励起状態近接効果を利用した新規 UVA−UVB
ハイブリッド型サンスクリーンの開発
群馬大学大学院工学研究科応用化学・生物化学専攻

吉 原利 忠The synthesis and photophysical properties of N-hydroxyethyl-o-aminoactophenone (HEAAP), and UVA-UVB
hybrid compound (MBCE-HEAAP, MNCE-HEAAP) based on HEAAP and UVB absorbers have been studied by using
fluorescence and time-resolved photoacoustic method. The absorption band of HEAAP in solution is observed at UVA
region. The fluorescence quantum yield (Φf) of HEAAP depends on the nature of the solvent. In n-hexane, HEAAP
gives very small Φf value (Φf = 4.5 x 10-4), suggesting the presence of very fast nonradiative deactivation processes. Themeasurement of the quantum yield of the intersystem crossing of HEAAP based on the photoacoustic method clearly showsthat the fast radiationless processes in n-hexane are due to internal conversion. This efficient S1 -> S0 internal conversion
arises from vibronic interaction between close-lying 1(π,π*) and 1(n,π*) states (the proximity effect). For MBCE-HEAAP
and MNCE-HEAAP, these absorption bands are observed at UVB and UVA region. The fluorescence intensity of MBCE orMNCE decreases extremely showing that effective energy transfer from MBCE or MNCE unit to HEAAP moiety occurs.
The photostability of MBCE-HEAAP in n-hexane is higher than that of methoxycinnamic acid ethyl ester which is typicalUVB sunscreen. These results suggest that UVA-UVB hybrid compound has a high potential for the sunscreen.

１．緒

新しい UVA サンスクリーンの開発を行う。また，開発し言たUVAサンスクリーンとUVB 領域に吸収を示す化合物を連

光は生命維持活動において必要不可欠な要素であるとと結させ，吸収した UVB を UVA にエネルギー移動させるもに，時として，生命活動に対して危機的に作用すること

UVA-UVB ハイブリッド型サンスクリーンの開発を行う。

もある。特に，太陽光に含まれる紫外線が人体の皮膚に暴

２．実

露された場合，サンバーンおよびサンタンなどの日焼けだけでなく，光老化や皮膚がんを誘発することが知られてい２.１

験

試料，溶媒る。これらは，UVB（290−320 nm）領域の中波紫外線がo- アミノアセトフェノン（o-AAP，東京化成）は，シリ主な原因とされてきたが，近年の研究から真皮深くまで到カゲルカラムクロマトグラフィー（展開剤：クロロホル

達する長波紫外線（320−400 nm）の影響も無視できないこ

ム：酢酸エチル（4 : 1 v/v））で精製して用いた。n- ヘキサとが指摘されている。UVA は太陽光線中に UVB と比較しン（n-Hex，関東化学），アセトニトリル（MeCN，関東化学），て 20 倍以上含まれており，DNA 損傷を引き起こし，光発メタノール（MeOH，関東化学）は蛍光分析用を用いた。

がんをもたらすことも報告されている。現在，UVA 領域に適した有機系サンスクリーンは，ヒドロキシフェニルベ

２. ２測定方法ンゾトリアゾール誘導体 1），ジベンゾイルメタン誘導体 2）

２. ２. １吸収，蛍光スペクトルのみである。これらの化合物は，光化学反応や励起状態で吸 収 ス ペ ク ト ル は 紫 外 可 視 分 光 光 度 計（ 日 本 分 光，の分子の構造変化を利用して，吸収した光エネルギーを熱Ubest-V 550），蛍光スペクトルは分光蛍光光度計（日立，エネルギーに変換している。このため，副反応によって効F- 7000）を用いて測定した。蛍光スペクトル補正は，標準果が低下することが指摘されており，UVA 領域の紫外線試料から求めた補正曲線を用いて行った。

を吸収する新しい有機系サンスクリーンの開発が望まれて
２. ２. ２いる。
3）

蛍光量子収率本研究課題では，励起状態近接効果 を利用して，光エ蛍光量子収率（Φf）は，絶対蛍光量子収率測定装置 4）（浜ネルギーを効率的に熱エネルギーに変換する分子を用いた

松ホトニクス，C 9920 - 01）で測定した o-AAP の MeCN 中における蛍光量子収率の値（Φf= 0 . 020）を標準値として相対法を用いて決定した。

Development of Novel UVA-UVB HybridSunscreen Based on Proximity EffectToshitada Yoshihara
Department of Chemistry and ChemicalBiology, Graduate School of Engineering,
Gunma University

２. ２. ３時間分解光音響分光測定 5）

光音響信号測定のための励起光源は，Nd 3 +：YAG レーザー（スペクトラフィジクス，GCR- 130，パルス幅：6 ns）の第三高調波（355 nm）を用いた。試料溶液からの光音響− 45 −

コスメトロジー研究報告 Vol.21, 2013

信号は，シリコングリースをカップリング剤としてセル

３. ２

HEAAP の励起状態緩和過程

面に圧着させた圧電素子（Panametrics，V 103，1 MHz）

３. ２. １を 用 い て 検 出 し， そ の 信 号 を プ リ ア ン プ（Panametrics，

図２に HEAAP の n-Hex，MeCN，MeOH 中における吸HEAAP の吸収，蛍光スペクトル

5676，50 MHz，40 dB，入力インピーダンス：100 kΩ）で収・蛍光スペクトルを示す。また，表１にそれぞれの極大増幅し，デジタルオシロスコープ（テクトロニクス，TDS-波長（labs，lflu）を示す。

540）に取り込んだ。試料溶液に対する励起レーザー光の強３. ２. ２

度は，ND フィルターを用いて可変させ，その強度をレー収率（Φf，Φisc，Φic）

ザーパワーメーター（Laser Precision，
RJ- 7610）で測定した。

３．結HEAAP の蛍光，項間交差，内部変換の量子表 1 に o-AAP の MeCN 中におけるΦf 値（0 . 020）を基準

果に相対法によって決定した HEAAP のΦf 値を示す。

３.１ N- ヒドロキシエチル -o- アミノアセトフェノン（HEAAP）の合成した。図３⒜に HEAAP の n-Hex 中で観測された音響信号，

HEAAP は，ジメチルホルミアミド（DMF）を溶媒，炭⒝に参照化合物である 2 - ヒドロキシベンゾフェノン（2 -酸カリウム（K 2 CO 3）を塩基として用いて，o-AAP とヨーHBP）の音響信号を示す。観測された音響信号の振幅（H）
は，ドエタノールを 100℃で 4 時間撹拌することで得た（図１）。

それぞれ⑴式および⑵式で示される。

HEAAP のΦisc 値は時間分解光音響分光法によって決定

粗生成物の精製は，シリカゲルカラムクロマトグラフィー

HS=KaE 0 S（1 - 10 -AS）

（展開剤：ヘキサン：酢酸エチル（1 : 1 v/v）
）および GPCR

HR=KE 0 （1 - 10（展開剤：クロロホルム）を用いて行った。化合物の同定は，
1）⑵

こ こ で，K は 装 置 定 数，E 0 S，E 0 R は そ れ ぞ れ HEAAP，H-NMR で行った。

図１

HEAAP の合成スキーム
表1

図２⑴

-AR

HEAAP の吸収・蛍光スペクトル

溶媒labs/nm

lflu/nm

Φf

Φisc

Φic

n-Hex

373

4520 . 00045< 0 . 01> 0 . 99

MeCN

378

458

0 . 0071

0 . 060 . 93

MeOH

3804820 . 0150 . 090 . 90

図３− 46 −HEAAP の光物理パラメーター

HEAAP および 2-HBP の n-Hex 中における光音響信号

励起状態近接効果を利用した新規 UVA-UVB ハイブリッド型サンスクリーンの開発

2 -HBP を励起するためのレーザー光強度，AS，AR はそれ定し表１にまとめた。

ぞれ HEAAP，2 -HBP の励起波長（355 nm）での吸光度で

Φ ic= 1 − Φf − Φiscある。a は試料の熱変換効率であり，2 -HBP では a= 1 であ⑸る。⑴式，⑵式から a は⑶式で示される。
a=（（HSE 0 R（1 − 10 -AR））/（（HRE 0 S（1 − 10 -AS））

⑶

３. ３

MBCE-HEAAP，MNCE-HEAAP の合成

MBCE-HEAAP，MNCE-HEAAP は，DMF を 溶 媒，EDC

a 値は，ND フィルターで変化させたレーザー光強度に塩酸塩を縮合剤，N, N- ジメチルアミノピリジン（DMAP）対して，それぞれの音響信号の振幅をプロット（図４）し，を添加剤として用いて，HEAAP と 4’- メトキシビフェニ

最小二乗法解析により導出した傾きを用いて決定した。

ル - 4 - カルボン酸，あるいは 6 - メトキシナフタレン - 2 - カ分子の励起三重項状態の寿命が他の緩和過程より十分にルボン酸を室温にて 20 時間撹拌することで得た（図５）。

長い場合，分子に与えた光エネルギーは⑷式で示される。

粗生成物の精製は，シリカゲルカラムクロマトグラフィー

El=Φf<ES>+ΦiscET+aEl（展開剤：クロロホルム）および GPC（展開剤：クロロホ⑷1ルム）を用いて行った。化合物の同定は，
H-NMR で行った。

ここで El は励起エネルギー，<ES> は分子の蛍光平均エネルギー，ET は分子の三重項エネルギーである。⑶式および ⑷ 式を用いることにより，各溶媒中における HEAAP

３. ４ MBCE-HEAAP，MNCE-HEAAP の励 起 状 態緩和過程の Φisc 値を決定し表１にまとめた。

図 ６ に MBCE-HEAAP ⒜，MNCE-HEAAP ⒝ の n-Hex

HEAAP の Φic 値は，励起一重項状態からの緩和過程が，蛍光，項間交差，内部変換であると仮定して⑸ 式より決中 に お け る 吸 収・ 蛍 光（ 励 起 波 長：285 nm）・ 蛍 光 励 起（観測波長：480 nm）スペクトルを示す。また，図７⒜にMBCE-HEAAP および 4’- メトキシビフェニル - 4 - カルボン酸エチルエステル（MBCE），⒝に MNCE-HEAAP および 6 - メトキシナフタレン - 2 - カルボン酸エチルエステル（MNCE）の n-Hex 中における蛍光スペクトルを示す。ここ で，MBCE-HEAAP あ る い は MNCE-HEAAP お よ び
MBCE の励起波長（280 nm）における吸光度はそれぞれ等しくして測定を行った。

３. ５

MBCE-HEAAP の光安定性の評価

図８⒜に MBCE-HEAAP，⒝に 4 - メトキシけい皮酸エチルエステル（MCEE）の n-Hex 中，超高圧水銀灯照射（λ> 290 nm）における吸収スペクトル変化，図９に 295 nm で
図４

レーザー光強度に対する音響信号の振幅のプロット

図５のそれぞれの化合物の吸光度の相対変化（A 295 t/A 2950）を示す。

MBCE-HEAAP，MNCE-HEAAP の合成スキーム− 47 −

コスメトロジー研究報告 Vol.21, 2013

図８ MBCE-HEAAP および MCEE の n-Hex 中，超高圧水銀灯照射（λ＞ 290nm）における吸収スペクトル変化
図 ６ MBCE-HEAAP ⒜，MNCE-HEAAP ⒝ の n-Hex 中 に おける吸収（abs.）・蛍光（flu.）・蛍光励起スペクトル（ex.）

図９295nm における吸光度の相対変化（A295t/A2950）

MeCN や MeOH とのクーロン相互作用が増加し，励起状態エネルギーが安定化するためである。蛍光量子収率（Φf）
図 ７ ⒜ MBCE-HEAAP（ 破 線 ） お よ び MBCE（ 実 線 ），⒝
MNCE-HEAAP（破線）および MNCE（実線）の n-Hex 中における蛍光スペクトルはすべての溶媒中において 0 . 02 未満であり，特に n-Hex中では非常に小さな値である。Φf 値は，n-Hex 中と比較して MeCN 中で大きな値を示し，MeOH 中においてさらに 大 き な 値 を 示 し て い る。こ れ は，o-AAPやo-N-メ チ ル
AAPと同様な傾向 6）,7）であり，HEAAPにおいてもS 1（π,π）*４．考状態と S 2（n,π）*状態が n-Hex 中で近接しており，効率的察な無放射緩和過程が誘起される（Proximity effect）。一方，合成した HEAAP はすべての溶媒中において UVA 領域

MeCN 中や MeOH 中においては S 1（π,π）*状態が安定化，に吸収を示した。蛍光極大波長は，n-Hex 中と比較して極S 2（n,π）*状態が不安定化することにより，エネルギー差性溶媒である MeCN 中やプロトン性溶媒である MeOH 中が増加するため，無放射緩和過程が減少し，Φf 値が増加において長波長シフトした。これは励起状態においてアミすると考えられる。

ノ基側からアセチル基側に電荷移動が起こり，励起分子と− 48 −時間分解光音響分光測定から HEAAP の項間交差量子励起状態近接効果を利用した新規 UVA-UVB ハイブリッド型サンスクリーンの開発

収率（Φisc）は，0 . 1 未満（n-Hex 中では 0 . 01 未満）であり，５．総励起三重項状態の生成は少ないことがわかる。これはサン括スクリーンとして非常に重要な特性である。励起三重項状

本研究課題では，励起状態近接効果を利用した新しいタ態にある分子は，酸素が衝突することにより，エネルギーイプのサンスクリーンの候補化合物（HEAAP）を開発し移動反応や電子移動反応により一重項酸素やスーパーオキた。さらに，UVA-UVB ハイブリッド型化合物の開発を行

シドアニオンラジカルなどの活性酸素を生成する。これら

い，UVB サンスクリーンとして使用可能な化合物の範囲

活性酸素は，近傍の生体分子と反応することにより光毒を大幅に広げることに成功した。今後の課題は，化合物の性として作用する。HEAAP の内部変換量子収率（Φic）は，溶剤への溶解性などの化学的評価や生体毒性などの生物的0 . 9 以上（n-Hex 中では 0 . 99 以上）であり，光エネルギーを評価が必要とされる。

高効率で熱エネルギーに変換し，励起状態から基底状態に緩和していることがわかる。これまでの UVA サンスクリ（引用文献）

ーンは，分子内プロトン移動や分子内構造変化によって光１）Wiechmann M, Port H, Frey W, Laermer F,

熱変換を実施しており，本研究課題で開発した HEAAP は

Elsaesser, : Time-resolved spectroscopy on ultrafast

新しいタイプの光熱変換分子である。

proton transfer in 2 -( 2 '-hydroxy- 5 '-methylphenyl)
benzotriazole in liquid and polymer environments, J.

サンスクリーンの特性として蛍光を示さないことは重Phys. Chem., 95 , 1918 - 1923 , 1991 .

要である。一般に UVB 領域に吸収を示す化合物の蛍光はUVA 領域に観測される。つまり，UVB サンスクリーンが２）Cantrell A, McGarvey DJ, : Photochemical studies of

UVA 領域に蛍光を示した場合，UVA に暴露されたのと4 -tert-butyl- 4’-methoxydibenzoylmethane (BM-DBM), J.
Photochem. Photobiol., B: Biol, 64 , 117 - 122 , 2001 .

同じことになる。このため，UVB サンスクリーンとして使用できる化合物は，蛍光量子収率が低いことが必要と

３）Lim EC, : Proximity effect in molecular photophysics:される。本研究課題では，UVB 領域に吸収を示し，UVA

dynamical consequences of pseudo-Jahn-Teller

領 域 か ら 可 視 光 領 域 に 強 い 蛍 光 を 示 す 化 合 物（MBCE，interaction, J. Phys. Chem., 90 , 6770 - 6777 , 1986 .

MNCE）を HEAAP と連結させることにより，吸収した

４）Suzuki K, Kobayashi A, Kaneko S, 他 6名, : Reevaluation

UVB 領域の光エネルギーを HEAAP にエネルギー移動さof absolute luminescence quantum yields of standard

せ，蛍光を減少させることを試みた。

solutions using a spectrometer with an integrating
sphere and a back-thinned CCD detector, Phys. Chem.

合 成 し た MBCE-HEAAP は UVB 領 域 に MBCE，UVA

Chem. Phys., 11 , 9850 - 9860 , 2009 .

領域に HEAAP に帰属できる吸収が観測された。n-Hex
中において 285 nm を励起波長として MBCE に選択的に

５）Oshima J, Shiobara S, Naoumi H, 他 4 名 , Extreme

光励起したところ，MBCE の蛍光はほとんど観測されず

fluorescence sensitivity of some aniline derivatives to

HEAAP の蛍光がわずかに観測された。480 nm を観測波長

aqueous and nonaqueous environments: Mechanisticとして蛍光励起スペクトルを測定したところ，HEAAP のstudy and its implication as a fluorescent probe, J.

吸収に加えて MBCE の吸収と一致するスペクトルが観測

Phys. Chem. A, 4629 - 4637 , 110 , 2006 .

された。これより，光励起された MBCE から HEAAP に６）Yoshihara T, Shimada H, Shizuka H, Tobita S, :エネルギー移動が起こることが明らかとなった。エネルギInternal conversion of o-aminoacetophenone in solution,

ー移動効率は，MBCE の蛍光が約 1000 倍減少しているこPhys. Chem. Chem. Phys., 3 , 4972 - 4978 , 2001 .とから考えると 99 % 以上である。同様な結果は，MNCE-７）Shimada H, Nakamura A, Yoshihara T, Tobita

HEAAP においても得られた。これにより蛍光性化合物をS, : Intramolecular and intermolecular hydrogen-HEAAP に連結させることにより，ほぼ無蛍光性状態にすbonding effects on photophysical properties ofることが可能であることが分かった。MBCE-HEAAP の2’-aminoacetophenone and its derivatives in solution,

光安定性を，現在使用されているけい皮酸化合物と比較しPhotochem. Photobiol. Sci., 4 , 367 - 375 , 2005 .

たところ，それを上回る安定性を示しており UVA-UVB ハ
イブリッド型サンスクリーンの有用性が明らかとなった。

− 49 −