倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2019 年度（第 51 回）助成
自然科学・工学研究部門：1 年助成■受領№1392

高次フラーレンとのπ相互作用を利用したハロゲン化芳香族類の密度分離・定量
代表研究者

久保拓也

京都大学

大学院工学研究科

准教授

Separation and determination of halogenated aromatic compounds by
π-interactions with higher fullerenes
Principal Researcher

Takuya Kubo,
Graduate School of Engineering, Kyoto University, Associate Professor

ハロゲン結合を利用した材料開発について，分子インプリントポリマー(MIP)の例はほとんどなく，ハロゲン結合に基づく MIP の基礎的な知見収集は，人工分子認識材料の飛躍的な発展，新規材料開発設計に寄与すると期待される。そこで本研究では，ハロゲン結合を分子認識の主たる駆動力に利用した新規MIP の合成と，その分子認識能の評価を行った。その結果，鋳型分子に対する位置選択的な吸着が確認された。1H NMR，13C NMR における化学シフトの変化から，この位置選択的な分子認識には，機能性モノマー由来のイミダゾール基とヨウ素原子間とに働く強いハロゲン結合が寄与していることが示唆された。今後，ハロゲン結合に基づく MIP を用いる TR 結合物質や臭素化難燃剤等ハロゲン化芳香族類の選択的分離・分析の進展が期待される。
In the development of new materials using halogen bonding, the reports for molecularly imprintedpolymers (MIPs) are rarely studied and MIP using halogen bonding will provide new knowledges for
artificial molecular recognition. Here, we develop new MIPs for halogenated compounds. The MIP
showed higher selective adsorption for a targeting molecule and NMR results revealed the presence ofhalogen bonding with a functional monomer. In the future, we expect that these MIPs can be used for theeffective analyses of halogenated environmental pollutions.

1．研究内容駆動力に利用した新規 MIP の合成と，その分子認

1−1．背景と概要識能の評価を行った。

現在までに，水素結合やイオン結合など様々な鋳型分子に m-diiodobenzene (m-DIB)， 1,3,5-分子間相互作用を組み合わせて，抗体に迫る分子triiodobenzene (TIB) ， tetrafluorodiiodobenzene

認識能を持った MIP の開発が報告されている。一(TFDIB)， 機能性モノマーに 1-vinylimidazole，架方で，ハロゲン結合を用いた MIP 合成の例はほと橋剤に divinylbenzene をそれぞれ用いて MIP を調んどなく，ハロゲン結合に基づく MIP の基礎的な製した。鋳型分子を加えない非インプリントポリマ

知見収集は，人工分子認識材料の飛躍的な発展，ー (NIP) も作製し，MIP 及び NIP を充填した新規材料開発設計に寄与すると期待される。そこ

HPLC 用カラムを作製した。各カラムの HPLC 測定で本研究では，ハロゲン結合を分子認識の主たるによって，種々のハロゲン化ベンゼンの保持選択性

倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2019 年度（第 51 回）助成
自然科学・工学研究部門：1 年助成を評価した。この際，分子認識における疎水性相互m-DIB の芳香環上の水素が機能性モノマーと水作用の影響を抑制するため，移動相には cyclohexane素結合を形成している可能性が考えられる。そこを用いた。また，NMR の化学シフトを評価するこで，機能性モノマーの量を m-DIB の水素数にあわとで，各 MIP の分子認識機構について考察を行った。

せ，鋳型分子の 4 当量にして表 1 に示す組成で鋳型分子に TIB， TFDIB を用いた MIP においMIP を作製した。比較のために NIP も作製し，そて，鋳型分子に対する選択的保持が確認された。

れぞれカラムに充填した。そして，LC 測定によっ

特に TIB では，m-DIB に対する保持選択性も向上て各カラムにおける種々のハロゲン化ベンゼンのしており，芳香環の m-位に存在するヨウ素選択的保持係数を評価した。また，m-diiodotetrafluoro

な MIP 合成が示唆された。また，1H NMR， 13Cbenzene (m-DITFB)を鋳型分子に用いた MIP もNMR における化学シフトの変化から，この位置選同様に評価した。同様に，表 2 示す組成で 1，3，択的な分子認識には，機能性モノマー由来のイミ5triiodebenzene を鋳型とする MIP（TIB-MIP 及ダゾール基とヨウ素原子間とに働く強いハロゲンび NIP）を作製し，カラムに充填して液体クロマ結合が寄与していることが示唆された。今後，ハトグラフィー (LC) 測定で保持能を評価した。

ロゲン結合に基づく MIP を用いる甲状腺ホルモDIB よりも電子求引基のヨウ素が多く，より強力ン受容体 (TR) 結合物質や臭素化難燃剤等ハロなハロゲン結合形成が期待される。LC 評価のほか

ゲン化芳香族類の選択的分離・分析の進展が期待に NMR を用いた検証も行った。

される。
1−3．結果と考察
1−2．実験

1−3−1．ハロゲン結合を利用した MIP の評価

1−2−1．ハロゲン結合を利用した MIP の合成

機能性モノマーを 1.3 mmol および 2.6 mmol 用い

TR 模倣 MIP の分子認識能向上を目的として，て調製した m-DIB-MIP カラムにおける各溶質のハロゲン結合を駆動力とする MIP の合成を行っ保持係数と Imprinting factor を図 1 に示す。機能た。位置選択的な保持能を獲得するために，性モノマーを 1.3 mmol および 2.6 mmol 用いて調

m-diiodobenzene (m-DIB) を タ ー ゲ ッ ト と し た

製した m-DITFB-MIP カラムにおける各溶質の保MIP の合成を行った。m-DIB が形成するハロゲ

持係数と Imprinting factor を図 2 に示す。機能性

ン結合は弱いため，m-DIB-MIP の重合においてモノマー量を増やすことで DITFB 群への保持がm-DIB-MIP
m-DITFB-MIP
NIP

TIB-MIPNIP

表 1. m-DIB-MIP, m-DITFB-MIP 重合溶液の組成 (50 ºC, 24 h).
Cross
Functional
Template
Initiator
linkermonomerm-DIB
151 mg (320 μmol)
1–vinylimidazole
DVB
ADVN
m-DITFB
236 μL (2.5620 mg
1.0g
30.1 mg (320 μmol)mmol)―

表 2. TIB-MIP 重合溶液の組成 (50 ºC, 24 h).
Cross
FunctionalTemplate
linkermonomer
TIB
1–vinyli
DVB
146 mg (320 μmol)
midazole
1.0 g
89 μL (0.96 mmol)―Solvent

methanol
2.0 mL

Initiator

Solvent

ADVN
20 mg

methanol
2.0 mL倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2019 年度（第 51 回）助成
自然科学・工学研究部門：1 年助成

1.3 mmol imidazole-MIP
2.6 mmol imidazole-MIP

8

1.87

1.6

Imprinting factor

Retention factor

1.3 mmol imidazole-MIP
2.6 mmol imidazole-MIP

65431.4
1.2
10.80.6

20.4

10.2000.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5

図 1. 1.3 mmol および 2.6 mmol 用いて調製した m-DIB-MIP カラムにおける各溶質の保持係数とImprinting factor.
1.3 mmol imidazole-MIP

1.3 mmol imidazole-MIP

2.6 mmol imidazole-MIP

2.6 mmol imidazole-MIP
4.5

1210864

Imprinting factor

Retention factor

1443.5
3
2.5
21.5
120.5

00
0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5

図 2. 1.3 mmol および 2.6 mmol 用いて調製した m-DITFB-MIP カラムにおける各溶質の保持係数とImprinting factor.
顕著に増加しており，機能性モノマーであるノマー間のハロゲン結合が十分に強力であるため，

1-vinylimidazole と DITFB 間のハロゲン結合が保鋳型分子の 2 当量の機能性モノマーでハロゲン結持に寄与していることがわかった。

合が形成しきっていると考えられる。

また，m-DIB-MIP において機能性モノマーを 2

m-DITFB-MIP において m-DIB に対する保持選当 量 か ら 4 当 量 に 増 加 す る こ と で m-DIB ，択性が小さい理由は m-DIB がハロゲン結合を形

m-DITFB に対する Imprinting factor が増大して成しにくいからだと考えられる。

いる。これは，m-DIB と機能性モノマー間のハロTIB-MIP，NIP における各溶質の保持係数およゲン結合が弱く，鋳型分子の 2 当量の機能性モノび Imprinting factor を図 3 に示す。TIB に対するマーでは複合体を形成しきれていないためだと考Imprinting factor が一番大きいことから鋳型分子えられる。ハロゲン結合による複合体を形成してに対する分子認識場の形成に成功したと考えられいない機能性モノマーは m-DIB の水素と水素結る。m-DIB に対する保持選択性は確認できたが，合している可能性が考えられる。m-DITFB-MIP

m-DITFB に対する保持選択性は確認できなかっにおいては 4 当量にすることで Imprinting factorた。このことから，ハロゲン結合より水素結合がが減少した。このことから m-DITFB と機能性モ優先された可能性がある。機能性モノマーの増量倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2019 年度（第 51 回）助成
自然科学・工学研究部門：1 年助成
blank

I. F.

TIB-MIP

6352.54231.521

10.5

00NIP

I. F.

2.521.8
1.6
1.4
1.221.5

10.8
0.6
0.4
0.2010.50Imprinting factor

3.5Retention factor

NIP

Imprinting factor

Retention factor

TIB-MIP7

図 3. TIB-MIP, NIP における各ヨウ素化合物の図 4. TIP-MIP, NIP における各ブロモ化合物の保持係数および Imprinting factor.

保持係数および Imprinting factor.

図 5 ビニルイミダゾールを加えた際の TIB の NMR スペクトルお よ び 1,3,5-triiodo-2,4,6-trifluorobenzene-MIP合に基づく保持であると示唆された。ヨウ素化合の保持選択性評価を行うことで確認が可能だと考物の Imprinting factor が小さいのは分子サイズがえられる。次に，TIP-MIP， NIP における各溶質小さいこととσホールが小さいことに起因するとの保持係数および Imprinting factor を図 4 に示す。

考えられる。

1,3,5-TBrP に対する Imprinting factor が一番大きいため，鋳型分子である TIB に対してと同様の相互作用に基づく分子認識能が確認できた。また，ヨウ素化合物より保持が小さいため，ハロゲン結1−3−2. NMR を用いたハロゲン結合の評価
上記で，ハロゲン結合に基づく分子認識能が確認さ倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2019 年度（第 51 回）助成
自然科学・工学研究部門：1 年助成

れた。
そこで，
この科学的根拠を明らかにするために，

Nakajima, Koji Otsuka, Selective separation of

NMR のケミカルシフト変化を比較した。ヨウ素を含thyroid-hormone-receptor

むいくつかのベンゼン誘導体に対して，ビニルイミダ

using molecularly imprinted polymers

ゾールを当量，2 当量，4 当量加えた際の変化を確認（投稿中）Eisuke Kanao, Hayato Osaki, Hikaru

した。
通常，何の相互作用も発現していない場合には，Takaya, Tomoharu Sano, Takuya Kubo, Yasushi

NMR おけるケミカルシフトは変化しない。

Ishihama, Koji Otsuka, Molecularly imprinted

それぞれの測定の結果は，図 5 に示す通り，1H及び 13C のいずれの評価においても，ヨウ素が置換していな炭素原子及びその水素原子でのみ水素結合によるケミカルシフトの変化が確認された。
一方で，トリヨードベンゼンの場合には，水素結合が確認されたなかった。また，トリヨードベン
ゼンでは，ヨウ素の置換した炭素では，イミダゾールの存在によって，ケミカルシフトが低磁場側にシフトしている。以上のことから，TIB を鋳型にすることで，通常働くと予想された水素結合性の相互作用は打ち消されて，ハロゲン結合のみが寄与したと考えられる。結果として，TIB-MIP においてはメタ位のヨウ素のみが選択的に保持されることが明かとなった。
1−4．まとめ
ハロゲン結合を利用した MIP の合成に成功した。
また，NMR を用いた評価から，分子認識場におけるハロゲン結合の存在も明らかにした。本手法を応用することで，環境中で問題視されているハロゲン化芳香族類の精密分離が実現すると期待できる。

2．発表（研究成果の発表）
学会発表
久保拓也，中島大介，大塚浩二，第 29 回環境化学討論会（2021 年 6 月）分子認識材料を利用した
TR 結合物質のスクリーニング（大阪市）
久保拓也，中島大介，大塚浩二，環境化学物質 3 学
会合同大会（2022 年 6 月）Simple screening system
for the TR-binding substances using molecular
recognition materials（富山市）
論文発表（ 投 稿 中 ） Takuya Kubo, Shuhei Yamamoto,
Yoshiyuki Watabe, Tetsuya Tanigawa, Daisukebindingpolymers by halogen bondingsubstances