{ ギ ロ ヒ
評f;1;'ぼ 鰹
明 可
Fig.30.ORTEPdrawingof(9cb+CH30H)
21＼MeMeHN67目 獣 口 胃
、 ∠+〉 一 ・一,7a3a>L・.〉 一 ・
4N/5¥MeH2NI4H/'̀H3¥H/=¥NH
3aSbIMeMe
cistrans
gab
晦21》 濃
670戯,MeMeHMe¥¥/N¥1,N
Me十5b― ――――――ヨ)SS
3 3a
4・4Me540NH・NH三NH
3cMeMe
syn‑cissyn‑trans
Me FiMeMe
N¥le,N/NCIiN.
Me//¥N/1¥HMe//¥N/?̀HH MeHMeMeMe
anti‑cisanti‑trans combinationofregioselectivityandcis/transapproach
regioselectivitygcb
Fig.31.Thecomparisonoftheheatofformationamongtwoisomaer(gab)andthefour isomers(9cb).
9曲 に は 、cis、Mansの2つ 異 性 体 が 存 在 す る 。C3a、C7aに つ い た 両Methyl基
が 同 じ 向 き な らcis、 異 な る 向 き な らtransと し た(Fig.31)。 ま たx線 解 析 に よ
り 構 造 決 定 し た9cbに は 、4つ の 異 性 体 が 存 在 す る 。CZS、tansの2つ 異 性 体 か
ら 、 さ ら に 、>N‑MeとDHPのMethylene部 位 に つ い たMethyl基 が 同 じ 向 き な ら
syn、>N―Meと 異 な る 向 き な らantiと し た(Fig.31)。
Table19.Heatofformation(kcal/mol)fortwoisomer(gab)andfourisomers(9cb)by PM521),PM648),B3LYP/6―31G(d)26)
PM5PM6B3LYP/6―31G(d) cisIMansIcisItransICisItrans
gab9.46(0.0)27.91(185)5.07(0.0)21.04(16.0)―931.68327(0.0)‑931.65552(17.5)
9cbsyn―3.45(0.0)18.62(22.1)―ll.70(0.0)8.28(20.0)‑1010.31403(0.0)―1010.27931(21.8) 9cbanti―0.15(3.3)18.63(22.1)‑8.45(3.3)8.21(19.9)‑1010.31387(0.1)―1010.28046(21.2)
安 定 性 を 検 討 す る た め 、9ab及 び9cbと そ の 異 性 体 の 生 成 熱 の 計 算 を 行 っ た
(Table19)。Tablel9か ら 、9abはcis、9cbはsyn‑CZSが 最 も 安 定 で あ る こ と が
明 ら か と な っ た 。
第2項TAI生 成 機 構 の 量 子 化 学 的 検 討
DHPとThioureaと の 反 応 に よ りTAIを 生 成 し た 。 同 様 にThioureaとUreaと
の 反 応 進 行 を 予 測 し て 検 討 を 行 っ た 。 し か し な が ら 反 応 は 起 こ ら な か っ た 。 こ
の 反 応 性 の 違 い を 解 明 す る た め に 、 分 子 軌 道 論 的 に 検 討 を 行 っ た 。
ま ず 半 経 験 的 分 子 軌 道 計 算 に よ り 得 ら れ た 軌 道 エ ネ ル ギ ー 及 び 軌 道 係 数 を 用 い
て 、DHPのImine部 位 の 炭 素 とUrea誘 導 体(Urea及 びThiourea)のAmineと の
反 応 と 仮 定 し て 摂 動 式46)の 計 算 を 行 っ た(Fig.32)。 摂 動 式(式.1)と は 、 分 子
同 士 が 反 応(相 互 作 用)す る 際 、 反 応 物 の 軌 道 が 互 い に 重 な る 場 合 の エ ネ ル ギ ー 変 化 を 求 め る 式 で あ る
。『化 学 反 応 性 を 予 測 す る た め の 式 』は3項 に 分 け ら れ 、
第1項 は 電 子 反 発 項(電 子 の 詰 ま っ た 被 占 軌 道 の 相 互 作 用)、 第2項 は 電 荷 項(反
発 ま た は 引 力)、 第3項 は 軌 道 相 互 作 用 項(被 占 軌 道 と 空 軌 道)で あ る 。
△E=第1項+第2項+第3項(式 ―1)
第1項=電 子 反 発 項(被 占軌 道 同 士 の相 互 作 用) 第2項=電 荷(ク ー ロ ン)項(反 発 ま た は 引力)
第3項=軌 道 相 互 作 用 項(被 占軌 道 と空 軌 道 の相 互 作 用)
す べ て の相 互作 用 を計算 す る上 の 式 に 対 して 、軌 道 相 互 作 用 項 の 第3項 だ け を 考 慮 した式 がFMO軌 道 論 の基 礎 とな る演 算 式(式 ―2)で あ り、相 互 作 用 エネ ル
ギ ー は反 応 点 の軌 道 係 数 を掛 け合 わせ た値 を反 応 す る分子 間 のHOMOと
LUMOと の エ ネル ギー 差 で 除 して い る。 つ ま り、HOMOとLUMOと の エ ネ ル ギ ー 差 が小 さ けれ ば 、相 互 作用 は 大 き くな る こ とを意 味 して い る。
△E=E畿 畿 告 嘉)(‑2)
Cnu、1:求 核 試 薬 の 係 数
C,lec:求 電 子 試 薬 の 係 数
β:共 鳴 積 分 定 数
EHoMo(nu、1):求 核 試 薬 のHOMOの エ ネ ル ギ ー
ELuMo(,lec):求 電 子 試 薬 のLUMOの エ ネ ル ギ ー
NH2 X
NH2
X=O,SO
2
Fig.32.Theinteractionbetweenthenitrogenatomofurea(thiourea)andthecarbon
atom(CS)ofDHP
摂 動 式 の 計 算 結 果 に お い て 、Thioureaま た はUreaの 窒 素 とDHPのC5と の △E
は ほ と ん ど 変 わ ら な い 値 を 取 り 、ThioureaとUreaと の 違 い は な か っ た 。 ま た
DFT計 算 に お い て も 同 様 な 結 果 を 得 た 。DHPのImine部 位 の 炭 素 にThioureaま
た はUreaのAmineが 求 核 攻 撃 す る 反 応 過 程 で は 、UreaとThioureaと の 反 応 性
の 違 い に つ い て 説 明 で き な か っ た(Table20)。
Table20.FMOinteractionenergiesfortheinitialstageofthereaction
H:HOMO,nH:nextHOMO,nnH:nextnextHOMO,L:LUMO,nL:nextLUMO,(3:
resonanceenergy
従 っ て 、 他 の 反 応 機 構 を 検 討 す る 必 要 が あ る 。 そ こ でUrea及 びThioureaの 平 衡
反 応 に 注 目 し た 。Thiourea(c.sThiourea)は 、Isothiourea(sHThiourea)、Urea(c.oUrea)
は 、Isourea(oHUrea)と 互 変 異 性 体 が 存 在 す る(Table21,22)。 そ の 異 性 体 の 生 成
熱 の 差 が 存 在 比 に 関 わ り 、 平 衡 反 応 に 影 響 し て い る と 仮 定 し た 。
Table21.FMOenergiesandcoefficientsofthioureaandtautomer
H2N4S13NH2HλH2
ThioureaIsothiourea HfO.927kcal/mol12.939kcal/mol
Table22.FMOenergiesandcoefficientsofureaandtautomer
of 一 民
H24NH2HN43NH2
UreaIsourea Hf‑56.180kcal/mol‑39.492kcal/mol
ThioureaとIsothioureaと の 生 成 熱 の 差 は12kcal/mol、 一 方 、UreaとIsoureaと の
生 成 熱 の 差 は17kcal/molで あ る 。UreaとThioureaで は 生 成 熱 の 差 が5kcal/mol
ほ ど あ り 、Thioureaの 方 がUreaよ り も 異 性 化 し や す い 。ま たUrea誘 導 体 がlsourea
誘 導 体 に 異 性 化 す る 反 応 に お い て 、DHPとUrea誘 導 体 と の 反 応 で 用 い た 溶 媒
(水)が 関 与 す る 機 構(WAM,Waterassistedmechanism)を 検 討 し た47)。Urea誘 導 体 のAmineの 水 素 原 子 を 水 分 子 の 酸 素 原 子 が 引 き 抜 き 、 水 分 子 中 の 他 の 水 素 原
子 がThione及 びKetoneの 硫 黄 ま た は 酸 素 に 引 き 抜 か れ る 反 応 を 考 え た(Fig.33)。
Thioureaの 方 が 、5kcal/molほ ど 遷 移 状 態 エ ネ ル ギ ー が 低 く 、 異1生 化 し や す い 。
生 成 熱 の 差 及 び 水 溶 媒 中 で の 遷 移 状 態 エ ネ ル ギ ー か ら 、ThioureaはUreaと 比 べ 、
互 変 異 性 化 が 起 こ り や す く 、 そ の 異 性 化 し たThioureaとDHPと の 反 応 に よ り
TAIが 生 成 し た と 考 え ら れ る 。
Fig.33.PMScalculatedtransitionstructuresforthiourea(orurea)andwater
聴 へ ⊃ノ
,H̀1.456..HN'"/OH
l嘱HI/O'H1.219
TS15.19kcaUmolTS20.24kcal/mol
Thiourea及 びUreaのNH2とDHPのImine部 位 の 炭 素 と の 直 接 的 な 反 応 で は な い
こ と か ら 別 の 反 応 機 構 を 考 え る 必 要 が あ る 。Thioureaの 互 変 異 性 化 に 注 目 し た と
こ ろ 、DHPのC‑NとIsothioureaのNH‑C―SHと の 問 で 連 続Ene反 応 を 起 こ す こ
と が 考 え ら れ 、PM3計 算 に よ り[2π ―2π―2σ]の 遷 移 状 態 を 求 め た と こ ろ 、 分
子 間Ene反 応 の 反 応 障 壁 は15kcal/molで あ り 、 十 分 に 反 応 が 進 行 す る こ と が 考 え ら れ る(Fig.34)。 さ ら に2段 階 目 は 、RouteA、RouteB両 方 で 反 応 が 進 行 す
る と 考 え ら れ る 。 こ の よ う にTAIの 形 成 を 、π電 子 系 問 で の 分 子 軌 道 論 で 考 え た と き 、前 の 論 文8・24)で 述 べ たEne反 応 に よ るDHPの2量 化 と 同 様 な 説 明 が 可 能
で あ る 。 さ ら に9cbの 立 体 異 性 体 も ま た 最 初 の 攻 撃 が 立 体 的 因 子 を 避 け る よ う
に 結 合 す る こ と が 予 測 で き る 。DHPとEthylenediamineか ら 得 ら れ た
Tetraazadecaline体 の 生 成 は 、 今 回 のTAIの 生 成 と 違 い 、Amine部 位 の ク ー ロ ン
カ に よ る も の だ と 考 え ら れ る 。Thiourea添 加 に よ るDHPの 殺 菌 作 用 増 強 は 、
ThioureaがRadicalscanvengerの 役 割 で は な く 、TAI誘 導 体 を 生 成 す る 反 応 物 と
し て 働 き 、 そ の 得 ら れ たTAIが 相 互 作 用 を 引 き 起 こ し て い る と 考 え ら れ る 。
.汐:reaction//;㍑/;L噸 〕
3
Nreactionbarrier14.2kcal/mol阪/↓A
1.330 1.7601 N .812
S.一. .・ 稲 誌 《 め
1.557.1.357―ene「eaction占
1.606N H
Fig.34.Thereactionmechanismassumedtransitionstate(TS)fbrthe[2π+2π+2σ]
interaction
第3節 小 括
DHP類 の 化 学 反 応 性 に よ る 生 物 効 果 及 び 生 物 活 性 の 高 いDHP類 の 新 規 合 成 を
検 討 す る た め 、DHP類 とThiourea誘 導 体 お よ びKetene類 と の 反 応 を 試 み 、 反 応 生 成 物 の 構 造 を 決 定 し た 。さ ら に 量 子 化 学 的 検 討 に よ り反 応 機 構 を 解 析 し た17・18)。
DHPの 窒 素 のlonepairに よ る 求 核 攻 撃 に よ り 、Keteneと 段 階 的 な 反 応(Stepwise
reaction)が 起 き 、 β―lactamを 有 す る1:1付 加 体 及 び1:2付 加 体 を 得 た 。
分 子 軌 道 法 に よ る 遷 移 状 態 計 算 か ら 環 状AlkadieneとKeteneと の 反 応 に お い て 、
提 案 さ れ て い る 連 続 ペ リ環 状 反 応(Diels―Alderreaction+Coperearrangement)で
は な く 、 電 荷 移 動 錯 体 で あ るZwitterion中 間 体 を 経 た 段 階 的 な 反 応(Stepwise reaction)で あ る こ と が 明 ら か と な っ た 。
DHPのC5とC6に よ る 求 電 子 攻 撃 に よ り 、Ethylenediamineと 同 様 にThioureaの
Amine部 位 と反 応 し て 、TAI(tetraazaindene)が 生 成 し た と 考 え た が 、こ の 反 応 は 、
DHPの2量 体 の 際 に 提 案 し た 反 応 で あ る[2π+2π+2σ]の 相 互 作 用 に よ るEne
reactionに よ り進 行 し た と 考 え ら れ る 。
DHPは 求 電 子 性 及 び 求 核 性 両 方 の 反 応 性 を 有 し 、 反 応 性 の 高 さ が 生 体 へ の 影 響
に 繋 が る こ と が 予 測 で き る 。 こ の 結 果 か ら 、DHPが 、 遺 伝 子 及 び タ ン パ ク 質 の
よ う な 生 体 内 で 重 要 な 働 き を す る 成 分 と の 相 互 作 用 に よ る 生 体 へ の 影 響 が 推 定
さ れ る 。
総 括
著 者 は 、DHP類 の 諸 性 質 の 発 現 と化 学 構 造 と の 関 連 の 解 明5・13‑16)を目指 す こ と を
端 緒 に し て 、DHp類 の 高 い 化 学 反 応 性 か ら の 反 応 生 成 物 の 生 成 機 構 や 諸 性 質 の
解 明17)、 高 い 化 学 反 応 性 の 量 子 化 学 的 な 検 討5・17・18)、等 々 に よ り 、DHP類 の 生 体 へ の 影 響(作 用/効 果) 、 既 存 の 疾 病 と の 因 果 関 係 を も 明 ら か に す る こ と を 目指
し た 。 以 下 に 得 ら れ た 知 見 を 記 す 。
1)DHP類 の 諸 性 質 の 発 現 と 化 学 構 造 と の 関 連 を 解 明 す る た め 、DHP類 の 構 造 か
ら 得 ら れ る 物 性 値 の 計 算 及 びDHP類 か ら 発 生 す る 生 体 に 関 わ るRadical種 の 測
定 を 行 っ た 。
そ の 結 果 、1.DHP環 内 の 電 子 密 度 、2.立 体 的 因 子(Mans,cisな ど)、3.radical発 生 能 な ど 総 合 的 に 併 せ 持 っ た 構 造 が 、DNA鎖 切 断 作 用 を は じ め と す る 生 物 効 果
に 影 響 す る こ と が 明 ら か と な っ た5)。
構 造 の 違 い に よ りRadical発 生 量 及 びRadical種 の 発 生 比 率 が 異 な り 、Radicalの
測 定 は 、DHP類 か ら 発 生 す るRadicalの 生 体 に 対 す る 影 響 を 予 測 す る こ と が 可 能 で あ る 。
2)高 い 反 応 性 に 有 す るDHP類 とThioureaと の 直 接 的 な 反 応 に よ り得 ら れ たTAI
(Tetraazaindene)の 大 腸 菌 へ の 殺 菌 作 用 及 びPlasmidpBR322を 用 い たDNA鎖 切 断 作 用 をDHPと 比 較 検 討 し た 。
大 腸 菌 殺 傷 作 用 は 、DHp類 よ り も 作 用 が 強 く 、DNA鎖 切 断 作 用 は 、DHP類 よ
り も 作 用 が 弱 く 、 構 造 に よ っ て は 切 断 作 用 が 消 失 す る も の も あ っ た 。 銅 イ オ ン の 添 加 に よ り大 腸 菌 殺 傷 作 用 もDNA鎖 切 断 作 用 もDHPと 同 様 に 増 強 し た 。DHP
類 とTAI誘 導 体 で は 、 作 用 機 序 が 異 な る こ と が 推 測 で き る 。
ま たTAIは 劇 的 な 殺 菌 作 用 の 本 体 で は な く 、[TAI+Cul++Thiourea]ま た は
[DHP+Cu2++Thiourea]の 共 存 下 の み 劇 的 な 殺 菌 効 果 を 示 す こ と が 明 ら か と な っ た 。
3)DHP類 の 高 い 化 学 反 応 性 を 量 子 化 学 的 に 検 討 し た 。
DHP類 とKetene類 と の 反 応 に よ りβ―lactam付 加 体 を 得 た 。反 応 機 構 解 明 の た め 、
X線 解 析 に よ り 得 た 立 体 構 造 を も と に 分 子 軌 道 計 算 を 行 っ た と こ ろ 、 遷 移 状 態
の 前 段 階 で あ るOC(Orientationcomplex)の 存 在 及 びZwitterion中 間 体 を 経 た 段
階 的 な 反 応 で あ る こ と が 明 ら か と な っ た 。
DHP類 とUrea誘 導 体 と の 反 応 に よ りTAI類 を 得 た 。 反 応 機 構 解 明 の た め 、分 子
軌 道 計 算 を 行 っ た と こ ろ 、Urea誘 導 体 の 異 性 化 反 応 の 起 こ りや す さ 及 び そ の 異
性 化 し た 生 成 物 の 安 定 性 が 、 次 に 続 くDHPと の 連 続 反 応 の 律 速 段 階 と な っ て い
る こ と が 明 ら か と な っ た 。
Dihydropyrazine(DHP)類 は 糖 由 来 の 変 化 生 成 物 質 で あ り 、Maillard反 応 の 中 間 生
成 物 で あ る 。ま た 、元 々 、生 体 内 で 後 期 の 蛋 白糖 化 反 応 生 成 物:Advancedglycation endproducts(AGEs)の 一 つ と し て 、 グ ル コ ー ス よ り生 成 さ れ て 、 そ の 普 遍 的 な 存
在 が 予 測 さ れ る 有 機 化 合 物 で も あ る 。 特 に 病 態 に お い て は 、 本 来 の 恒 常 性 が 乱
れ て い る た め に 様 々 な 障 害 が 連 鎖 的 に 派 生 す る 。 例 え ば 、 糖 尿 病 の 高 血 糖 状 態