Jn
ノ ム ︼
フ ェ ニ ル ボ ロ ン 酸 修 飾 蛍 光 性 分 子 に よ る
PET
の 概 念 を 利 用 し た 糖 類 の 検 知 こ の 理 由 と し 測 定 媒 体 のpHが 非 常 に 重 要 に な っ て く る 。を目的とした場合、
て は 、 酸 性pH領 域 で は 蛍 光 の 消 光 過 程 に 関 与 す る 窒 素 原 子 上 の 非 共 有 電 子 対 ま た 塩 基 性pH領 域 で は ホ ウ 素 原 子 の 空 軌 道 が が プ ロ ト ン に よ っ て 消 費 さ れ 、
水 酸 化 物 イ オ ン に よ っ て 満 た さ れ る た め に 糖 類 の ボ ロ ン 酸 基 へ の 錯 化 に 伴 う シグナルを観測するのに不可欠な B-N 相互作用が生じなくなること 18)~23) に ある。
そ こ で ま ず 、 化 合 物2.16のpH変 化 に 伴 う 吸 収 ス ペ ク ト ル お よ び 蛍 光 ス ペ ク ト ル 変 化 を 測 定 し た 。 吸 収 ス ペ ク ト ル に よ る 検 討 の 場 合 、 pH変 化 に 伴 う ス ペ
円 ︒
4
ク ト ル 変 化 は ほ と ん ど 観 測 で き な か っ た が 、 蛍 光 ス ペ ク ト ル に よ る 検 討 の 場 こ こ で の 結 果 は 糖 類 合 、 意 味 の あ る ス ペ ク ト ル 変 化 が 観 測 で き た 。 しかも、
を 添 加 し た 際 に 相 対 的 に 大 き な 蛍 光 ス ペ ク ト ル 変 化 を 生 じ る と い う も の で あ った。その
pH
変 化 に よ る 挙 動 を 詳 し く み る と 、 糖 類 存 在 下 で の 化 合 物2.16のpH
依存性において、pH12
以 上 の 領 域 で は 二 箇 所 の ボ ロ ン 酸 基 は 両 方 と も ア ニオン性となっており、 pH8付 近 で は 一 方 の ボ ロ ン 酸 基 の み ア ニ オ ン 性 と な で は 二 箇 所 の ボ ロ ン 酸 部 位 は 両 方 と も(pH4
以下) り、またそのpH領 域 以 下こ れ はpH8付 (図
2‑23) 。
中 性 で 存 在 し 、 糖 類 は 解 離 し て い る と 考 え ら れ る
近 に お い て 、 窒 素 の 非 共 有 電 子 対 が 一 対 の み 存 在 す る た め に ー 箇 所 の ボ ロ ン 相 対 蛍 光 強 度 が 増 加 す る 酸 部 位 と 糖 類 と の 錯 化 に 伴 いB‑N相互作用が生じ、
二箇所のボ、ロン またこのpH以上の領域では、
ことによるものと考えられる。
酸 基 は 両 方 と も ア ニ オ ン 性 と な る た め 、 糖 質 の 錯 化 でB‑N相 互 作 用 が 形 成 が 誘 起 さ れ な い の で 、 相 対 蛍 光 強 度 の 増 加 現 象 が 消 失 す る 。 pH8以 下 の 領 域 で ボ、ロン酸類の特徴であるアル は二箇所のボ、ロン酸基ともに中性となるので、
カリ条件での速やかな錯化 lO)~17) を考慮すると、糖類との会合定数が低下し、
糖 質 が 解 離 し てB‑N相 互 作 用 の 消 滅 に よ り 相 対 蛍 光 強 度 が 減 少 し て い る と 考 えられる。
ω m 山 湖町 終判 友田 特
8 4 U
H ny
糖類存在下で、のpH依存性における化合物2.16の化学種変化の予想図 H
バ 及 川
H:糖 類OH HO~
つi4ム
図2‑23
こ の よ う な 結 果 は 、 糖 類 が 化 合 物2.16と 錯 化 す る こ と に よ っ て 強 固 なB‑N 相 互 作 用 が 生 じ 、 化 合 物2.1321)や 化 合 物2.1422)の 場 合 と 同 様 なPET機 能 に
よ る 蛍 光 強 度 の 増 大 が 化 合 物2.16に お い て も 観 測 さ れ る と 言 え る 。 ま た こ こ で 、 明 ら か な 蛍 光 強 度 の 増 大 を 誘 起 で き る 糖 類
(D
ーフルクトース，D
ーグルコ ース， Dー ス レ イ ト ー ル ， ペ ン タ エ リ ス リ ト ー ル ) に は フ ェ ニ ル ボ ロ ン 酸 に 錯 化 可 能 な ジ オ ー ル 部 位 が 必 ず 二 箇 所 存 在 す る が 、 こ れ を 誘 起 で き な い 糖 類 ( グ リ セ リ ン ) に は 一 箇 所 し か 存 在 し な い 。 こ れ よ り 、 化 合 物2.16の 二 箇 所 の フ エ ニ ル ボ ロ ン 酸 部 位 は 糖 類 と 協 同 的 に 作 用 し て い る こ と が 示 唆 さ れ る 。こ こ で 、 本 章 で 測 定 に 用 い た 糖 類 の 構 造 を 図2‑24に示す。
:H\:O"H~ω
μハ
MH
H 4 4 H メ 引 一
α ρ
H
一一 一
H
f T 4 1
寸￨
+l lC
‑ O
‑
H
H H
CHρH
D・ソルピト‑)レ D‑フルクトース ズルシトール キシリトール D‑マンニトール
HO~ rー OH HQ̲̲/ ¥̲ーOH
ペンタエリスリトール
。
H20H CHρH一一十一OH CH2UH HO‑
→‑
一 ↓ ー
OH HOート
‑+‑OH̲恒ハ
一 ←
OH 一 十OH ‑十‑OH ~QH I ぷ(OH，H)CH20H CH20H CH
仰 I o
Hリピトール 0・スレイトール D‑アラピトール D・フコース
仁
いト HJ
ρ
J一一ネ
H C ポl ニ一
ルJか J 4 D 1
円
一 ン
︑/
ロ ︐ ノ
・ レ
フJ
︑
J句
上オ
図2‑24 本 章 で 測 定 に 用 い た 糖 類 の 構 造
このような二箇 所 の フ ェ ニ ル ボ ロ ン 酸 の 協 同 的 な 作 用 は 、 pH8.0に お け る 化合物2.16の 蛍 光 ス ペ ク ト ル に よ る 様 々 な 糖 類 と の 錯 化 挙 動 の 検 討 か ら も 支 持 で き る 。 そ の 結 果 で は 糖 類 添 加 に 伴 う 蛍 光 強 度 の 変 化 は 二 箇 所 の ジ オ ー ル 部 位 を 有 す る 糖 類 が 蛍 光 強 度 の 増 加 率 が 大 き い と い う も の で あ っ たo これら のことより、 二箇 所 の フ ェ ニ ル ボ ロ ン 酸 部 位 で一分 子 の 糖 類 が 錯 化 し た 化 学
‑48 ‑
が 蛍 光 強 度 の 増 加 に 関 与 し て い る こ と が示唆 さ れ る 。 さら 種 (1 : 1錯 体 )
に 、 測 定 に 用 い た 糖 類 の 構 造 に着 目 す る と 、 糖類 添加 に伴 う蛍光強 度がよ り 増 大 し て い る の は 非 常 に 接 近 し た 場 所 ( 結 合 部 位 と な る ジ オ ー ル 聞 の炭 素 原
に二箇 所 の ジ オ ー ル 部 位 を 持 つ 糖 類 で あ っ た 。 従 っ て 、 子数がゼロ;ム
n
= 0)二箇 所 の ボ ロ ン 酸 部 位 聞 の 距 離 に よ り フ ィ ッ ト す る こ箇 所 の ジ オ ー ル 部 位 を 持 つ 糖 類 が 会 合 定 数 が 大 き く な る と 考 え ら れ る。そ こ で 会 合 定 数logKに対す 図2‑25に示す。図2‑25に をプロットし、
る 飽 和 の 相 対 蛍 光 強 度 (347nm)
は二箇 所 の ジ オ ー ル 部 位 聞 の 炭 素 原 子 数 を ムnと し て 併 せ て 示 し た。 1.8
ムn
0‑‑2
• •
圃 0‑‑1
• •
•
国•
企 企。
•
4
A A
1.6
A
1.4
1.2 ( E
ロト 寸円 )︒
ζ
ごお ね
2.0 log
K
会合定数logKに対する飽和の相対蛍光強度変化 (347nm) 2.6 2.4
2.2 1.8
1.6 1.0
1.4
図2‑25
347nmの 飽 和 の 相 対 蛍 光 強 度 は 会 合 定 数logKの 増 加 に 伴 い 図2‑25より、
こ れ は 、 糖 類 の 会 合 定 数 の 大 き さ が 化 合 物2.16 ほ ほ 直 線 的 に 増 加 し て い る 。
メ〉、̲b、ととヱ ヱ ミ ロ メι
また、 の 蛍 光 強 度 増 加 度 に 密 接 に 関 係 し て い る こ と を 表 わ し て い る 。
数logKは 距 離 の 短 い二箇 所 の ジ オ ー ル 部 位 を 多 く も つ 糖 類 に 対 し て 大 き い こ フ ェ ニ ル ボ ロ ン 酸 に 対 す る 錯 化 部 位 で あ る ジ オ ー ル 部 位 の 数 と そ れ ら の 間 の 距 離 が 化 合 物2.16と の 錯 化 に 関 与 し て い る と 考 え ら れ
とがわかる 。従って、
る。
以上のように、 化合 物2.16と 効 率 よ く 錯 化 可 能 な 糖 類 は二箇 所 以 上 の ジ オ このこ と は ジ ボ ロ ン 酸 誘 導 体 で あ る 化 合 物2.16と モ ノ ボ ロ ン 酸 誘導体 で あ る 化 合 物
‑49 ‑
そ れ ら の 聞 の 距 離 が 短 い と い う 構 造 を と っている。
ー ル 部 位 を 持 ち 、
2.13と の 蛍 光 ス ペ ク ト ル に よ る 比 較 実 験 か ら も 確 認 で き る 。 つ ま り 、 二箇 所 の ジ オ ー ル 部 位 が 近 距 離 に 存 在 で き る 糖 類 (Dーソルピトール;ム
n
= 0‑‑2) と 相 対 的 に 遠 距 離 に 存 在 す る 糖 類 (D‑グ ル コ ー ス ; ムn=
1) は 両 者 と も 化 合物2.13の 蛍 光 強 度 を 増 大 さ せ る が 、 重 要 な こ と は 化 合 物2.16に お い て はD‑ソ ル ピ ト ー ル の 添 加 で の み そ の 蛍 光 強 度 を 増 大 さ せ る こ と で あ る 。 こ の よ う
に化合物2.16を 用 い る こ と で 、 あ る 特 定 の 糖 類 ( 二 箇 所 の ジ オ ー ル 部 位 が 近 距 離 に 存 在 で き る 糖 類 ) を 選 択 的 に 検 知 す る 系 が 設 計 で き る 。
CPK分 子 モ デ ル の 考 察 よ り 、 化 合 物2.16は図2‑26に 示 す よ う な 構 造 を 取 り得る。 二箇 所 の フ ェ ニ ル ボ ロ ン 酸 部 位 に 着 目 す る と 、 そ れ ら は 3個 の 原 子 を 介 し て 結 合 し て い る た め に 非 常 に 短 距 離 ( ホ ウ 素 原 子 間 距 離 が 約3A) に存 在 し て い る 。 こ の こ と は 、 い ま ま で 述 べ て き た 二 箇 所 の ジ オ ー ル 部 位 が 短 距 離 に 存 在 す る 糖 類 ほ ど 化 合 物2.16に 対 し て 会 合 定 数 が 高 く 、 錯 化 し や す い と いう事実を支持している。
刈2‑26 化 合 物2.16の 取 り 得 る 構 造
二 箇 所 の フ ェ ニ ル ボ ロ ン 酸 部 位 が 協 同 的 に 働 き 一 分 子 の 糖 類 と 錯 化 し た 化 学種、いわゆる 1: 1錯 体 に お け る 情 報 を 得 る た め にCDス ペ ク ト ル に よ る 錯 体 構 造 の 検 討 を 行 い 、 化 合 物2.16と の 錯 化 に よ り CD活 性 種 を 与 え る 糖 類 ( ソ ル
‑50‑
ピ ト ー ル ) が 存 在 す る こ と が わ か っ た 。 こ のCD活性種は、 二 箇 所の ボ ロ ン 酸 基 と 協 同 的 に 錯 化 可 能 で あ る ソ ル ビ ト ー ル と 化 合 物2.16と が 二 点 で 相 互 作 用 し 、 固 定 化 さ れ る こ と で 比 較 的 堅 い 構 造 と な っ て 糖 類 の 不 斉 に よ り CD活性と なった化合物2.16と ソ ル ビ ト ー ル と の1: 1錯 体 で あ る と 予 測 で き る 。
以 上 の 検 討 に よ り 、 二 箇 所 の ボ ロ ン 酸 基 を 短 距 離 に 固 定 し た ボ ロ ン 酸 誘 導 体 で あ る 化 合 物2.16を 糖 質 レ セ プ タ ー と し て 用 い る こ と で 、 ス ベ ク ト ル 的 手 法 、 特 に 蛍 光 ス ペ ク ト ル 法 に よ っ て 選 択 的 な 糖 類 の 検 知 が 行 え る こ と が 明 ら か と な っ た 。 こ の 選 択 性 と は 、 二 箇 所 の ジ オ ー ル 部 位 を 有 し 、 か っ そ れ ら が 近 距 離 に 存 在 す る 糖 類 に 対 し て 特 異 的 に 錯 化 す る と い う も の で あ っ た ( 図
2‑
2 7 ) 。
HH:~:HH
OH HO
OH
〉
J
【 O\ρ~/
(HO)2~
刻
2‑27
二 箇所 の ボ ロ ン 酸 基 の 固 定 化 に よ る 糖 質 の 選 択 的 認 識2 ‑ 4 結 論
ジ ボ ロ ン 酸 誘 導 体 に よ る 糖 質 の 選 択 的 認 識 で は 二 箇 所 の ボ ロ ン 酸 基 の 一 分 子 の 糖 質 へ の 協 同 的 な 錯 化 が 利 用 さ れ て い る 。 今 ま で に 蛍 光 分 子 上 に 二 つ の ボ ロ ン 酸 基 の 距 離 を一 定に固定し、
PET
の 機 能 を 利 用 し た グ ル コ ー ス レ セ プ タ ー が 報 告 さ れ て い る22)が 、 こ れ ら の 距 離 を 変 化 さ せ る こ と で ど の 様 に 糖 質 認 識 の 選 択 性 が 変 わ る か は 明 白 に わ か っ て い な か っ た 。 し か し 、 本 章 で の 結 果 よ り 、 二 箇 所 の ボ ロ ン 酸 基 の 距 離 を 蛍 光 分 子 上 で 短 く す る こ と で そ れ に 対 応 で き る 糖 質 、 す な わ ち ジ オ ー ル 部 位 が 短 距 離 に二箇 所 存 在 す る 糖 質 に 対 す る 選 択 性 が 現 わ れ た こ と が 実 証 で き た 。 こ の こ と に よ り 、 様 々 な 糖 質 に 対 すーIム
﹁D
る 選 択 的 認 識 に は 二 箇 所 の ボ ロ ン 酸 基 を 分 子 内 で 様 々 な 距 離 に 固 定 化 す る こ とが有効であると結論づけられる。
参考文献
1) a) R. A. Bissell， A. P. de Silva， H. Q. .N. Gunaratne， P. L. M. Lynch， G.
E. M. Maguire， K. R. A. S. Sandanayake， Chem. Soc. Rev.， 1992， 187;
b) R. A. Bissell， A. P. de Silva， H. Q. N. Gunaratne， P. L. M. Lynch， G.
E. M. Maguire， C. P. McCoy， K. RアA. S. S andanayake， Top. Curr. Chem.， 168，223 (1993); c) A. P. de Silva， H. Q. N. Gunaratne， T. Gunnlaugsson， C. P. McCoy， P. R. S. Maxwell， J. T. Rademacher， T. E. Rice， pure Appl. Chem.， 68， 1443 (1996).
2) A. W. Czarnik， Acc. Chem. Res.， 27， 302 (1994).
3) A. P. de Silva， S. A. de Silva， J. Chem. Soc.， Chem. Commun.， 1986， 1709.
4) A. P. de Silva， K. R. A. S. Sandanayake， Aη ew. Chem.， lnt. Ed. Engl.， 29，1173 (1990).
5) M. E. Huston， E. U. Akkaya， A. W. Czarnik， J. Am. Chem. Soc.， 111， 8735 (1989).
6) D. H. Vance， A. W. Czarnik， 1. Am. Chem. Soc.， 116，9397 (1994)・
7)小宮山真，荒木孝二，分子認識と生体機能，朝倉書庖，東京 (1989)・
8)小川智也，楠本正一，糖ーその多様性を探る，化学同人，京都 (1992)・
9) a) 1. P. Lorand， J. O. Edwards， 1. Org. Chem.， 24， 796 (1959); b) G.
Wulff， pure Appl. Chem.， 54， 2093 (1982); c) G. Wulff， H. ‑G. Poll， M ak ro m 01. C h e m.， 1 8 8， 74 1 (1 987) .
10) a) K. Tsukagoshi， S. Shinkai， J. Org. Chem.， 56， 4089 (1991); b) S. Shinkai， K. Tsukagoshi， Y. Ishikawa， T. Kunitake， 1. Chem・ Soc.，Chem Commun.， 1991，1039; c) K. Kondo， Y. Shiomi， M. Saisho， T. Harada， S. Shinkai， Tetrahedron， 48， 8239 (1992); d) Y. Shiomi， M. Saisho， K.
Tsukagoshi， S. Shinkai， J. Chem・Soc.，Perkin Trans. 1，1993，2111;
e) Y. Shiomi， K. Kondo， M. Saisho， T. Harada， K. Tsukagoshi， S. Shinkai， Supramol. Chem.， 2， 11 (1993); f) T. D. James， K. R. A. S. Sandanayake， S. Shinkai， Supramol. Chem.， 6，141 (1995).
11) J. Yoon， A. W. Czarnik， 1. A m・Chem. Soc.， 114， 5874 (1992)・
つ ん
﹁ヘU
12)主 Nagai，K. Kobayashi， H. Toi， Y. Aoyama， Bull. Chem. Soc. Jp凡， 66， 2965 (1993).
13) a) H. Muralくami，T. Nagasaki， 1， Hamachi， S. Shinkai， Tetrahedron Lett.， 34，6273 (1993); b) H. Murakami， T. Nagasaki， 1， Hamachi， S. Shinkai， J. C h e m . S 0 C.， P e rk i n Tran s. 2， 1 9 9 4， 975.
14) H. Shinmori， M. Takeuchi， S. Shinkai， Tetrahedron， 51， 1893 (1995).
15) M. Takeuchi， T. Mizuno， H. Shinmori， M. Nakashima， S. Shinkai， Tetrahedron， 52， 1195 (1996).
16) K. R. A. S. Sandanayake， K. Nakashima， S. Shinkai， J. Chem. Soc.
Chem. Commun.， 1994， 162l.
17) M. Takeuchi， S. Yoda， T. Imada， S. Shiは ai，Tetrahedron， 53， 8335 (1997).
18) T. D. James， K. R. A. S. Sandanayake， R. Iguchi， S. Shinkai， J. Am.
Chem. Soc.， 117，8982 (1995).
19) T. D. James， P. Linnane， S. Shinkai， Chem. Coinmun.， 1996， 28l. 20) T. D. James， K. R. A. S. Sandanayake， S. Shi此 ai，Aη ew. Chem.， lnt
Ed. Engl.， 35， 1911 (1996).
21) T. D. James， K. R. A. S. Sandanayake， S. Shinkai， J. Chem. Soc.，
Chem. Commun.， 1994，477.
22) T. D. James， K. R. A. S. Sandanayake， S. Shin叶此k
∞ は
a幻i，Aわ 勾ew. Chem.， ln Ed. Engl.， 33， 2207 (1994).23) T. D. James， K. R. A. S. Sandanayake， S. Shinkai， Nature， 374， 345 (1995).
24) H. Nakatani， T. Morita， K. Hiromi， Biochim. Biophys. Acta， 525， 423 (1978).
25) 西川泰治，平木敬三， 蛍 光 ・ り ん 光 分 析 法 ， 共 立 出 版 ， 東 京 (1 984)・ 26) H. A. Benesi， J. H. Hildebrand， 1. Am. Chem. Soc.， 71， 2703 (1949).
27) S. Fery‑Forgues， M. ‑T. Le Bris， J. ‑P. Guette， B. Valeur， J. Phys Chem.， 92， 6233 (1988).
28) T. D. James， H. Shinmori， M. Takeuchi， S. Shinkai， Chem. Commun.， 1996，705.
29) K. Nakanishi， N. Berova， R. W. Woody， Circular Dichroism， VCH， New York (1994).
30 )阿武喜美子，瀬野信子，糖化学の基礎，講談社，東京 (1994)・
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Fh u