レシオ型 pH プローブの吸収変化メカニズムについての考察

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Figure 3-8-1. Observed and calculated spectral properties of SiRpH1. (a) Excitation spectra of SiRpH1 (76) in 100 mM NaPi buffer (pH 3.0, pH 10.0). (b) Predicted absorption spectra of protonated and non-protonated SiR (75) in water calculated at the B3LYP/6-31+G (d) level.

これまでSiR類の吸収波長の予測に用いられてきたTD-DFT法を用いてピペラジン環を

有する SiR (75)のプロトン化体および非プロトン化体の水中での吸収波長を計算し、

SiRpH1 (76)のpH 3.0 (プロトン化体)およびpH 10.0 (非プロトン化体)のリン酸緩衝液中で の励起波長と比較を行った(Figure 3-8-1)。予測吸収波長は、対称なSiR類の実測の吸収波 長と計算による予測吸収波長の検量線を用いて補正した値を示す(Figure 2-5-2)。SiR(75) のプロトン化体および非プロトン化体のS0→S1への遷移はほぼ全てHOMO→LUMO遷移 で構成されており、極大吸収波長はそれぞれ630 nm、673 nmと計算された(Figure 3-8-1b)。

これらの値は SiRpH1(76)のプロトン化体および非プロトン化体の実測の励起波長である

630 nm、666 nmと同程度であることから、分子軌道計算により吸収波長の変化するメカ

ニズムを考察できると考えられた。

0 10000 20000 30000 40000

450 550 650 750

ε

Wavelength (nm) 0

500 1000 1500

450 550 650 750

F.I. (a.u.)

Wavelength (nm)

TDDFT-based predicted absorption spectra Excitation spectra in NaPi buffer

(calculated at the B3LYP/6-31+G* level, scrf=water)

Ex = 630 nm (calcd) Ex = 673 nm (calcd) f=0.9720

HOMO -> LUMO 98.4%

f=1.0552

HOMO -> LUMO 100.1%

HOMO <- LUMO 2.2%

Ex = 631 nm Ex = 666 nm

(波長補正後）

Non-protonated Protonated Non-protonated Protonated

Non-protonated form Protonated form

Non-protonated form Protonated form

(a)

(b)

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Figure 3-8-2. Calculated most stable three-dimensional structures of (a) non-protonated and (b) protonated SiR (75). Calculation was performed at the B3LYP/6-31+G (d) level.

まず、非対称SiR (75)のプロトン化体と非プロトン化体の計算された最安定構造の比較を 行った (Figure 3-8-2)。ピペラジン環アミノ基のプロトン化により、キサンテン環のC3-N 結合長は1.351 Å→1.336 Åとなり二重結合性が増大し、同時にC6-N結合長は1.364 Å→

1.419 Åと単結合性が増大することが分かった。また、それに伴いプロトン化体においては、

非プロトン化体と比べてピペラジン環が約 20 度回転した構造が最安定構造となった。

Figure3-8-2 の赤矢印で示した炭素原子は、非プロトン化体ではキサンテン環の平面(黄緑

色)よりも上に顔を出している一方で、プロトン化体では平面の下に隠れることからピペラ ジン環が回転していることが分かる。この構造が本当に最安定構造か調べるため、プロト ン化体のピペラジン環の角度を45、90度、135度、180度まで回転させた4つの異なる初 期構造から構造最適化計算を始めたが、同様に約20度回転したものが最安定構造となった。

以上の計算結果から、ピペラジン環の脂肪族アミノ基がプロトン化されて強力な電子求 引基となると、キサンテン環C6-N結合の単結合性が増大し、ピペラジン環がキサンテン環 の平面に対して回転した構造が最安定構造になることが示唆された。

(a) Non-protonated form

(b) Protonated form

1.419 Å 1.336 Å 1.364 Å 1.351 Å

21 ^o

3

3 6

6

72

Figure 3-8-3. Molecular orbital calculation of non-protonated and protonated SiR (75). Calculation was performed using B3LYP/6-31+G (d) with water as solvent.

次に、非対称SiR (75)のプロトン化体と非プロトン化体の分子軌道を比較することで、吸 収波長変化のメカニズムを考察した (Figure 3-8-3)。非対称SiR (75)の脂肪族アミノ基がプ ロトン化されるとLUMOエネルギーレベルもHOMOエネルギーレベルも低下するが、特 にHOMOエネルギーレベルが大きく低下することでHOMO-LUMOエネルギーギャップ が大きくなり、吸収波長が短波長化すると計算された。

分子軌道を比較すると、プロトン化体と非プロトン化体のLUMOには大きな違いは見ら れなかった一方、非プロトン化のHOMOにはピペラジン環上に赤色矢印で示した青色の軌 道が存在するが、プロトン化体のHOMOには存在しなかった。プロトン化体はピペラジン 環がキサンテン環に対して傾いているため、軌道の重なりが小さくなったためと考えられ る。そのため、プロトン化体では反結合性相互作用が減り、HOMOエネルギーレベルの安 定化が生じたと考えられる。同時に、プロトン化体は C6-N の結合長が長くなったために、

ピペラジン環とキサンテン環の軌道同士の反結合性相互作用が減ることによる、HOMOエ ネルギーレベルの安定化も生じていると考えられる。

以上の効果により、ピペラジン環を有する非対称 SiR はプロトン化による HOMOエネ ルギーレベルの安定化に伴い吸収波長が短波長化していることが示唆された。そのため、

キサンテン環のもう一方のアミノ基上のアルキル置換基は変更が可能であると考えられ、

アルキル置換基を適切に選択することで、使用する光学系に合った吸収波長を有するプロ ーブが開発できると考えられる。

HOMO LUMO

HOMO LUMO

－5.65 eV

－3.48 eV

－3.30 eV

－6.04 eV -3.0

-3.5 -4.0 -4.5 -5.5 -6.0 -6.5 -7.0

Energy / eV

(Calculated at the B3LYP/6-31+G* level, scrf=water)

Non-protonated form Protonated form

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