孝、楠見

武徳、村田

道雄、「NMR立の創出につながる可能性がある。本研究を成熟させるこ

体 化 学 」、 講 談 社.（b）Oki, M. Methods inとで、産業界の発展につなげていきたい。

TereochemicalAnalysisvolume4,“Applications ofDynamic NMR Spectroscopy to Organic Synthesis”,

5 ．謝辞

editedbyMarchaned,A.P.VCHPublishersinc.

本研究を実施するにあたりご支援くださいました公益
財団法人松籟科学技術振興財団に厚く御礼申し上げま― 88 ―

申請者

中央大学
（現

千葉工業大学） 原口亮介

カチオン性芳香環を基盤としたn型有機半導体材料の開発
千葉工業大学

1 ．研究背景と目的

工学部応用化学科

原口亮介

修飾法の開発を行うこととした。トリアゾリウム環は環

有機薄膜太陽電池や有機ELなどの有機エレクトロニ

内に 3 つの窒素原子を含むカチオン性複素芳香環であクス分野では、p型有機半導体材料としての電子豊富芳る［1］。この化合物群の前駆体であるトリアゾールは、銅

香環、n型有機半導体材料としての電子不足芳香環の両触媒によるアジドとアルキンのヒュスゲン環化付加反応

方が必要不可欠である。しかし、盛んに研究が進んでいと続くアルキル化により合成可能である［2］。また、トリるp型有機半導体に比べ、n型有機半導体はフラーレン

アゼンとアルキンとの酸化的［ 3 + 2 ］環化付加反応に誘導体に大きく依存しており、フラーレンは溶解性の低よりトリアゾリウム骨格を一挙に構築する方法も知られさや可視光を吸収できないなど解決すべき課題がある。

ている［3］。後者の方法では、前者の方法では合成するこ

一方、非フラーレン系のn型有機半導体材料の開発はいとができない、置換基全てが芳香環のトリアゾリウム塩

くつか報告されているが、そのレパートリーは非常に少が合成できることが特筆すべき点である。しかし、このなく、図 1 に示すような中性の芳香族化合物がほとんど方法で適用できる基質は十分調べられておらず、また合であった。これに対し、カチオン性芳香環は高い電子親成したトリアゾリウム塩をさらに構造修飾する手法はほ和性を示すと期待されるにも関わらず、驚くべきことに

とんど報告されていなかった［4］。本研究では、トリアゼ

有機エレクトロニクスの分野ではほとんど利用されていンとアルキンとの酸化的［ 3 + 2 ］環化付加反応の適用ない。これは、n型有機半導体材料として利用するため範囲を大幅に拡大し、さらにトリアゾリウム塩を基質とには、（1）高い電子親和性だけでなく、（2）
熱や酸素に対すする新規分子変換を達成したので報告する。

る高い安定性、（3）
有機溶媒への高い溶解性、（4）
構造多様
2 ．研究の内容

性、（5）
合成の容易性などの特徴を全て兼ね備える必要が（1）
ト リアゼンとアルキンとの酸化的［ 3 + 2 ］環化付あるためと考えられる。

加反応の反応条件検討

このような背景のもと申請者は、カチオン性芳香環を基盤とした新規n型有機半導体材料の創出を最終目標とトリアゼン2aとアルキン1aをモデル基質として、酸して、トリアゾリウム環の構築法の開発およびその構造化的［ 3 + 2 ］環化付加反応における反応条件の最適化検討を行った（表 1 ）。様々な反応パラメーターを検討した後、次に示す反応条件下にて生成物3aaが98％の収率で得られることを見いだした：アルキン1aに対して次亜塩素酸tert-ブチルを2.3当量、トリアゼン2aを1.5当量、ヘキサフルオロリン酸カリウムを 2.3 当量、アセトン中、–78 ˚Cから室温に反応混合物を徐々に昇温した後、24時間撹拌した。ジクロロメタンや、THF、エタノールな
どの他の溶媒もこの反応に使用できたが、ヘキサンまたはジエチルエーテルを溶媒として使用した場合、3aaの

図1

非フラーレン系n型有機半導体の主骨格

収率は大幅に低下した（表 1 、Entries 1〜 6 ）。トリエ― 89 ―

表1

反応条件の最適化

Entry Variation from the standard conditions

Yieldb（%）

1

None

98

2

CH2Cl2, instead of acetone

99

3

THF, instead of acetone

98

4

EtOH, instead of acetone

92

5

Hexane, instead of acetone

37

6

Et2O, instead of acetone

33

7

Et3N, instead of acetone

08

1.2 eq of 1a50

91.0 eq of 1a

44

10

1.7 eq of t-BuOCl

93

11

1.5 eq of t-BuOCl98

チルアミンを溶媒に用いたときは反応がほとんど進行しなかった（Entry 7）。1.2当量以下のトリアゼン1aを使用
した場合、生成物の収率は低下したが（Entries 8,9）、次亜塩素酸tert-ブチルの当量を減らしても高収率で生成物を与えた（Entries 10,11）。
（2）ト リアゼンとアルキンとの酸化的［ 3 + 2 ］環化付

図2

基質適用範囲加反応の基質適用範囲
1,2,3-トリアゾリウム塩を収率良く合成する条件を用応を行ったところ、目的生成物3adが33％の収率で単離いて、次に本反応における基質適用範囲を調査した（図できた。また、最適化された反応条件下でトリアゼン

2）。なお、2aを除くトリアゼンは、対応するアニリン

2eを使用すると、トリアゾリウム塩3aeが良好な収率で誘導体から 1 段階で簡便に合成可能である。本反応は不得られた。ハロゲン置換基2f-2iを有するトリアゼンを用活性ガス雰囲気を必要とせず、生成物はジエチルエーテ

いたときは、反応がスムーズに進行し、対応するトリア

ルまたはクロロホルムで洗浄することにより、簡便に合ゾリウム塩3af-3aiを中程度から良好な収率で与えた。ベ

成・精製することが可能である。p-トリフルオロメチル

ンゼン環に電子供与基を有するトリアゼン2jも本反応にフェニル基が置換したトリアゼン2bを最適化された反適用することが可能であった。

応条件下で用いた場合、対応するトリアゾリウム塩3ab

次に、さまざまなトリアゼンとプロピオール酸メチルが92％の収率で得られた。m-トリフルオロメチルフェ（1b）との環化反応に取り組んだ。プロピオール酸メチ

ニル基が置換したトリアゼン2cを用いた場合も生成物

ル（1b）は、エチニルベンゼン（1a）よりも求核性が弱い

3acを高収率で与えたが、o-トリフルオロメチルフェニ

基質であるが、トリアゼン2a-2cを用いた場合は、最適

ル基が置換したトリアゼン2dと1aとの反応では、トリ化された反応条件下で対応するトリアゾリウム塩3ba-

アゾリウム塩3adとともに分離できない副生成物を与え3bcを高収率で与えた。一方、同じ反応条件下では、o-た。この副生成物の生成を抑制するために、–30 ℃で反トリフルオロメチルフェニル基が置換したトリアゼン― 90 ―

2dを使用すると、複雑な混合物を与えた。テトラキス（トれらの結果は、本アミノ化反応において、フッ素とカリ

リフルオロメチル）トリアゾリウム塩3beについては、

ウムの両方が重要であることを示している。

反応を0 ℃以上で行った場合に、低収率ではあるが単離

また、フッ化カリウムとブチルアミンの量論を下げてすることに成功した。また、様々な電子供与性および電反応を行うと6aaの収率はやや低下した（Entries 1,7,8）。

子求引性基を有するトリアゼン2f-2jを用いた場合も、環

さらに、溶媒効果を検討したところアセトニトリルを溶化付加反応は進行し、対応するトリアゾリウム塩3bf-3bj

媒に用いることが本反応を効率良く進行させる上で重要が得られたであることがわかった（Entries 1,9,10）。

（3）クロロトリアゾリウム塩のアミノ化反応の条件検討（4）クロロトリアゾリウム塩のアミノ化反応の基質適用
範囲

次に、
トリアゾリウム環の構造修飾法の確立を目指し、
クロロトリアゾリウム塩のアミノ化反応を検討した。な

表 2 Entry 1に示した最適な反応条件を用いて、クロお、クロロトリアゾリウム塩はトリアゼンとクロロアル

ロトリアゾリウム塩のアミノ化反応の基質適用範囲を調

キンとの酸化的［ 3 + 2 ］環化付加反応によりグラムス

査した（図 3 ）。ブチルアミンよりも嵩高いシクロヘキシ

ケールでの合成が可能である。様々反応条件を検討した

ルアミンや、二級の環状アミンであるピペリジンを用い

結果、次に示す反応条件下にてアミノトリアゾリウム

た場合は収率良く対応する生成物（6ab、6ac）を与えた

6aaが95％の収率で得られることを見いだした。クロロ

一方で、二級の脂肪族アミンであるジエチルアミンを用

アルキン4aに対してフッ化カリウムを 3 当量存在下、いると生成物の収率は中程度であった（6ad）。また、アブチルアミン5aを 2 当量、アセトニトリル溶媒中、50

リルアミンやプロパルギルアミンなどの炭素−炭素多重

˚C、21時間で撹拌した。フッ化カリウム以外のカリウム結合を有するアミンも本反応に適用可能であることがわ

塩として、フッ化ナトリウムやフッ化リチウムを用いた
場合は、アミノトリアゾリウム塩の収率は大きく低下した（表 2 、Entries 1〜 3 ）。また、フッ化カリウム以外の塩基も様々検討したが、いずれの場合も収率良く生成物を得ることはできなかった（Entries 1、 4 〜 6 ）。こ

表2

反応条件の最適化

Entry Variation from the standard conditions

Yieldb（%）

1

none

95

2

NaF, instead of KF

22

3

LiF, instead of KF

23

4

t-BuOK, instead of KF

trace

5

KOH, instead of KF

9

6

K2CO3, instead of KF

21

7

KF（1.5 eq）

78

8

5a（1.5 eq）

81

9acetone, instead of CH3CN

63

10

THF, instead of CH3CN

311

at 30 °C

56

図3

― 91 ―

基質適用範囲かった。
（6ae、6af）。

リアゾリウム塩の合成法開発を進めるとともに、それら

さらに、ヒドロキシ基や芳香族アミノ基を有する脂肪のn型半導体材料としての特性を明らかにしていく。

族アミンを基質に用いた場合も、これらの官能基を損なうことなくアミノトリアゾリウム塩を良好な収率で与え4 ．謝辞ることを見いだした（6ag、6ah）。これらの官能基はさ

本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団ご支援らなる分子変換に利用できる可能性があり、現在そのよを賜り進めることができました。深く感謝申し上げます。

うな新規反応開発を進めている。また、キラルなアミンを基質に用いると、光学活性なアミノトリアゾリウム塩

5 ．参考文献が得られた（6ai）。次に、トリアゾリウム塩の基質適用（1）Aizpurua, J. M.； Fratila, R. M.； Monasterio, Z.；

範囲について調べたところ、電子供与性基や電子求引性

Pérez-Esnaola, N.； Andreieff, E.； Irastorza, A.；基を有する芳香環が 4 位に置換した基質において、本反Sagartzazu-Aizpurua, M. New J. Chem. 2014, 38,

応は収率良く進行することがわかった
（6ba、
6ca）
。また、

474.

トリアゾリウム環 4 位の置換基としてアルキル基を有す（2）Huo, J.； Hu, H.； Zhang, M.； Hu, X.； Chen, M.；
Chen, D.； Liu, J.； Xiao, G.； Wang, Y.； Wen, Z.

る基質も本反応に適用可能であった。

RSC Adv. 2017, 7, 2281.
3 ．結論（3）Bouffard, J.； Keitz, B. K.； Tonner, R.； GuisadoBarrios, G.； Frenking, G.； Grubbs, R. H.；

本研究では、カチオン性ヘテロ環であるトリアゾリウ
ム環の合成法の改良およびその構造修飾法として新規ア

Bertrand, G. Organometallics 2011, 30, 2617.

ミノ化反応を開発した。今後は、クロロトリアゾリウム（4）Xu, X.； Li, L.； Zhang, Z.； Yan, X. Tetrahedron

塩の薗頭カップリング反応の開発を進め、π拡張型のト― 92 ―

2018, 74, 6846.

申請者

京都大学

権

正行

高効率近赤外発光を指向した
縮環型アゾベンゼンスズ錯体およびπ共役系高分子材料の創出
京都大学

大学院工学研究科

権正行

1 ．はじめに共役系高分子は優れた光吸収、発光特性および電荷輸送能を持ちながらも、設計性や柔軟性、成形性に優れる
ため、塗布型の高分子発光材料や太陽電池といった、電子デバイスへの応用が強く期待されている。高分子合成
図 １ ．非対称構造と対称構造

において、特定の機能を有するモノマーを設計し高分子化を行うことで、ボトムアップ的な視点から優れた性能を有する共役系高分子材料を創り上げることが可能であ

曲により緩和するためと考えられる。つまり、アゾベン

る。我々は、このような機能性モノマーユニットを「元ゼン平面に対して上下対称な配位構造を形成すれば、励素ブロック」と称し、有機化合物の設計性と機能を十分起状態における分子の屈曲は起こらず、結果として溶液に発揮した高分子材料の合成を行ってきた［1–3］。

状態において発光性を示すと期待した。

π共役系高分子における代表的な元素ブロックとしそこで本研究では、上記の配位構造を実現するため14て、
ヘテロ元素が導入されたπ共役系骨格が挙げられる。

族元素であるスズの三方両錐形の五配位構造に着目した中でも、主鎖中にヘテロ元素－ヘテロ元素二重結合を含（図 1 ）。目的とする縮環型アゾベンゼンスズ錯体は2004

むπ共役系高分子は、その二重結合の安定性が低く報告

年に合成が 1 例のみ報告されているが、その発光特性に例は限られている［4,5］。我々は、窒素－窒素二重（N=N）

ついて言及がなされていない［12］。我々は縮環型アゾベ結合を持つアゾベンゼンに着目し、キレート相互作用を

ンゼンスズ錯体の誘導体の合成および高分子化を行い、用いた分子縮環を利用することで光異性化を抑制しつつその光学特性について評価を行った。その結果、赤色～

骨格の安定化を図り、π共役系高分子におけるN=N結

近赤外領域に高効率な発光を示す化合物が容易に得られ合の役割を明らかにしてきた［6–10］。光異性化を抑制したることが判明した。スズ錯体が形成する超原子価結合がアゾベンゼン錯体の光学特性、特に発光特性に関しては

狭エネルギーギャップ化の主要因であることが示唆さ

川島らによる先駆的な研究例が存在する

れ、汎用的な近赤外材料を得る分子設計指針を新たに提

。我々は、

［11］

ホウ素原子によりアゾベンゼン骨格全体を固定化した分示することができた。

子が、モノマー単位では励起状態において分子が屈曲し近赤外光は散乱されにくい・物質透過性が高い・人のほとんど発光性を示さないが、分子を凝集させるもしく

目に見えないという特徴を有し、テレビのリモコンや医は高分子化を行うことで運動性が抑制され、強い発光性

療分野、暗視技術などに利用されている。特に近年では、を示すことを明らかにした［6］。これら一連の研究におい技術の発達により、がん治療や食品の品質管理、植物のて、励起状態における分子の屈曲は、ホウ素の四面体形発育制御、プラスチックの劣化検出、自動運転技術など、の四配位構造が主因であると示唆された。これは、錯体

生活を支える技術に応用がなされ、近赤外光を発する材

構造がアゾベンゼン平面に対して上下非対称であるた料の需要は増加している。本研究成果により、有機材料

め、光励起によるN=N結合の伸長から生じる歪みを屈をベースとした近赤外発光材料の発展が強く見込まれる。

― 93 ―

3 ．結果・考察

2 ．合成方法式 1 に従い、無置換および置換されたキレート剤であ

まず、量子化学計算ソフトであるGaussian 16を用いる2,2′-ジヒドロキシアゾベンゼン誘導体（L-X, X = H, F,て、密度汎関数法（DFT）により縮環型アゾベンゼンス

Cl, Br, I, Me, CF3, OBu, Ph, NPh2）と酸化ジフェニルス

ズ錯体TAz-Hの構造予測を行った（図 2 ）。その結果、ズ（IV）をアセトン中で還流し、反応後ろ過のみの精製

TAz-Hが三方両錐形の五配位構造を形成し、アゾベンゼ

およびアセトン中で再結晶操作を行うことで、目的の縮ン骨格が高い平面性を有することが理論計算によって示

環型アゾベンゼンスズ錯体（TAz-X, X = H, F, Cl, Br, I,唆された。続いて、時間依存密度汎関数法（TD-DFT）に

Me, CF3, OBu, Ph, NPh2）
をそれぞれ合成した。また、より、励起状態の構造最適化を行った。その結果、ホウ別途、高分子合成のモノマーおよびモデル化合物として素錯体の時と同様にN=N結合の伸長が起こるものの、利用するため、L-BrまたはL-Hと酸化ジオクチルスズ

分子の屈曲挙動は観測されなかった。つまり、縮環型ア（IV）を同様に反応させることで、TAz-BrOct, TAz-HOct

ゾベンゼンスズ錯体はホウ素錯体の場合とは異なり、希をそれぞれ合成した（式 2 ）。TAz-BrOctをモノマーとし薄溶液状態において発光性を示すのではないかと予測さて用い、式 2 に従ってフルオレンおよびビチオフェンとれた。

の共重合体をそれぞれ右田・小杉・Stilleクロスカップ

続いて、合成したTAz-Hについて単結晶X線構造解析

リング重合反応により合成した。反応後、ろ過で不溶物を行った。得られた構造を図 3 に示す。理論計算や先行を除去し、アセトニトリル中で再沈殿操作を行うことで研究と同様、アゾベンゼン平面に対して上下が対称的な高分子の精製を行った。その結果、高分子量体のP-TAz-

三方両錐形の五配位構造を有し、アゾベンゼンのC−

Fl（収率71%, Mn = 14,800, Mw = 84,100, Mw/Mn = 5.69）

N=N−C二面角が179.4ºと、高い平面性を有しているこ

およびP-TAz-BT（収率56%, Mn = 30,100, Mw = 189,000,
Mw/Mn = 6.29）
をそれぞれ得ることができた。

式 １ ．縮環型アゾベンゼンスズ錯体の合成

図 ２ ．基底状態と励起状態の計算予測式 ２ ．モノマーとポリマーの合成

図 3 ．TAz-Hの単結晶構造― 94 ―

とが確認できた。四面体形の四配位構造を形成するホウ性置換基の導入（TAz-NPh2）ではλabsが大きく長波長シ

素錯体の場合ではC−N=N−C二面角が165.5ºであった

フトすることが分かった。

ため、予測通り、配位形態の違いがアゾベンゼンの平面性に影響していることが分かった。

PLスペクトル測定において、TAz-Hは希薄溶液条件
下にて発光極大波長（λPL）653 nmの赤色発光を示すこ

続いて、合成により得られた縮環型アゾベンゼンスズとが分かった。また、その絶対発光量子収率（ΦPL）
は4.5%

錯体TAz-Xについて紫外・可視吸収スペクトル測定およであった。縮環型アゾベンゼンホウ素錯体が希薄溶液条

び発光スペクトル測定をそれぞれ行った。測定はクロロ

件下でほとんど発光性を示さない（ΦPL < 0.1%）ことか

ホルム希薄溶液中（1.0×10M）にて行った。結果を図ら、理論予測の結果を支持するものであり、配位元素お4 に示す。吸収スペクトルにおいて、無置換の縮環型アよび配位構造が光学特性に影響を与えていることが示唆

ゾベンゼンスズ錯体TAz-Hは吸収極大波長（λabs）を546された。加えて、置換基の導入によりΦPLが大きく増加

nmに有することが分かった。これは先行研究で報告さ（ΦPL = 5.7 ~ 34.0%）する挙動が見られた。特に、TAz-

れているスズ上のアルキル基がメチル基およびブチル基

NPh2では713 nmという目に見えない近赤外領域でΦPLの値とほぼ一致する。加えて、置換を導入すること= 29.2%と非常に高効率な発光を示し、縮環型アゾベン

により、モル吸光係数（ε）およびλabsに変化が現れるこ

ゼンスズ錯体の長波長領域における発光体としての有用とが分かった。フッ素置換体では短波長シフトが、ヨウ性を示すものであった。発光挙動についてより詳細な検素置換体では長波長シフトがそれぞれ観測された。また、討を行うため、蛍光寿命（τ）測定により、放射速度定数

第 2 周期元素であるフッ素から第 5 周期元素であるヨウ（kr）と無放射速度定数（knr）をそれぞれ算出した。その結素へと変化させることでεが徐々に増加し、合わせてλ果、電子供与性の置換基の導入や共役長の拡張により、

absが長波長シフトする様子が観測された。加えて、Me

krの増加が見られ、knrが大きく減少することでΦPLが増基やアルコキシ基といった電子供与性基を導入すること

加することが分かった。すなわち、ハロゲン置換体におや、フェニル基で共役長を拡張することによってもεがいても、孤立電子対がアゾベンゼンの共役に参加してい増加し、特に共役長の拡張（TAz-Ph）や強力な電子供与るのだと考えられる。

−5

［12］

図 4 ．TAz-Xの吸収・発光スペクトルと光学データ― 95 ―

図 ５ ．超原子価結合による狭エネルギーギャップ化のメカニズム

光学特性に関してより詳細な情報を得るため、密度汎
関数法
（DFT）
による解析を行った。結果を図 5 に示す。
縮環型アゾベンゼンスズ錯体は超原子価結合の形成により、最低空軌道（LUMO）エネルギー準位が下降し、最高被占軌道（HOMO）エネルギー準位が上昇することが分かった。LUMOエネルギー準位の下降はスズ錯体の図 ６ ．モノマーとポリマーの吸収・発光スペクトルと光学データ

エクアトリアル位におけるスズ－窒素配位結合の電子求引 的 な 影 響 が 作 用 し て い る と 示 唆 さ れ た。 ま た、よりkrが著しく増加していることが分かった。縮環型アHOMOエネルギー準位の上昇はスズ錯体の三中心四電

ゾベンゼン錯体は小分子であるが故に高分子化による共子結合に由来したアピカル位の酸素の電子密度の上昇、役系の伸長の影響を大きく受けたものと考えられる。

すなわち、電子供与性の向上によるものと解析できた。
4 ．結言

結果としてHOMO–LUMO間のエネルギー差が小さくな
り、小分子ながらも長波長領域に強い吸収帯を有したの

以上、縮環型アゾベンゼンスズ錯体を合成することで、ではないかと考えられる。このように超原子価結合がπ高効率な赤色～近赤外発光を示す化合物を簡便に合成で共役系の電子物性に影響を与えうることを確かめることきることが分かった。さらに、共役系高分子化が可能で、ができ、赤色や近赤外発光性を示す狭エネルギーギャッ

更なる近赤外発光効率の効率化を達成することができプ性を有する化合物の合成に有効であることが裏付けらた。本結果のように、超原子価結合を有する典型元素錯れた［13］。

体は、実例が少なく希少である近赤外発光を示す有機材

続いて、共重合による共役系高分子の物性について調査を行った。吸収および発光スペクトル測定はクロロホ料を容易に創出可能な新しい分子設計になりうると期待している。

ルム希薄溶液中（1.0×10−5 M）にて行った。結果を図 6に示す。吸収スペクトルにおいてはモノマーと比較し、

謝辞：本研究を進めるにあたり、研究助成という形で多ポリマーで顕著な長波長シフトが観測された。これは、大な支援を頂きました公益財団法人松籟科学技術振興財

N=N結合を含む共役系の伸長に由来するものと思われ団に厚く御礼申し上げます。

る。また、発光スペクトル測定においてλPLは近赤外領
5 ．参考文献域 に 達 し、P-TAz-FLに お い て λPL = 690 nm, ΦPL =
32.2%、P-TAz-BTにおいてλPL = 724 nm, ΦPL = 20.8%［ 1 ］ Chujo Y., Tanaka K., Bull. Chem. Soc. Jpn., 88,
633–643（2015）.

と非常に高効率な近赤外発光特性を有することが分かった。蛍光寿命測定の結果と合わせると、共役系の伸長に［ 2 ］ Gon M., Tanaka K., Chujo Y., Polym. J., 50, 109–

― 96 ―

［ 9 ］ Gon M., Wakabayashi J., Nakamura M., Tanaka K.,

126（2018）.
［3］
 Tanaka K., Chujo Y., Polym. J., 52, 555–566（2020）.

Chujo Y., Macromol. Rapid Commun., 42, 2000566［4］
 Smith R. C., Protasiewicz J. D., J. Am. Chem. Soc.,（2021）.

126, 2268–2269（2004）.

［10］ Gon M., Wakabayashi J., Nakamura M., Tanaka K.,
Chujo Y., Chem. Asian J, 16, 696–703（2021）.

［5］
 Li L., Matsuo T., Hashizume D., Fueno H., Tanaka
K., Tamao K., J. Am. Chem. Soc., 137, 15026–［11］
 Y oshino J., Kano N., Kawashima T., Chem.
Commun., 559–561（2007）.

15035（2015）.
［6］ Gon M., Tanaka K., Chujo Y., Angew. Chem. Int.

［12］
 Bessler K. E., dos Santos J. A., Deflon V. M., de

Ed., 57, 6546–6551（2018）.

Souza Lemos S., Niquet E., Z. anorg. allg. Chem.,
630, 742–745（2004）.

［ 7 ］ G on M., Wakabayashi J., Tanaka K., Chujo Y.,［13］ Gon M., Tanaka K., Chujo Y., Chem. Eur J., 27,

Chem. Asian J., 14, 1837–1843（2019）.
［ 8 ］ W akabayashi J., Gon M., Tanaka K., Chujo Y.,
Macromolecules, 53, 4524–4532（2020）.

― 97 ―

7561–7571（2021）.

申請者

大阪府立大学前田壮志

機能性色素の高秩序集積化によるp-nヘテロ接合の構築と光電変換素子への展開
大阪府立大学

大学院工学研究科

前田壮志

1 ．研究背景と目的
有機薄膜太陽電池は、電子ドナーからアクセプターへの光誘起電子移動とそれに続く電荷移動によって起電する。従って、ドナーとアクセプターの接合界面を拡大す
ると同時に、ホール及び電子の両電極への巨視的な輸送パス（p-及びn-チャンネル）を構築できれば、光電流を獲得できる。このようなバルクヘテロ構造はフラーレン誘

図 1 ．機能性色素の自己組織化によるp-/n-チャンネルの形成

導体及びドナー材料の結晶性と相溶性のバランスで主に2 ．結果と考察制御されており、アモルファス部分とp-/n-チャンネルはランダムに構築される。電子ドナー及びアクセプター

全色素型D-Aダイアドの構成成分として可視光から近成分からなる分子（D-Aダイアド）は有機薄膜太陽電池の赤外光領域に卓越した吸収能を示し、卓越した電子ド

基本要素を分子内に備えており、電荷移動パスを構築でナー性を持つスクアレン色素（SQ）を選択した。また、きれば、原理的には単一成分で光電変換層とすることがSQの主吸収帯とオーバーラップしないナフタレンジイ可能である。開発当初までにC60誘導体やオリゴアレー

ミド（NDI）およびペリレンビスイミド（PBI）をアクセプ

ン類をベースとしたD-Aダイアド（超）分子に両親媒性、ター成分として選択した。これまでに、アクセプター成液晶性等を付与することで、各成分の独立したπスタッ

分のπ共役系にSQ骨格を連結したダイアド分子をパラキングによりメソスケールでp-及びn-チャンネルを構築

ジウム触媒によるクロスカップリング反応で合成し、そした例が報告されていた1-3。電極間での巨視的な電荷移

れらの光吸収・電気化学特性を調査した（図 2 ）5,6。また、動パスの構築や電荷分離に続く電荷再結合の抑制によ得られたダイアド分子を用いて電界効果トランジスタをり、それらを用いたセルの光電変換能は向上しつつあり試作したところ、p型半導体特性を示したものの、その（変換効率3.4%）4、高速電荷移動可能なp-/n-チャンネル

キャリア移動度は低い値であった（ホール移動度10 −4～の構築を可能とする新規D-Aダイアドの開発が求められ

10 −6 cm 2V −1s −1）。 これは、NDI成分とSQ成分間の捻じていた。
本課題は機能性色素の優れた光吸収特性や剛直性に着目して、非フラーレン系全色素型のD-Aダイアドを合成
し、色素のπスタッキングに基づいてp-/n-チャンネルの構築を可能とする自己組織体の創製を目指した（図1）。ドナー及びアクセプター性色素とそれらの連結ユニットを最適化し、自己組織化の構造的因子を把握し、メソスケールの自己組織体を巨視的なp-/n-チャンネル
図 2 ．これまでに合成したSQ-NDI連結分子形成へと導く方法を検討した。

― 98 ―

れによって、分子パッキングが阻害され、キャリア移動

らSQ成分及びNDI成分が独立した発色団を形成していに適当なπ軌道の重なりが阻害されたためであると考えることが明らかとなった。また、
TISQの蛍光量子収率は、られる。よって、本研究では、NDIのイミド置換部位に

SQ成分のみを持つモデル化合物 6 に比べて著しく低い

SQ骨格を結合させたトリアド分子を設計し、その合成値を示した。このことは、SQ成分の励起状態がNDI成ルートの最適化を行った（図 3 ）。自己組織化を促すリン分によって高効率でクエンチされていることを示しておカーの構造として、エチレンジイル基を採用し、所望のり、SQ-NDI間での電子移動を示唆された。これを検証

SQ-NDI-SQトリアド分子TISQの合成に成功した。得らするべくTISQの電気化学特性をサイクリックボルタン

れたトリアド分子中のエチレンジイルリンカーはイミド

メトリーで評価した（図 5 ）。TISQの酸化電位はSQ成分

基との分子内水素結合によって固定され、SQ成分とのモデル化合物 6 と同程度となり、また、その還元電位

NDI成分間の自由回転を阻害し得ることが予想された。

はNDI成分のモデル化合物NDIrefと一致した。これより、

次に得られたTISQの光吸収・電気化学特性を調査しTISQの分子内において、SQとNDIは独立して酸化還元

た。 TISQの電子吸収スペクトルを測定したところ、各を 受 け る こ と が 示 さ れ た。 ま た、 酸 化 還 元 電位 よ り

成分に由来した吸収帯が観測された（図 4 ）。このことかTISQの 最 高 被 占 軌 道（HOMO）お よ び 最 低 空 軌 道（LUMO）を算出した。その結果、SQ成分からNDI成分
への電子移動が熱力学的に進行することが確認された。
SQ色素が会合した場合、SQ発色団間の励起子相互作

図 3 ．自 己組織化によるp-/n-チャンネルの形成に向けたト
リアド分子TISQ

図 4 ．CHCl3中におけるTISQの電子吸収スペクトルおよび蛍光発光スペクトル

図 5 ．A）TISQの サ イ ク リ ッ ク ボ ル タ モ グ ラ ム（ 電 極：
glassy carbon作用電極、白金対極、Ag/AgCl参照電極、．B） HOMO支持電解質：TBAPF6、溶媒：CH2Cl2）
LUMUエネルギーダイアグラム― 99 ―

用によって吸収帯の大幅なシフトが観測されるため、吸が見られた。J会合体を形成する混合溶媒中（クロロホル

収スペクトル変化は凝集体形成のサインとなり得る。

ム－アセトニトリル）の 1H NMRを種々の温度で測定しよって、用いる溶媒や温度等の条件を換えて吸収スペク

たところ、分子間及び分子内水素結合の形成が示唆され、トルを測定し、TISQの自己組織化挙動を評価した。さ溶液中におけるアミド結合由来の水素結合がトリアドのらに、外部環境（溶媒・温度）が自己組織化に及ぼす効果

自己組織化に関与していることが示された。さらに、こを明らかにするとともに、得られた自己組織体の構造をの自己組織体の構造を原子間力顕微鏡（AFM）及び透過

AFM等により直接観察した。TISQにとって良溶媒であ型電子顕微鏡（TEM）で直接観察した（図 7 ）。その結果、るクロロホルム、貧溶媒であるアセトニトリルを溶媒にJ会合体は直径200 nm程度の球状の形態であることが明

用いて、疎溶媒効果による自己組織化を検討したところ、らかとなった。

時間経過に伴って、SQ色素由来の主吸収帯が減少し、一方、TISQのトルエン－メチルシクロヘキサン混合

長波長領域に新たな吸収帯が出現した（図 6 ）。この結果

溶媒中での吸収スペクトルを測定したところ、クロロホから、上述の混合溶媒系でTISQはJ会合体を形成していルム－アセトニトリル中とは異なり、SQ成分に比べてることが明らかとなった。J会合体に由来する600 nmの低波長側に新たな吸収帯が出現した（図 8 ）。この結果か

吸光度を温度に対してプロットすると、温度上昇とともら、TISQはトルエン－メチルシクロヘキサン中でH会に600 nmの吸光度が低下した。この吸光度の温度依存合体を形成することが明らかとなった。このように、性から、TISQが核形成－成長メカニズムで凝集するこ

TISQは用いる溶媒の選択により、その自己組織化を制とが明らかとなった。昇温後に冷却したところ、J会合御可能で、J及びH凝集体を作り分けできることが示さ

体は速やかに形成されず、図6Bのようにヒステリシス

れた。この自己組織体の構造をAFM及びTEMで直接観察したところ、H会合体はファイバー状の形態を採っていることが示された（図 9 ）。また、TISQはトルエン－
メチルシクロヘキサン中において、可逆的なゾル－ゲル転移を引き起こした。これは凝集により形成されたファイバー状自己組織体の絡み合いによるものと推察される。このように、TISQの凝集構造は、溶媒の選択によって制御できることが明らかとなった。
SQは優れた電子ドナー性を示し、またNDIは電子ア

図 6 ．A) CHCl3/CH3CN混 合 溶 媒（CHCl3/CH3CN, 1/3, v/v）
中におけるTISQの温度可変吸収スペクトル．B) 吸光度（600 nm）－温度プロット．赤線；昇温過程、青線；
降温過程。

図 7 ．CHCl3/CH3CN混合溶媒中で形成されたJ会合体の原子間力顕微鏡像（Si基盤）。

― 100 ―

図10．TISQを 光 活 性 層 に 持 つ 有 機 薄 膜 太 陽 電 池（Au：（実線）
MoOx：TISQ：ZnO：ITO）のIPCEスペクトルと吸収スペクトル（点線）

陽 光 照 射（AM 1.5G, 100 mW/cm2）下 で 評 価 し た と ころ、低いながらも光電流が観測された。この結果より、ダイアド分子の自己組織体が両成分間での電荷分離と電荷移動を可能とするp-nヘテロ接合を提供し得ることが
図 8 ．A）toluene/methylcyclohexane混 合 溶 媒（ 1 /1, v/v）
中におけるTISQの温度可変吸収スペクトル。B）吸光度（590 nm）－温度プロット。

明らかとなった。
3 ．結論
スクアレン色素（SQ）とナフタレンジイミド（NDI）からなるトリアド分子TISQの自己組織化によって、p-nヘテロ接合を構築した。両色素成分をアルキルアミド骨格で連結することで、両成分の光吸収および電気化学特性は 保 持 さ れ、 両 成 分 間 の 電 子 移 動 が 可 能 で あ っ た。
TISQは極性の高いCHCl3/CH3CN混合溶媒中ではJ-like
なナノ粒子状凝集体へと自己組織化し、極性の低い
toluene/methylcyclohexane混 合 溶 媒 中 で はH-likeな
フィブリル状凝集体へと自己組織化することが明らかとなった。このように溶媒によって得られる自己組織体が異なる極めて珍しい系であるが、アミド基とイミド基の間の水素結合が特異な自己組織化挙動に関わっているこ

図 9 ．toluene/methylcyclohexane混合溶媒中で形成されたH会合体の原子間力顕微鏡像（Si基盤）。

とが示唆された。さらに、TISQを用いた有機薄膜太陽電池は、TISQの吸収帯に分光感度を示したことから、TISQが光活性層として機能していることが明らかとクセプター性を示すため、TISQは単独で光電変換材料なった。現状では、その光電変換効率は著しく低い。ことして機能する可能性がある 。得られたTISQを光電変

れは、TISQの薄膜形成の際に、溶液中で見られたよう換層として有機薄膜太陽電池を試作・評価した（図10）。

なSQとNDI成分がそれぞれスタックした自己組織体がITO基板上に酸化チタン薄膜を作製し、TISQ溶液を60形成されなかったためであると考えられる。溶液中の自nmの厚みでスピンコートした。さらに、酸化モリブデ

己組織化を如何に薄膜で実現するかという課題は残されン及び金電極を真空蒸着して、セル面をガラス基板で封ているものの、全色素型トリアド分子が単独で光電変換

止することでセルを完成させた。作製したセルを疑似太に寄与したことから、本研究を通して、超分子的アプロー

7― 101 ―

チによるp-nヘテロ接合の構築に関する可能性と制限がIchihara, T. Shimomura, K. Ito, T. Hashizume, N.

示された。

Ishii, T. Aida, Science 2004, 304, 1481.
（3）
 J . M. Mativetsky, M. Kastler, R. C. Savage, D.

4 ．謝辞

Gentilini, M. Palma, W. Pisula, K. Müllen, P. Samorì,Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2486.

本研究を実施するにあたりご支援下さいました公益財
団法人松籟科学技術振興財団および関係者の皆様に心よ（4） C.-L. Wang, W.-B. Zhang, H.-J. Sun, R. M. V.  Horn, R.

り御礼申し上げます。凝集体の形成メカニズムの解明に

R. Kulkarni, C.-C. Tsai, C.-S. Hsu, B. Lotz, X. Gong,

ご助言くださった名古屋大学大学院理学研究科物質理学

S. Z. D. Cheng, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 1375.
（5）
 T. Maeda, F. Würthner, Chem. Commun. 2015, 51,

専攻 大城宗一郎先生に感謝申し上げます。

7661.
5 ．参考文献（6） T. Maeda, J. Zhou, Y. Oda, H. Nakazumi, S. Yagi,
Res. Chem. Int. 2018, 44, 4783.

（1） A . P. H. J. Schenning, J. v. Herrikhuyzen, P.
Jonkheijm, Z. Chen, F. Würthner, E. W. Meijer, J.

（7） T. Maeda, A. Liess, A. Kudzus, A.-M. Krause, M.

Am. Chem. Soc. 2002, 124, 10252.

Stolte, H. Amitani, S. Yagi, H. Fujiwara, F.

（2）
 J . P. Hill, W. Jin, A. Kosaka, T. Fukushima, H.

― 102 ―

Würthner, Chem. Commun. 2020, 56, 9890.

研究報告集第 33 集 （非売品）

2022年 3 月 1 日発行
発行所

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