超分子形成物質の添加および外部磁場の印加による

(1)

超分子形成物質の添加および外部磁場の印加による光誘起ラジカル反応の制御

著者宇田川周子

雑誌名金沢大学大学院自然科学研究科博士学位論文 p.46

発行年 2013‑03‑26

URL http://hdl.handle.net/2297/34621

(2)

1

博士論文

超分子形成物質の添加および外部磁場の印加による

光誘起ラジカル反応の制御

宇田川周子

2013 年 3 月

(3)

2

博士論文

超分子形成物質の添加および外部磁場の印加による

光誘起ラジカル反応の制御

金沢大学自然科学研究科生命科学専攻生理活性物質化学講座

学籍番号 1023032502

氏名宇田川周子

主任指導教員中垣良一

(4)

3

I.

序論 ... 4

II.

理論 ... 7

II-1

ラジカル対機構 ... 7

II-2

超微細相互作用機構（hfc機構：Hyperfine Coupling Mechanism） .. 9

II-3 Δg

機構 ... 12

II-4 S-T

-

Level Crossing ... 13

II-5

緩和機構 ... 14

II-6

超分子 ... 14

III.

様々な溶媒中における

Flutamide

の光化学： ... 18

III-1

序 ... 18

III-2

試薬および方法 ... 19

III-2-1

試薬 ... 19

III-2-2

実験機器 ... 19

III-2-3

光照射条件... 20

III-2-4 Flutamide

の光化学に対する磁場効果 ... 20

III-2-5

光生成物の合成および同定... 20

III-3

結果と考察 ... 22

III-3-1

種々の溶媒中における光反応 ... 22

III-3-2

様々な溶媒中における光反応性 ... 24

III-3-3 Flutamide

の光反応に対する磁場効果 ... 26

III-4

結論 ... 33

IV. 1,3-Diphenylisobenzofuran

の

SDS

ミセル溶液中の光増感酸化反応に対する磁場効果 ... 34

IV-1

序 ... 34

IV-2

実験 ... 34

IV-3

結果と考察 ... 35

IV-4

結論 ... 40

V.

終わりに ... 41

VI.

謝辞 ... 41

VII.

参考文献 ... 42

(5)

4 I.

序論

磁場は化学者・物理学者および生物学者にとって非常に興味深い物理的環境である。

磁石の発見は紀元前十数世紀であるといわれており、人類との関わりは数千年の歴史を持っている。哲学者、戯曲作家など様々な人たちが磁場に興味を示していた。

近代科学史で

1847

年、英国の

Michel Faraday

による“On the diamagnetic

conditions of flame and glass”[1]、イタリアの Zantedeschi

による“On the

motions presented by flame when under the electro-magnetic influence”[2]が

同時に

Philosophical Magazine

に発表された。その後、磁場の物理的効果につ

いては種々の研究がおこなわれてきたがその応用は限られていた。磁場の化学的効果については

1881

年に

I. Remsen

が銅の析出反応に対する磁場効果をアメリカ化学会誌に発表している[3]。時代はさらに新しくなるが、我が国においても

1964

年に田畑らによるホルムアルデヒドの放射線固相重合の磁場効果に関する論文[4]、

1968

年には藤原らによるポーラログラフィティーに及ぼす静磁場の影響[5]が発表されている。また、磁場の生物学的影響については

1964、 1969

年に出版された“Bioligical Effects of Magnetic Fields, Vol. 1&2”において、磁場が多数の生物現象に大きな影響を与えることが報告されている[6]。しかしながらそれらの大部分は再現されておらず、当時、磁場効果を説明する適切な理論もなかった。

磁場により起こる分子のエネルギー変化は、常磁性体である有機ラジカルを

1 T

の磁場中においた場合でも電子スピンのゼーマン分裂により変化するエネル

ギーは

0.01 kJmol

^-1であり、このエネルギーは一般の化学反応の活性化エネル

ギー（数十から数百

kJmol

^-1）はもとより、室温における熱エネルギー（2.5

kJmol

^-1）と比べてもはるかに小さい。さらに、有機化合物のような反磁性体の

磁場によるエネルギー変化は、常磁性体よりもさらに

3

桁小さく、このような熱力学的考察から磁場が化学反応に影響する可能性は極めて少ないといわれ、

「化学反応の磁場効果」は疑わしいものとされていた。

しかしながら、1960 年代末にはいり、化学誘発動的核スピン分極（CIDNP、

Chemically induced dynamic nuclear polarization）および、化学誘発動的電子

スピン分極（CIDEP、Chemically induced dynamic electron polarization）が発見され、そのメカニズムの解明が進むにつれ、電子スピンおよび核スピンと反応の関わり合いが明らかになった[7]。

1976

年に日本の研究グループ[8]およびドイツの

2

つの研究グループ[9,10]がそれぞれ独立に光化学反応の磁場効果の研究を発表し、さらにラジカル対機構という全く同一の機構により磁場効果を説明したことから、サイエンスとしての磁場効果の研究が一気に進んだ。

(6)

5

化学反応の反応速度や生成物収量に対する磁場効果は、CIDNPや

CIDEP

と共通のメカニズム－ラジカル対機構－で理論づけられることから、これらの研究分野は、“スピン化学”と呼ばれるようになった。現在では、広く化学・物理・

生物現象に対する磁場の影響を研究する研究分野は“磁気科学”と呼ばれるまでに発展してきている。

光化学反応や熱化学反応において、ラジカル対を経由する反応は数多く知られている。植物や細菌の光合成の初期過程には光電子移動反応のようなイオンラジカル対が生成することや、その他の生体反応や化学工業における反応にもラジカル対を経由する反応が数多く登場することから、ラジカル対は極めて重要な短寿命反応中間体である。反応速度や反応収量に対する磁場効果はラジカル対機構で説明できる。ラジカル対は二つのラジカルで構成されており、ラジカル対として一重項または三重項と呼ばれる違った電子スピン状態をとっている。磁場がかからない場合、一重項と三重項の縮重した三つのサブエネルギー準位が一致するときラジカル対は後述の電子スピン‐核スピン間の超微細相互作用機構（hfc機構）により項間交差が起こる。一重項ラジカル対はさらに再結合することにより「かご内生成物」を生成し、一方、三重項ラジカル対はそのままでは再結合できず散逸してフリーラジカルとなり、それらフリーラジカル同士が出会うことにより、「散逸生成物」を生成する。磁場はラジカル対のスピン状態に影響を及ぼし、項間交差に働く。たとえば、

1 T

未満の低い磁場が存在するとき、三重項の三つのサブエネルギー準位はゼーマン分裂によりエネルギー準位の縮重がとけ、一重項－三重項間の項間交差が抑制される。その結果、

磁場は反応速度や反応生成物収量に大きな影響を及ぼす。

ラジカル対のスピン多重度はその前駆体の多重度に一致する。例えば、前駆体が励起三重項であった場合、

hfc

機構による三重項－一重項間の項間交差は抑制され、かご内生成物の収量は減少する。かご内生成物の減少は、同時に磁場印加による散逸生成物の増加に関係する。このように磁場効果をプローブとして用いることにより簡単にラジカル対前駆体のスピン多重度を決定することができる。また、ラジカル対の寿命は粘度などのミクロ環境の特性に左右される。

低粘度な均一溶媒系ではラジカル対の寿命は短く、磁場効果はみられない。一方、ラジカル対の寿命は不均一溶媒中で長く、顕著な磁場効果が見られる。磁場効果を解析することにより分子のミクロ環境の状態を類推することができる。

すなわち、反応速度や反応生成物の収量に対する磁場効果は、反応機構を解明するにあたり、シンプルかつ有用な道具となる。最近は数テスラ以上の強磁場影響の研究が多数報告されているが（1 テスラ（T）＝10,000 ガウス(G)）、磁場効果をプローブとした反応機構研究の汎用性・有用性を意識し、本研究では、

どこの研究室でも入手可能な永久磁石を磁場の発生源として用い、有機光化学

(7)

6

反応機構の解明をおこなった。

Flutamide

（

2-methyl-N-[4-nitro-3-(trifluoromethyl)phenyl]propanamide

）は前立腺がんに用いられる非ステロイド性の抗がん剤である

[11-13]

。

Flutamide

は副作用として光過敏性があることが報告されている[14-19]。この

ことから

Flutamide

の光反応については、様々な溶媒における

Flutamide

の光

反応およびその生成物が報告されている[20-24]。しかしながら、いずれの報告も生成物の解析は様々であり、反応機構の詳細について完全に証明できてはいない。第

III

章では、光過敏性副作用の作用機序解明のための一助として、超分

子中の

Flutamide

の光化学反応の磁場効果の研究を行った。Flutamideの光化

学反応の溶媒としては、均一溶媒である

pH7.4

のリン酸緩衝液から、より生体内環境を模すために不均一溶媒系である

β‐シクロデキストリン（β-CD）およ

びミセル溶液であるドデシル硫酸ナトリウム（SDS）溶液およびポリオキシエチレン(23)ラウリルエーテル（Brij35）溶液中での磁場効果、さらに生体内分子である牛血清アルブミン中（BSA）溶液中における光反応に対する磁場効果を調べ、反応機構を詳細に検討した。その結果、磁場効果をプローブに用いることにより、その光反応機構について新しい知見を得ることができた。

磁場効果は反応機構の解明に非常に有用な道具となりうる。しかしながら、

磁場は誰でも簡単に利用できることから、逆に未だに再現性の不確かな研究が報告されていることもあるようである。よって、磁場効果の研究において再現性の有無を検討することは非常に重要な研究である。光酸化反応は生体系でも観られる重要な化学反応の一つである。1,3-Diphenylisobenzofuran（DPBF）

の

Anthraquinone

（AQ）を増感剤に用いた光増感酸化反応の磁場効果について

は谷本らによって既に報告がなされている[25]。磁場効果は

DPBF

および

AQ

の

UV

吸収に対してのみ検討されただけで、酸化生成物である

o-Dibenzoylbenzene（DBB）の収量については未検討であった。また、類似し

た光反応の磁場効果の報告は他にないようである。そこで、第

IV

章では、この光酸化反応について反応物のみならず生成物を分離しそれらの収量を解析することにより、その磁場効果の再現性を検討し、詳細な反応機構の解明を行った。

さらに

AQ

以外の増感剤についてその磁場効果を検討し、光酸化反応の磁場効果の普遍性を明らかにした。

以上の研究により、磁場効果をプローブに用いて、

Flutamide

の光反応の反応初期過程・DPBF の光増感酸化反応機構の解明を行うことができた。併せて、

永久磁石を利用した磁場のプローブとしての有用性について実証することができた。これらの研究により今後光化学反応機構の解明に、磁場効果が一層利用されるものと期待される。

(8)

7 II.

理論

II-1

ラジカル対機構

磁気的に相関関係を持つ二つの電子を持つラジカルの対をラジカル対と呼ぶ。

1

H・・R

2

Fig. II-1

に示す。ラジカル対は一重項

（Singlet、S）と三重項（Triplet、T）の

2

つの電子スピン状態を持つ。三重項は

T

+、T0、および

T

-の三つのエネルギー準位を持っている。生成したラジカル対のスピン状態は、スピン保存則により、前駆体のスピン状態に依存する。すなわち、例えば一重項励起状態分子が前駆体の場合、生成したラジカル対は一重項ラジカル対であり、前駆体が三重項の場合、生成したラジカル対は三重項ラジカル対である。一重項ラジカル対からは、項間交差により三重項へ移る過程、再結合によりかご内生成物（基底一重項状態、cage products）を生成する過程、および散逸によりフリーラジカルを経て散逸生成物を生成する過程がある。三重項ラジカル対からは、項間交差により一重項へ移る過程、散逸によりフリーラジカルを経て散逸生成物を生成する過程がある。なお、スピン禁制則により、三重項のスピン状態から直接スピン多重度の異なる一重項かご内生成物へ遷移することはできない。

(9)

8 Fig. II-1 Radial pair model

ラジカル対の一重項－三重項項間交差はどのようにして起こるか、その際磁場はどのような影響を与えるのかについて説明する。ラジカル対の一重項－三重項項間交差の理論は、伊藤公一らの

X

線照射固体内にトラップされたラジカル対の固体中のラジカル対の磁気的相互作用の理論[26]をもとに

Kaptein

により作られた[27]。その理論により、例えば、三重項ラジカル対を前駆体としたときの、S と

T

0の混合が起こる場合について考える。この場合ラジカル対の時間

t

における三重項成分|C_T

(t)|

²は、次式で与えられる。

|C

_T

(t)|

²

= 1 − (Q

^N

⁄ ω

_N

)

²

sin ω

_N²

t (1)

ここで、

ω

N2

=Q

N2

+ (2πJ/h)

2

の超微細相互作用定数とその磁気量子数、ラジカル２の核スピン

j

の超微細相互作用定数とその磁気量子数である。

Singlet precursor Triplet precursor

Triplet radical pair Singlet radical pair

Escape radicals (Free radicals)

Cage products R

₁

 R

₂

Escape products

Escape Escape

Intersystem crossing

Radical pair model

Magnetic field effects R1 ・・ R2

3 R1 ・・ R2

1

(10)

9

すなわち、ラジカル対は、(1)式より一重項状態と三重項状態の間を周期的に角周波数

ω

Nで行き来すること、その角周波数は(2)式に示すように、２つの項に依存することが分かる。(2)の第一項は、(3)に示すように、さらに２つのラジカルの

g

値の差(g)と印加磁場の大きさの積に比例する項と、電子スピン－核スピンの超微細相互作用に依存する項から出来ている。(2)の第二項は、２つの電子の交換相互作用による項である。また、(1)の振動の振幅は、(Q^N

⁄ ω

_N

)

²に比例する。

(2πJ/h)

²

>> Q

N2のとき、言い換えると２つのラジカルが近づき、交換相互作用

J

が大きいところでは、一重項－三重項間の項間交差がおこらず、２つのラジカルが拡散し

J ≈ 0

のところで、項間交差が起こることを示している。(3) 式の第一項による磁場効果をg機構、第二項による磁場効果を

hfc

機構という。

II-2

超微細相互作用機構（hfc機構：Hyperfine Coupling Mechanism）

つあり、三重項状態(T)という。一方、磁気モーメントをもたない状態が

1

つあり、一重項状態(S)という。

(11)

10

ほとんどの有機ラジカルは水素原子をもち、内部磁場はゼロにはならない。

ここでは簡単のため、ラジカル対を作っている２つのラジカルの

g

さらに時間が経過するとまた

－T+、S－T–項間交差が抑制される（Fig. II-3 (b)）。

その結果、例えば、励起三重項状態から反応した場合、Fig. II-4 に示すように、磁場の印加によりかご生成物の収量は減少し、逆に散逸生成物の収量が増加することになる。前駆体のスピン多重度が一重項のときは、三重項の場合と逆の関係になる（Table II-1）。

Fig. II-2 Vector model of radical pair (a) spin states of radical pair

(b) S−T0 intersystem crossing of a radical pair

(⇑: Local magnetic field by nuclear spin of a radical-1 )

(12)

11 Fig. II-3 Energy levels of radical pair

Fig. II-4 Formation and decay processes from triplet radical pair.

Table II-1 Magnetic field effect on yield of products by hfc mechanism

一重項前駆体三重項前駆体

かご生成物増加減少

散逸生成物減少増加

S T

_{+ ,}

T

_{0 ,}

T

_-

S

T

₊

T

_-

T

₀

ISC ISC

hfc hfc

(a)B = 0 (b)B = B _ex ^Zeeman

splitting

S; Singlet radical pair T; Triplet radical pair

Energy levels of radical pair

S T _{+ ,} T _{0 ,} T _- S

T ₊

T _- T ₀

ISC ISC

hfc hfc

+ 𝐵

₂²

)/(𝐵

₁

+ 𝐵

₂

)

B

1と

B

2はそれぞれラジカル

1

と

2

の平均内部磁場である。有機ラジカルの場合、Bavは

0.001－0.01 T

であり

k

isc

(hfc)は 10

⁸－10⁹

s

^-1となる。外部磁場が約

0.1 T

以上の磁場（B>>Bav）では、T+

-S

および

T

-

-S

間交差はほとんど起こらない。

II-3 Δg

機構

となる。すなわち、磁場がない時項間交差は起こらないが、磁場の印加により項間交差が引き起こされることになる。

この場合の

S-T

₀項間交差の速度定数

k

_isc

(Δg)は以下の式であらわされる。

k

_isc

(Δg)＝ΔgβhB

磁場がかかっていない場合（B=0）k_isc

(Δg)=0

であるが、B の増大とともに項間交差速度は増大する。有機ラジカルの場合、

Δg＝0.001

程度で

S―T

₀間の項間交差速度は

1 T

の時おおよそ

10

⁸

s

^-1である。また既に説明したように、数百

mT

以上の磁場中ではゼーマン分裂のため

S-T

₊と S-T_- 項間交差は起こらない。この

(14)

13

機構は、S-T₀項間交差のみが強磁場により促進されることとなる。

II-4 S-T

-

Level Crossing

一重項―三重項間のエネルギーギャップ

2 J

は、2 J=2 J0

exp(－aR)で表わさ

れる（Fig. II-5）。ここで、

J

0

,a, R,はそれぞれ交換相互作用の大きさ、臨界距離、

ラジカル間距離である。ラジカル対が生成した直後は一重項―三重項間のエネルギーギャップは大きいため項間交差は起こらないが、拡散が起こりある距離になったとき

2J≈0

となり、項間交差が可能となる。

-と

S

との縮重が起こる（S-T-

level

crossing）

。そのためゼロ磁場に比べ、磁場の印加により項間交差速度が増大し、

T

-

（または T

+）と

S

が縮重した特定の磁場のとき最大になる。さらに磁場を増

大すると再び二つのエネルギー準位は離れ縮重がとけ、項間交差速度は再び遅くなる。メチレン鎖連結ビラジカルなどでまれに観られることのある磁場効果である。

Fig. II-5 Energies of singlet and triplet states of RPs and their pathways in solution.

2J < 0 is assumed.

S-T- level crossing Triplet RP

Singlet RP S‐T transition

Magnetic Field Effect

(15)

14 II-5

緩和機構

これまでの磁場効果は、２つのラジカルの直接的な磁気的相互作用による磁場効果であったが、それ以外にラジカルのスピン状態の間の緩和に由来する磁場効果がある。スピン緩和は分子運動により引き起こされるスピン状態間の遷移である。すなわち、100 mTを超える高磁場においてはラジカル対のスピン格子緩和（SLR; spin-lattice relaxation ）がラジカル対のスピン状態間の遷移に重要な過程となる。Δg機構および

hfc

機構は時間に依存しない相互作用による項間交差であるのに対し、緩和過程は時間に依存する異方性を持った磁気的相互作用によるスピン状態の変換過程（緩和過程）である。緩和過程は分子の回転運動による相互作用の時間的揺らぎの結果おこる。たとえば電子と核スピンの双極子相互作用によるスピンの縦緩和速度

k

τは以下の式で表され、磁場(H)の印加により緩和速度が遅くなったり、場合によっては速くなったりする。

k

τ

= 2W/(1+γ

²

τ

02

H

²

) γ；電子の磁気回転比

τ

0；ラジカルの回転の相関時間

W；定数

緩和時間（1/ k_τ）はおおよそ

μs

のオーダーと見積もられており、ラジカル対の寿命が長いとき、緩和機構による磁場効果が重要となる。

外部磁場は一重項－三重項間の項間交差や緩和に作用し、ラジカル対の寿命や散逸ラジカルの収量に大きな影響を与える。ラジカル対を形成しているラジカルのスピンの相互関係こそが光化学反応における磁場効果の本質である。また磁場効果発現のためには、ラジカル対は一重項－三重項間の項間交差のために十分な少なくとも数ナノ秒以上の寿命を持たなければならない。磁場効果が励起状態のスピン状態に依存すること、磁場効果の大きさがラジカル対のおかれた環境（溶媒の粘度など）に依存することから、磁場効果をプローブとして用い、反応機構を解明したり、ラジカル対のおかれているミクロ環境を調べたりすることもできる[28,29]。また、渡り鳥のナビゲーションにラジカル対機構による磁場効果が使われているという説があり、現在盛んに研究がおこなわれている[30]。

II-6

超分子

大きな磁場効果が起こるためには、項間交差の起こる

2J ≈ 0

の遠隔ラジカル対の状態にラジカル対を長時間留めておくことが重要である。その方法として

(16)

15

は、ミセルにラジカル対を閉じ込める方法、ラジカルをメチレン鎖両末端につなぎとめる方法などがある。

本研究では、短寿命反応中間体であるラジカル対の寿命を十分長くするために様々な超分子反応系を用いた。超分子（supramolecule）とは、複数の分子が共有結合以外の結合（配位結合、水素結合など）や比較的弱い相互作用により秩序だった構造を持つ分子集合体や化合物のことである。本研究に用いた超分子系の一つであるミセルを

Fig. II-6

に示す。

Fig. II-6 Micelle as supramolecule and radical pair (R

1・・R2

)

界面活性剤を水に溶かすとある濃度(critical micelle concentration: cmc)以上で界面活性剤分子の会合体であるミセルが生じる。ミセルのサイズやその性質は界面活性剤の種類により異なるが、Fig. II-6 のような構造をしているものと考えられている[31]。本研究に用いたドデシル硫酸ナトリウム（SDS）の場合、

およそ

60

個の

SDS

分子が会合し直径

1－4 nm

のサイズの分子会合体であるミセルを形成する。ミセルは疎水性のメチレン鎖をコアにもち、親水性の硫酸基を外側にした構造を取っているものと考えられている。

ミセル水溶液は極性溶媒である水の中に疎水性のミセルが分散された微視的に不均一な溶液である。ミセル水溶液中に有機物を溶かすと疎水性の有機物は主としてミセル内部に取り込まれる。通常の有機溶媒の粘度が

0.5 cP

程度なのに比べ、ミセル内部の粘度は

10～20 cP

と高い。さらに、ミセル相と水相との異相界面が疎水性有機分子の水への散逸を防ぐため、大きな溶媒かご効果(ミセル効果)を示す。これにより、光反応に顕著な磁場効果を引き起こすのに最適な微視的環境を提供することになる。本研究においては、他に非イオン界面活性剤であるポリオキシエチレン（23）ラウリルエーテル（Brij35）を用いたミ

R1・・R2

1－4 nm

(17)

16

セルについても検討した。

Brij35

で形成されたミセルは会合数約

40

個の分子会合体となっており、ミセルコアの構造は

SDS

ミセルと同様であるが、ミセル外側に親水基であるポリオキシエチレン鎖をもつ。親水基部分の構造の違いにより、有機ラジカル対の反応性が変化することが分かった。

また、シクロデキストリンのようなマクロ環分子も超分子として検討した（Fig.

II-7）。シクロデキストリンは数分子の

D-グルコースが α(1→4)グルコシド結合に

よって結合し環状構造を取った環状オリゴ糖の一種である。一般に、グルコースは

6~8

個結合しており、

6

個のものが

α－シクロデキストリン（シクロヘキ

サアミロース）、7 個のものが

β－シクロデキストリン（シクロヘプタアミロー

ス、

βCD）

、

8

個のものが

γ‐シクロデキストリン（シクロオクタアミロース）と

呼ばれる。本研究においては

β-CD

を用いており、内部の空孔は

0.6－0.8 nm

程度であると考えられる。シクロデキストリンの

OH

基はこの空孔の外にあるため、空孔内部は疎水性となっており、有機物を抱合する。

Fig. II-7

β－Cyclodextrin

0.6~0.8 nm

(18)

17

生体内分子であり高次構造を持つポリペプチドであるアルブミンは

Fig. II-8

に示すように脂肪酸をその分子内に抱合する。

Flutamide

と

BSA

の

(牛血清アルブミン：BSA）と有機ラジカル対との抱合体についても磁場効果か

らその反応機構を調べた。

Fig. II-8 Structure of serum albumin (fatty acids bind to the protein )[32]

Serum albmin

Fatty acid

(19)

18

III. Flutamide

の光化学：

反応生成物に対する磁場効果による反応機序の解明

III-1

序

Flutamide

（

2-Methyl-N-[4-nitro-3-(trifluoromethyl)phenyl]propanamide

）は非ステロイド系の抗がん剤であり、進行した前立腺がんに使用される[11-13]。

Flutamide

は光過敏性の副作用を持つことがいくつかの文献で報告されている

[14-19]。この副作用の作用機序解明のために Flutamide

の光物理化学的および

光化学的性質を解明することは重要である。いくつかの先行論文では様々な溶媒中における

Flutamide

の光化学について報告されている[20-24]。Flutamide はリン酸緩衝液のような均一溶媒中および、かごを形成する化合物を含む、例えば、

β-CD

や小胞体のような不均一溶媒中において、ニトロ－ニトリト転位を経て

O-N

結合が切断されフェノール誘導体を生成し、不均一溶媒中でのみ光還元生成物を生成すると報告されている[20,22-24]。

磁場効果（MFEs）はラジカル対を含む反応機構解明および反応の微小環境の解明にシンプルかつ有用な道具となりうる[28]。反応速度および反応生成物に関する磁場効果は化学誘発動的核スピン分極（

CIDNP、Chemically induced dynamic electron polarization）に基づくラジカル対機構により理論づけられる [33,34]。また、ビラジカルに関する磁場効果も同様の理論により説明される[33]。

ラジカル対は二つのラジカルで構成されており、一重項（S）および三重項（T）

の二つの違ったスピン状態を持つ。印加磁場がない場合、ラジカル対の一重項と三重項の三つのエネルギー副準位（T-、T0、T+）は縮重しており、一重項と三重項の三つのエネルギー副準位間の項間交差が超微細相互作用機構（hfc機構）

により誘導される。一重項ラジカル対は再結合し、「かご内生成物」を生成し、

一方、三重項ラジカル対はそのままでは基底状態の分子に再結合することができない。ほとんどすべての有機化合物は基底状態において一重項であり、三重項ラジカル対は基底状態化合物になることができず、ふたつのフリーラジカルに分かれて散逸生成物を生成する。磁場が存在するときゼーマン分裂によりエネルギー副準位の縮重が溶けることにより項間交差速度は減少する。結果として、反応生成物の収量は印加磁場の影響を受けることになる。

例えば励起一重項または励起三重項などのラジカル対のスピン多重度は各々その前駆体と同じである。もし前駆体が励起三重項状態である場合、

hfc

機構により三重項－一重項間の項間交差が抑制されることによってかご内生成物の収量は減少する。かご内生成物の減少は磁場印加による散逸生成物の増加に付随して起こる。ゆえに、我々は磁場効果を観察し分析することによってラジカル対前駆体のスピン多重度を容易に決定することができる。

(20)

19

また、磁場効果の分析から我々は溶解している分子が囲まれている微小環境の特性について類推することができる。ラジカル対の寿命は例えば溶媒の粘度などのラジカル対が置かれた環境の性質に左右される。ラジカル対の寿命は低粘度な均一溶媒中では短く、反応速度や反応収量に対する磁場効果はみられないか、見られたとしても極わずかである。一方、不均一溶媒中において、ラジカル対の寿命は長く、それ故に顕著な磁場効果が観察される。

反応機構を詳細に明らかにするために、様々な超分子を含む溶媒中における

Flutamide

の光化学反応を比較した。pH7.4 リン酸緩衝液、ミセル溶液として

ドデシル硫酸ナトリウム（SDS）やポリオキシエチレン(23)ラウリルエーテル

（Brij 35）、

β－シクロデキストリン（β-CD）

、そしてウシ血清アルブミン（BSA）

溶液中の光反応について、約

0.1 T

の磁場中での磁場効果を調べた。

III-2

試薬および方法

III-2-1

試薬

Flutamide

は東京化成（株）から購入したものをそのまま用いた。

0.01 M

リ

ン酸緩衝液(pH7.4)は特級試薬を用いて調製し、ガラス電極で

pH

調整を行い調製した。10^-2

M β-シクロデキストリン(β-CD)、10

^-1

M

ドデシル硫酸ナトリウム

(SDS)、 1.6×10

^-2

M

ポリオキシエチレン(23) ラウリルエーテル (Brij 35)、および

1 mg/mL

牛血清アルブミン (BSA)は各々試薬を上記のリン酸緩衝液に溶解して

調製した（1 M = 1 mol/L）。高速液体クロマトグラフィー(High performance liquid

chromatography

；HPLC)の移動相溶媒は

HPLC

用を用いた。

III-2-2

実験機器

紫外可視吸収スペクトルは

Ocean Optics Inc.の USB4000

および

DT-NIMI-2-GS

を用いて測定した。核磁気共鳴(^１

H-NMR)スペクトルは JEOL ECS-400、ガスク

ロマトグラフィー ‐ 質量分析

(GC-MS)

スペクトルは

Hewlett-Packard

HP6890/HP5973

を用いて測定した。高速液体クロマトグラフィー(HPLC)は島津

製作所

LC-20

シリーズを用いて測定した。HPLC を用いての定量分析はカラム

として

Hiber LiChrosorb RP-18

を用い、移動相はアセトニトリル：10^-2

M

リン酸緩衝液(pH7.2) =5：5 を用いた。分取用

HPLC

はカラムとして

Wakosil-Ⅱ5C18

HG-Prep

を用い、移動相はアセトニトリル：水＝5：

5

を用いた。保持時間は各々、

Flutamide

が

12

分、生成物

1

（N- [4-hydroxy-3-(trifluoromethyl) phenyl] isobutylamine）

が

4.8

分、生成物

2

（N- [4-nitroso-3-(trifluoromethyl) phenyl] isobutylamine）が

13.5

分であった。これら主な保持時間は

Flutamide

を溶解した各種溶媒中どれも同じであった。

(21)

20 III-2-3

光照射条件

Flutamide

の光照射は光源としてキセノンランプ（Ushio Optical Modulex

UXL-300SX）

、フィルターとしてガラスフィルターUTVAF-50S-34U(Shigma-Koki) と溶液フィルター7.15mg/mL二クロム酸カリウム溶液（光路長

2 cm）を用いて

中心波長

313 nm

の光を照射した。

2.2 mL

石英セル中の光量はトリオキサラト鉄

（Ⅲ）カリウム光量計を用いて測定した結果、約

1×10

¹⁶

quanta s

^-1 であった

[35,36]。様々な溶媒中に溶解した 10

^-4

M Flutamide

溶液は凍結融解法により脱気したのちに光照射を行った。光照射は溶媒ごとに一定時間間隔で行った。光照射ののち、反応液は

HPLC

にて分析した。

313 nm

の光照射による

Flutamide

の光分解および光生成物（開始時から

15

％

反応終了時）の量子収量は式（1）で計算した[20]。

Φ = (d[X] / dt) ν / FI (1)

d[X] / dt

は

Flutamide

の減衰の初期速度または生成物の生成速度を示し、νは

光照射試料の体積を示し、F = 1−10^−Aは励起波長において

Flutamide

が吸収した光量の割合を示し、Iは光源の光量（mol of photons min^-1）を示している。Fは

313 nm

での吸光度から計算される。

III-2-4 Flutamide

の光化学に対する磁場効果

2

個の永久磁石（30 mm × 20 mm × 8 mm、Tokin LM-30）で挟むことにより磁場を印加した。セルホルダー内部の磁場は

0.1 T

となった。

III-2-5

生成物

1：N-[4-hydroxy-3-(trifluoromethyl)phenyl]isobutylamide 4-nitro-2-(trifluoromethyl)phenol

の合成

4-nitro-2-(trifluoromethyl)aniline (502 mg, 2.43 mmol)の濃硫酸溶液に sodium

nitrate

溶液(190 mg /濃硫酸

1.3 mL)を徐々に添加し、 1

時間撹拌した。反応液を氷

冷水に注ぎ

5

分間激しく撹拌した。溶液を徐々に加温し

1

時間で

100

度にした。

室温に戻したのち、アンモニア水を加えて中和し、酢酸エチルで抽出した。抽出液を無水硫酸ナトリウムで乾燥させたのち蒸発させて橙色の固体である目的

(22)

21

とするフェノール化合物（46.5 mg, 収率

9 %）を得た。

1

H-NMR (400 MHz, CDCl

3

のメタノール/水

1:1

混合溶液に

zinc powder (3.76 g, 57.43 mmol)を加えて 1.5

時間撹拌した。混合液をろ過し、熱水で洗浄し、酢酸エチルにて

3

回抽出した。

抽出液を無水硫酸ナトリウムで脱水したのち濃縮し、橙黄固体として目的とするアミン(79.9 mg, 84 %)を得た。

N-(4-nitroso-3-(trifluoromethyl)phenyl)isobutyramide

の合成

N-[4-amino-3-(trifluoromethyl)phenyl]isobutyramide(40.2 mg, 0.163 mmol)の氷冷ジクロロメタン溶液に 2

当量分の

m-chloroperoxybenzoic acid

(56.4 mg)の同溶液を撹拌しながら滴下した。 1

晩

0℃で撹拌したのち、反応液を

炭酸ナトリウム水溶液で振とう混合し、酸を取り除いた。有機層を無水硫酸ナトリウムで脱水し、溶媒を瑠去した。租生成物をカラム(SiO₂；酢酸エチル‐ヘキサン＝4:6)にて精製し、緑黄結晶として目的のニトロソ化合物(21.4 mg, 50 %)

(23)

22

を得た。

HR-MS (EI) m/z: 260.07726 (Calcd for C

11

H

11

F

3

N

2

O

2

: 260.07726).

¹

H-NMR (400 MHz, CDCl

3

) δ: 8.25 (d, J = 2.04 Hz, 1H), 7.77 (dd, J = 2.18, 8.86 Hz, 1H), 7.62 (brs, 1H), 6.38 (d, J = 8.84 Hz, 1H), 2.61 (m, J = 6.84 Hz, 1H), 1.30 (d, J = 6.88 Hz, 6H)

III-3

結果と考察

III-3-1

種々の溶媒中における光反応

SDS

および

Brij35

のリン酸緩衝液中での臨界ミセル濃度は各々4.5×10^-3

M

M Flutamide

リン酸緩衝溶液(pH7.4)に対し、中心波長

313 nm

の光照射を行った場合の紫外可視吸収スペクトルの変化を示す。300 nm付近の広い吸収帯はリン酸緩衝溶液中の

Flutamide

の吸収であると帰属される。

光照射時間に従って

300nm

付近の吸収は減少し、一方、260nm 付近の吸収は増大していた。

Fig. III-2

は、0.1 M SDS溶液中における

Flutamide

の紫外可視吸収スペクトル変化を示している。SDS 溶液について光照射により誘導される紫外可視吸収スペクトルの変化はリン酸緩衝液中で観察されたものとは違った。

SDS、 Brij35、

β-CD

および

BSA

を含む溶液中で観察されたスペクトルの変化は

350 nm~370

nm

付近に等吸収点が観察され、360nm 付近に吸収極大を持つ物質の生成が示唆された。

(24)

23 Fig. III-1 Spectral changes observed for degassed 10

^-4

M flutamide solution in phosphate buffer (pH7.4) upon regular irradiation time intervals of 60 min.

Fig. III-2 Spectral changes observed for degassed 10

^-4

M flutamide solution in phosphate buffer (pH7.4) in the presence of 10

^-1

M SDS upon regular irradiation time intervals of 30 min.

Flutamide

の光照射後の反応液を検出波長

254nm

で

HPLC

分析したところ、

リン酸緩衝液、SDS、Brij35、β-CD および

BSA

のすべての溶媒中で保持時間

4.8

分に継時的に増加するピークが観察された。このピークは紫外可視吸収スペクトルおよび

HPLC

チャート、および

GC-MS

のフラグメントパターンを別途合成した標品と比較した結果、生成物

1

（N-[4-hydroxy-3-(trifluoromethyl)phenyl]isobutylamide）であると同定された。リ

(25)

24

ン酸緩衝液以外の反応液については、検出波長

360 nm

で保持時間

13.5

分に光照射時間に従って増加するピークが観察された。このピークは紫外可視吸収スペクトルおよび

HPLC

チャート、および

GC-MS

のフラグメントパターンを別途合成した標品と比較した結果、生成物

2

（N-[4-nitroso-3-(trifluoromethyl)phenyl]isobutylamide）であると同定された。

均一溶媒および不均一溶媒の両溶媒中で

Flutamide

の光照射において、光誘導されたニトロ－ニトリト転位によりフェノール体である生成物

1

を生成した。

一方、

Flutamide

は

SDS、 Brij35、 β-CD

および

BSA

溶液中において光還元され、

生成物

2

を生成した。

III-3-2

様々な溶媒中における光反応性

Flutamide

の光分解（Φ-FM）、光転位（Φ1）および光還元（Φ2）の量子収量を

HPLC

分析により求めた（Table III-1）。

分の

1

であり、

SDS

溶液中では光還元よりも光転位が優先的に起こっていることが分かった。SDS ミセルは光転位に有利な疎水的な環境を提供していると考えられた。

超分子形成物質の添加および 外部磁場の印加による

超分子形成物質の添加および外部磁場の印加による 光誘起ラジカル反応の制御

1

博士論文

超分子形成物質の添加および 外部磁場の印加による

光誘起ラジカル反応の制御

宇田川 周子

2013 年 3 月

2

博士論文

超分子形成物質の添加および 外部磁場の印加による

光誘起ラジカル反応の制御

金沢大学自然科学研究科 生命科学専攻 生理活性物質化学講座

学籍番号 1023032502

氏名 宇田川 周子

主任指導教員 中垣 良一

3

I.

II.

II-1

II-2

II-3 Δg

II-4 S-T

Level Crossing ... 13

II-5

II-6

III.

Flutamide

III-1

III-2

III-2-1

III-2-2

III-2-3

III-2-4 Flutamide

III-2-5

III-3

III-3-1

III-3-2

III-3-3 Flutamide

III-4

IV. 1,3-Diphenylisobenzofuran

SDS

IV-1

IV-2

IV-3

IV-4

V.

VI.

VII.

4 I.

1847

Michel Faraday

conditions of flame and glass”[1]、イタリアの Zantedeschi

motions presented by flame when under the electro-magnetic influence”[2]が

Philosophical Magazine

1881

I. Remsen

1964

1968

1964、 1969

1 T

0.01 kJmol

kJmol

kJmol

3

Chemically induced dynamic nuclear polarization）および、化学誘発動的電子

1976

2

5

CIDEP

1 T

hfc

6

Flutamide

2-methyl-N-[4-nitro-3-(trifluoromethyl)phenyl]propanamide

[11-13]

Flutamide

Flutamide

Flutamide

III

超分子形成物質の添加および外部磁場の印加による

超分子形成物質の添加および外部磁場の印加による光誘起ラジカル反応の制御

超分子形成物質の添加および外部磁場の印加による

宇田川周子

超分子形成物質の添加および外部磁場の印加による

金沢大学自然科学研究科生命科学専攻生理活性物質化学講座

氏名宇田川周子

主任指導教員中垣良一