X701.50Not(2013)pp101-106
(研 究 装 置 設 備)
ハ イ スル ー プ ッ ト核 磁 気 共 鳴 装 置 の 使 用 で得 られ た 研 究 成 果
倉 持
甚 也*1,高
石
和 人*2,横
山
明 弘*3,坪
村
太 郎*3,戸
谷
希 一 郎*4
ResearchResultsObtainedbytheUseof
High-ThroughputNuclearMagneticResonanceSystem
JinyaKURAMOCHI*',KazutoTAKAISHI*Z,AkihiroYOKOYAMA*3,
TaroTSUBOMURA*3,KiichiroTOTANI*4
ABSTRACT:Thenuclearmagnericresonance(NMR)systemwasanindispensablemeasurement
equipmentandusedinavarietyofchemicalresearchareas.Theladder-ratioofsynthesizedpolyamidewas
estimatedbytheintegralvaluesof'HNMRspectra.Thestructureofmetalcomplexeswasdeterminedby
'H
,19F'and3'PNMRspectra.The'HNMRwasalsousedtoelucidatethestructureofsynthesized
oligosaccharide.
Keywords:nuclearmagneticresonance,ladderpolymer,metalcomplex,oligosaccharide
(ReceivedSeptember20,2013)
1.は じ め に
化 学 は原 子 や 分 子,物 質 の 変 化 を扱 う研 究 分 野 で あ る
が,原 子 や 分 子 を直 接 見 る こ と はほ とん ど 出来 な い 。 そ
の た め,各 種 の 分 光 学 的 な 手 法 を用 い,原 子 や 分 子 の 状
態 を調 べ る必 要 が あ る。核 磁 気 共 鳴装 置(以 下,NMRと
略 す)は,サ
ンプ ル を強 磁 場 中 に置 く こ と に よ り原 子 核
の ス ピ ン状 態 を変 化 させ,そ
こ に電 磁 波 を照 射 して シ グ
ナ ル を得 る装 置 で あ る。得 られ た シ グ ナ ル の解 析 に よ り,
分 子 を構成 して い る水 素 や 炭 素,リ
ンな どの 原 子 核 の 状
態 を知 る こ とが で き るた め,無 機 ・有 機 ・高 分 子 化 合 物
の 構 造 を決 定 す る」
二で 最 も強 力 な 装 置 で あ り,現 在 の 化
学 分 野 の 研 究 お い て ㎜
は 必 須 の 朋
機 器 と な り て
い る。 この 半 世 紀 の 合 成 化 学 や 天 然 物 化 学 の 目覚 ま しい
発 展 が,㎜
技 術 の進 歩 に よ り て支 え られ て き た こ と
も 自明 で あ る。
これ ま で に 本 学 で は,1996年
度 に導 入 され たNMR
装 置 の 老朽 化 が 進 み,維 持 や 安 全 管 理 の 面 で 装 置 の 更 新
*1:理 工 学 研 究 科 理 工 学 専 攻 博 士 前 期 課 程
*2:理 工 学 部 物 質 生 命 理 工 学 科 助 教
*3:理 工 学部 物質生 命 理 工学 科 教 授(ayokoyama@stseikei
.acjp)
*3:理 工 学 部 物 質 生 命 理 工 学 科 准 教 授
を 強 く希 望 して い た。 ま た 近 年,㎜
に使 用 され る超
伝 導磁 石 の 高性 能化 やデ ー タ 処 理 の 高 速化 が進 み,そ れ
に伴 い 新 た な測 定 手 段 が 次 々 と開 発 され,NMR装
置 は
単 な る低 分 子化 合 物 の構 造決 定 の た め の機 器で はな くな
り,生 命 科 学分 野へ 応 用 範 囲 を急 速 に 拡 げ て い る。 この
よ うな観 点 に基 づ き,迅 速 に 多 くの 情 報 が 得 られ る最新
の 高 性 能NMR装
置 を整 備 して積 極 的 な 研 究 の 展 開 を
図 るた め,2009年
度 に 日本 電 子株 式 会 社製 の核 磁気 共 鳴
装 置JNMECA-500を
購 入 した。
本 装 置 は 理 工 学部 物質 生命 理 工 学 科 の様 々 な 研 究 室 で
使 用 され て お り,そ れ ぞ れ の 分 野 に お け る研 究 の進 展 に
大 き く貢献 して い る。 本 論 文 で は 有機 化 学 研 究 室 と応 用
錯 体化 学研 究 室 お よび生 体 分 子化 学研 究 室 で行 わ れ た研
究 の うち,本 装 置 の使 用 に よっ て 得 られ た 成 果 につ い て
報 告す る。
2.ラ
ダ ー ポ リ ア ミ ドの 構 造 解 析
多 段 階反 応 により合 成 され るラ ダ ー ポ リマ ー は構 造 欠 損
を 含 む こ とが 多 い。 そ こで 有機 化 学研 究 室 で は,モ
ノマ
ー 問 に 二つ の ア ミ ド結合 を連 続 的 に構 築 す れ ば 構 造 欠 損
の な い ラダ ー ポ リア ミ ドが 得 られ る と考 え,ス キー ム1
に 示 した反 応 を 開発 した1)。
綜3麺 一ヰ 窺
鉱壕 爺1球物lll塚
SchemelReactionmechanism.
CsHnO
HN
・・1=、'o。
OC8H17
R=CH3(1a),Ph(1b)
FigurelStructureofmonomers.
こ れ ま で に 図1に 示 し た メ チ ル エ ス テ ル モ ノ マ ーla
を 用 い た 重 合 を 検 討 し た と こ ろ,脱 離 成 分 と して 放 出 さ
れ た メ トキ シ ドア ニ オ ン が モ ノ マ ー や 重 合 生 長 末 端 を 攻
撃 し,重 合 を 阻 害 す る こ と が わ か っ た 。 そ こ で 本 研 究 で
は,副 反 応 を 抑 制 して 高 分 子 量 体 を 得 る た め に,フ ェ ニ
ル エ ス テ ル モ ノ マ ー1bを 用 い た 重 合 を 検 討 し た 。
出 発 原 料 の コ ハ ク 酸 ジ メ チ ル か ら7工 程 で1bを 合
成 し,そ の 重 合 を 検 討 した 。THF中,1bに 対 し て 塩 基
と し て リ チ ウ ム ヘ キ サ メ チ ノレジ シ ラ ジ ド(L㎜S)を
作 用 さ せ て0-500Cで 重 合 さ せ た と こ ろ,反 応 温度 を 高
く す る と 高 分 子 量 の 生 成 物 が 得 ら れ,50℃ の 重 合 で
払=4300の 生 成 物 が 得 ら れ た(Tablel,Entryl-3)。IH
㎜ に よ る 角轍 ら,得 ら れ た 生 成 物}こ は ラ ダ ー 化 し
て い な い 部 分 が 多 く あ る こ と が わ か っ た 。 重 合 中 の 環 化
反 応 を 促 進 す る た め に,添 加 剤 と し てN,N,N;N'一 テ トラ
メ チ ル エ チ レ ン ジ ア ミ ン(TMEDA)を 加 え て0-500C
で 重 合 を行 っ た と こ ろ,50℃ の と き に 生 成 物 の 分 子 量
が 最 も 大 き く な っ た(Table1,Entry4-6)。
本 重 合 で 得 ら れ た ポ リア ミ ドに は,先 にSchemelで
Table1.PolymerizationoflbwithLiHMDSinTHF'
EntryAdditiveTempTimeM、MGM、
(℃)(h)
示 し た 反 応 機 構 に よ っ て ラ ダ ー 型 の 骨 格 に な っ て い る 部
分 と,ス キ ー ム1の 途 中 の 段 階 で 反 応 が 止 ま り,モ ノ マ
ー ユ ニ ッ トが1本 の ア ミ ド結 合 だ け で つ な が っ た 部 分
が あ る と考 え ら れ る 。そ こ で,そ の 比 率 を 求 め る た め に,
1本 の ア ミ ド結 合 を もつ モ デ ル 化 合 物2と2本 の ア ミ
ド結 合 を も つ モ デ ル 化 合 物3,お よ び 重 合 で 得 ら れ た ポ
リ マ ー のIHNMRを 比 較 し た(Fig.2)。2のIHNMRよ
り,ア ミ ド結 合 が1本 だ け 生 成 した 部 分 で は,ア ミ ノ 基
の 隣 に あ る メ チ レ ン プ ロ ト ン の シ グ ナ ル が3.lppm付
近 に2Hの シ グ ナ ル を 与 え,ア ミ ド基 の 隣 に あ る メ チ レ
ン プ ロ トン の シ グ ナ ル が3.5-4.2ppm付 近 に2Hの シ グ
ナ ル を 与 え る こ と が 分 か る。一 方,3のIHNMRよ り,
環 状 構 造 に な っ た 場 合 に は ア ミ ド基 の 隣 に あ る メ チ レ ン
プ ロ トン の シ グ ナ ル が3.4ppm付 近 と4.3ppm付 近 に
そ れ ぞ れ2Hの シ グ ナ ル を 与 え る こ と が 分 か る。 そ れ ら
の 知 見 を も と に ポ リ マ ー のIHNMRを 解 析 す る
と,2.7-3.9ppm付 近 に5.08Hの シ グ ナ ル が あ り,3.9-4.8ppm
付 近 に2.00Hの シ グ ナ ル が あ る こ と か ら,こ の ポ リ マ
ー に は ラ ダ ー 化 し た 部 分 が57%
,1本 の ア ミ ド結 合 で つ
な が れ た 部 分 が43%の 比 率 で 構 成 さ れ て い る こ と が 分
か っ た 。
odelcompound2
篭ONT
〔)=.,ChHN〕 ◎
二
0(CH
ZCiHiS
0
O
N
_1」 1
ppm
1「1111r 一 II
864
Ladder-TypePolyamide
z 0
1
2
3
4
5
6
TMEDA
TMEDA
TMEDA
0
50
0
50
483020
53 3580
1.32
1.45
4843002.33
482480
483060
483370
1.30
1.42
1.60
'PolymerizationoflbwascarriedoutinthepresenceofLiHMDS
(1.Oeq)with/withoutTMEDA(5.Oeq)inTHF
聯
C7H15
撫 旗 「
6(CH
C7卜{is
0
㎡
ξ 、
4
里.
「'"、
.i
i
1
/
鳳
1 oom
「
86一 一遜 ノ 「 zo
Modelcompound 3
1畿⑪P
α 鴫D
C-N
6⑪ 戦⑪
3c7H15
§ §
…
i
「糞
…
i
▲」
i…
i
ii
I「 馬-匿.「 Ir ppm
86420
Figure2'HNMRspectraofpolyamideandmodel
compounds2and3in1,1,2,2,‐
tetrachloroethane-dzat100°C.
3.金
属 錯 体 の 合 成 と構 造
応 用 錯 体 化 学 研 究 室 にお い て 行 っ て い る新 規 の 化 合 物
合 成 の 研 究 に お い て は,得
られ た 物 質 の 構 造 を 同定 す る
こ とは 必須 の 条 件 で あ り,こ の た め に はNMRか
ら得 ら
れ る情 報 は 極 めて 有 用 で あ る。 こ こで は 最 近 の 研 究 にお
い て どの様 にNMRを
用 い た か を紹 介 した い。
蕊_
拶
Uesugiら は フ ェ ニ ル ピ リ ジ ン 配 位 子 と キ レ ー トカ ル
ベ ン 配 位 子 を 含 む 一 連 の 白 金 錯 体 を 合 成 し,こ れ らが 紫
外 線 励 起 下 に お い て 白 金 錯 体 と して は 極 め て 高 い 量 子 効
率 を も っ て(>50%),溶 液 中 で 発 光 を 示 す こ と を 見 い だ
し た2)。 こ の 錯 体 の 構 造 はX線 構 造 解 析 に よ っ て 決 定 し
た が,例 え ば[Pt(ppy)(Ll)]2+の 場 合,カ ル ベ ン 問 の メ チ
レ ン 基 の2つ の プ ロ トン が6.2ppmに 四 重 線 で 観 測 さ
れ,溶 液 中 で も カ ル ベ ン キ レー トの 構 造 が 固 定 さ れ て い
る こ と が 判 明 し た(Fig.3)。
8.58.07.57.06.5
Figure3'HNMRspectrumof[Pt(ppy)(L1)]2+measured
inDMSO‐ds.
Ohkuboら
は,各 種 の 単 座 ホ ス フ ィ ン を含 む パ ラ ジ ウ
ム(0)錯 体 が強 い発 光 を示 す こ と を見 い だ した。 興 味 深
い こ とに,ホ ス フ ィ ンの 種 類 に よっ て 発 光 色 が 青 か らオ
レ ン ジ ま で 変 化 す る 。 こ れ らの 錯 体 の 構 造 もX線 構 造
解 析 に よ っ て 決 定 し た が,31P核 のNMRの 測 定 の 結 果,
こ れ ら の 錯 体 の シ グ ナ ル は 一7.0∼27.7ppmの 範 囲 に 一 本
ず つ 観 測 さ れ,溶 液 中 で も 一 種 類 の 化 学 種 と し て 存 在 し
て い る こ と を 明 ら か に し た3)。 ま た,対 応 す る 白金(0)錯
体 の 研 究 も 行 っ て お り,例 え ば[Pt(P(m-tol))3]錯 体 の 場
合 はFig.4に 示 す と お り,溶 液 中 で 三 本 に 分 裂 し た シ グ
ナ ル を 与 え る が,こ れ は リ ン原 子 が 白金 核 に 結 合 し て い
る 証 拠 と な っ て い る 。
Figure4
80.070.060.050.0
31PNMRspectrumof
toluene-6るsolution.
40.030.O
S/ppm
[Pt(P(〃-tol))3]in
臨
簡
臨
Pd
脚
[Pd(P(o-toI)a)z][Pd(P(CY)a)z]
◎9◎
◎/＼ ◎
磁(ジ
[Pd(P(CY)(Ph)z)a]
多 くの遷 移 金 属イ オ ン は,水 溶 液 中 で は水 が6個
配位
し た[M(H20)6]n+型
の 錯 イ オ ン とな っ て い る こ と が 知
られ て い る。 例 え ば ニ ッケル(II)イ オ ン を含 む 水溶 液 中
の 色 が 緑 色 で あ り,ま た銅(II)イ オ ン の場 合 は ピン ク色
とな る の は,イ オ ンそ の も の の色 を見 てい る の で は な く,
上 記 の よ うな錯 イ オ ンの 色 を見 て い る こ と にな る とい う
こ とは よ く知 られ て い る。Takaoら
は,陽 イ オ ン と陰 イ
オ ンか らな る塩 で あ るに もか か わ らず 室 温 付 近 で も液 体
と な っ て い るイ オ ン 液 体 中 に[M(H20)6]n+を
含 む 塩 を
溶 かす と 自然 に脱 水 和 が 生 じ,水 溶 液 中の 色 と異 な る こ
と を発 見 した4)。 例 え ば[Co(H20)6]BF4を
水 に 溶解 す る
と ピン ク色 とな るが,イ オ ン液 体 で あ るテ トラ フル オ ロ
ホ ウ酸 エ チ ル ー3一
メ チ ル イ ミ ダ ゾ リウ ム に 溶 解 す る と青
色 溶 液 とな る。EXAFSお
よ びIH核,19F核
のNMRス
ペ ク トル の 測 定 結果 か ら溶 液 中の構 造 を研 究 し,金 属種
に は水 分子 が4つ
結 合 し,イ オ ン液 体 を構 成 す る分 子 は
金 属 の 近傍 に は 存在 しな い こ とを 示 した。
以 上 の よ うに 有機 化 学 の み な らず 無機 イ オ ン を含 む錯
体 化 学 に お い て も様 々 な 核 種 や 手 法 のNMRを
駆 使 し
て研 究 を行 っ て い る。
4.オ
リゴ糖 合 成 に お け る構 造 解 析
糖 鎖 は核 酸,タ
ンパ ク質 と並 ぶ 第 三 の 生 体 高 分 子 で あ
り,主 に タ ンパ ク質 や 脂 質 に付加 して,糖
タ ンパ ク質 や
糖 脂 質 と して 細 胞機 能 の 調 節 に 寄 与 して い る。 生 体 分 子
化 学研 究 室 で は 糖 鎖機 能 解 析 を 志 向 した オ リゴ糖 合 成 の
過 程 で,NMRを
そ れ らの構 造 解 析 に活 用 して い るの で
報 告 す る。
糖 鎖 合成 は 高 度 にデ ザ イ ン され た 糖 供 与 体 と糖 受 容 体
を 用 い て,望 み の 位 置 お よび 立 体 で グ リコ シル 化 を繰 り
返 す こ とで 達 成 され る。 そ の 際,位 置 選 択 性 は 保 護 基 の
適 切 な 導 入 に よっ て 確 実 に 制 御 で き るが,グ
リコ シ ド結
合 形成 に伴 うoし・R一
選 択 性 の 制 御 は,糖 鎖 合 成 にお け る最
も挑 戦 的 な 課 題 の ひ とつ で あ る。 と く に望 み の グ リコ シ
ド結 合 と 隣接 す る2位
水 酸 基 が不 安 定 な1,2-CZS配
置
の 場合,立
体選 択 的 な グ リコ シル 化 には 工 夫 を要 す る。
HO
HO
HO
HO
HO
HOOH
_鑛 鄭 靱
鋤鷺
Figure5StructureofGlcaMansGlcNAc2
生 体 分 子 化 学 研 究 室 で は 小 胞 体 型 糖 タ ン パ ク 質 糖 鎖 の
合 成 と利 用 に 取 り組 ん で お り5・6),Glc3MangGlcNAc2型
14糖 の 合 成 研 究 に お い て は,い く つ か の 興 味 深 い ア プ ロ
ー チ で こ の 問 題 の 解 決 に 取 り組 ん で い る
。 例 え ばFig.5
中 に 示 し たoし 一グ ル コ シ ド結 合 の 構 築 に は,ア ノ マ ー 位 に
お け る 双 極 子 モ ー メ ン ト の 安 定 性 を 利 用 し てa一 結 合 を
構 築 す る 手 法(ア ノ マ ー 効 果)を 用 い た 。 一 般 的 に こ の
手 法 はoし 一グ ル コ シ ドを 優 先 的 に 与 え る が,立 体 選 択 性 を
完 全 に 制 御 で き る ほ ど 強 力 で は な い 。 そ こ で 我 々 は,糖
供 与 体 の2位 水 酸 基 の 保 護 基 と し て 電 子 供 与 性
のt-butyldimethylsilyl(TBS)基 を 用 い る こ と で,ア ノ マ ー 効 果
の 増 強 を 図 っ た 。そ の 結 果,反 応 は 完 全 にoし一選 択 的 に 進
行 し,望 み の3糖 を 高 収 率 か つ 高 立 体 選 択 的 に 与 え る こ
と が 分 か っ た(Fig.6)。 一 方,保 護 基 と し てTBS基 の 代
わ りに ベ ン ジ ル 基 を 用 い る と,グ リ コ シ ル 化 の 立 体 選 択
性 は5:1程 度 に 低 下 し た 。生 成 物 の 立 体 配 置 は,IHNMR
に よ っ て グ リ コ シ ド結 合 に ま つ わ る ア ノ マ ー プ ロ トン の
カ ッ プ リ ン グ 定 数 に 基 づ い て 決 定 し た 。Karplus曲 線 に
よ れ ば,oし 一グ ル コ シ ドの カ ッ プ リ ン グ 定 数 は3∼4Hzで
あ る が,R一 グル コ シ ドは8∼9Hzを 与 え,両 者 を 容 易 に
区 別 で き る 。
,,↑
。Ph鯨
聖
レ 。MP
ノ ＼O・
熱
麹 ♪OAc
ミミ/＼TBSOO
O
O
Ph.↓O
O
5.8 5.6
Figure6a‐SelectiveglucosylationusingTBSgroup.
ま たFig.5中 のR一 マ ン ノ シ ドは 最 も 構 築 の 難 し い
1,2-CZS型 グ リ コ シ ドで あ る 。 我 々 は こ の 結 合 の 構 築 を,
容 易 に 立 体 制 御 可 能 なR一 グ ル コ シ ド(1,2-trans)と し て
形 成 後,導 入 し た グ ル コ ー ス 残 基 の2位 水 酸 基 を 立 体 反
転 させ る方 法 で 達 成 し た(Fig.7)。 グ ル コ ー ス 残 基 の2
位 水 酸 基 を 酸 化 し て,い っ た ん ケ ト基 と し た 後,水 素 化
ホ ウ 素 ナ ト リ ウ ム に よ っ て 還 元 す る と,ヒ ド リ ドの 攻 撃
が グ リ コ シ ド結 合 や3位 水 酸 基 の 結 合 方 向 に 対 し て
transの 方 向 か ら優 先 的 に 起 こ り,ア キ シ ア ル 水 酸 基 を
有 す る マ ン ノ ー ス 型 骨 格 を 生 成 し た 。 こ れ に よ り,あ ら
か じ め 構 築 し て お い た グ リ コ シ ド結 合 は,結 果 と し て 望
み のR一 マ ン ノ シ ド に 変 換 す る こ と が で き た 。 生 成 物 の
R一マ ン ノ シ ドへ の 変 換 は,基 質 と生 成 物 のIHNMRス ペ
ク トル を 比 較 し,ア ノ マ ー プ ロ ト ン の カ ッ プ リ ン グ 定 数
が 前 述 の 原 理 に 基 づ い て 大 き く 変 化 す る こ と を 指 標 に 同
欝 ザ響 茄
↓
1)DMSO,AcZO
2)NaBH4
t
J=3.OHz
警恕〆剛
J=8.5Hz
Figure7Stereo‐inversionofR‐glucoside.
