雑誌名 博士学位論文要旨 論文内容の要旨および論文審査

1‑ヒドロキシインドール誘導体の電子スペクトルに 関する密度汎関数計算

著者 林 晃夫

著者別名 Hayashi, Akio

雑誌名 博士学位論文要旨 論文内容の要旨および論文審査

結果の要旨／金沢大学大学院自然科学研究科

巻 平成21年6月

ページ 131‑136

発行年 2009‑06‑01

URL http://hdl.handle.net/2297/26923

氏名 学位の種類 学位記番号 学位授与の日付 学位授与の要件 学位授与の題目 論文審査委員（主査）

論文審査委員（副査）

林晃夫 博士（薬学）

博甲第１０６８号 平成２０年９月２６日

課程博士(学位規則第４条第１項）

１－ヒドロキシインドール誘導体の電子スペクトルに関する密度汎関数計算 徳村邦弘（医薬保健研究域・准教授）

中垣良一（医薬保健研究域・教授)，国本浩喜（理工研究域・教授)，

高荷昌子（医薬保健研究域・准教授)，井田朋智(理工研究域・准教授）

nmc-depcndcntdensityfUnctionaltheory（TD-DFT）calculationswercpcrfOrmedtoelucidatc electronicspectraoftwelve5-substitutedjVb-acetyl-1-methoxytryptaminesandfOurl-hydroxyindole derivatives（l-hydroxWVb-methoxycarbonyltryptamine，Ｎ，N-dimethyl-1-hydroxyindole-3-acetamide，

jVb-acetyl-1-hydroxytryptophanmcthylcstcMndl-hydroxWVb-pivaloyltryptamine)withC-QVbsidc chainat3-positionofindoleringinmethanol、Forthesecompounds,therespectiveHOMO→IＵＭＯ ａｎｄＨＯＭＯ-1→uJMOsinglyexcitedconfigurationsaremainlyresponsiblefbrthelowestandthe sccondsinglctcXcitcdstates(S1andS2),whichareassignedto1Laand1Lb,respectively・Pronounccd 5-substituenteffectsarepredictedfOrtheenergyoffiDntierMOsof1Vb-acetyl-1-methoxytryptamines・

ＢｏｔｈＨＯＭＯａｎｄＨＯＭＯ－１ａｒｅｓｔａｂｉｌｉｚｅｄbyelectron-withdmwinggroups，anddestabilizcdby electron-donatinggroups・Observedabsorptionspectraarealsodependenton5-substituent,andthey arereasonablydescribedbycalculatedcxcitationenergiesandoscillatorstrengthsfOrSn←Sotransitions・

Incontrasttodistinct5-substituenteffectonUVabsorptionspectraoflVb-acctyl-1-nlethoxytryptanlines，

absorptionspectraoffOurl-hydroxyindoleswithvariousC-qVbsidecllainsat3-positionarevery similarwithcachother、Onthcothcrhand,dualfluoresccncespcctraderived丘omclose-1yingS,('La）

andS2('1b)aredclicatelydepcndentonthcC-OlVbsidechainA1thougll1La→1A(ｓｏ)transitionis

mainlyrcsponsiblefmdualnuorescenceemissionspectraofl-hydroxyWb-pivaloyltryptamine，

'Lb→1A(ｓｏ)transitionismainlyresponsiblcfOrthoseofothcrthreel-hydroxymdolederivatives．

本研究は、１－ヒドロキシインドール誘導体およびその関連化合物の基底状態を密度汎関数（DFT）

計算により構造最適化し、最適化構造についての時間依存密度汎関数（TD-DFT）計算で得られた励起 状態の知見（励起エネルギー、振動子強度、－電子励起配置）に基づき電子スペクトルを解釈すること

を目的に行われた。論文は二つのパートに大別される。

uii:

h州Ｃｏｏ鍼⑧ ^{釘Ｃ【】【］} Ｎ卜KAC ふ ＮＷｌｅＺ

Ｃ

○

Ｃ郷Ｕｌ－ｌＯＨＯＨＯ調

？２(d'）３４８

－つはインドール環の３位にＣ－Ｃ－Ｍ側鎖を有する１－上ＦロキシインＦ－ル誘導体に関するもので

ある。４種の化合物(l-hydroxyWb-methoxycarbonyltryptamineu),lVb-acetyl-1-hydroxytryptophan mcthylcsterE)，Ｎ，N-dimethyl-1-hydroxyindole-3-acetalnide（二)，andl-hydroxWVb-pivaloyl-

tryptaminc②)の紫外吸収スペクトルをＦｉｇｌに示す。222-224ｎｍに鋭いピークを示す強い吸収帯と 292-296ｎｍにブロードなピークを示す弱い吸収帯から成りほとんど区別がつかない。すなわち、吸収

－１３１－

‘

３２７』ＩＥＤ』‐蔓も（、幻

200 250３００３５０

Ⅳaveﾉe"gfMim

‘0０

－＝=－ﾆーーー=--,

K7ig､1．UVabsorptionspectraofl-hydroxyindolcs(二一二)withvariousC-OMsidcchainsat 3-position、Spectrmn(■)fbrﾕ;Spectmm(×)for二;Spectrmn(▲)fbr二;Spectmm(◆)for二．

OrdinatcismolarextinctionCoefficient．

インドールやトリプトフアンの極めて近接したＳ,とＳ２に由来する二重蛍光スペクトルが知られている が、３位にC-C-jvB側鎖をもつ１－ヒドロキシインドール誘導体（Ｉ‐②で同様な二重蛍光スペクトル が見出された。Fig.２に蛍光発光スペクトルとそのピークで観測した蛍光励起スペクトルを示す。化合物空 の発光スペクトルのみが低波数シフトしている。化合物１－３の励起スペクトルが同じ振動構造を示すのに 対し、化合物里の励起スペクトルのみがブロードである。すなわち、二重蛍光スペクトルは３位ＯＯＺｖＢ 側鎖構造に微妙に影響される。

Ⅱ

￣ ２－

勇遭匂巨①麺トミご。、量些 魯酎ご日ミ農員匡

３５３０

Wa”"Umbo〃y０８ｃｍ－ｌ ^{2５ 2０}

ｲ５イ０ O５ ４０ ３５３０

脆肥"UmMｿ?08cm-ソ ^{2５ 2０}

乎

一 ３－

フ

４５ ‘０３５３０２５２０

Ｗａｖｅ"umDor/７０８ｃ"１－’ ^{ｲ５ ‘０} W2ve"UmDeMO8cln-『^{３５３０ 2５ 2０}

Fig.２.Corrcctfluorescenceexcitationandcmissionspectraof二(topleft),三(topright),≦(bittomright)，

and≦(bottomleft)inair-saturatedmethanoLA11emissionspectrawereobservedbyexcitingof二一二

－１３２－

iilll（ 二L~.

卍…’

■

四一

(0.085-0088,Ｍ)at37040cm~'(２７０，m),andallcxcitationspcctrawereobscrvcdbymonitoring

nuorescenceemissionatthcwavenumbers（wavelengths）ofmaximumintensityTherespectivc excitationandobservationslitwidthsfmemissionspectraarelOand２．５，ｍ，ａｎｄthosefOrexcitation spectraarel､OandlOnmOrdmatcisarbitrarynuorescenceintensity．

単結晶（ｚ一②のＸ線構造解析で得られた分子構造を初期値として入力したＤＦＴ法による構造最適 化計算の収束は良い。それら最適化構造に対するＴＤ－ＤＦＴ計算で得られた励起状態の知見をｎｂｌｅｌ にまとめて示す。インドールではＨＯＭＯ→ＬＵＭＯ－電子励起配置が主として寄与するlLa(S,)と HOMO-1→ＬＵＭＯ－電子励起配置が主として寄与する１Lb(S2)が非常に近接していて、１La(S')→1A(So）

蛍光と１Lb(S2)→1A(ｓｏ)蛍光による二重蛍光スペクトルを示す。本研究のＴＤ－ＤＦＴ計算でもこの帰属を 適用して、ＨＯＭＯ→ＬＵＭＯ－電子励起配置が主として寄与する励起状態をlLaに、ＨＯＭＯ－１→ＩＵＭＯ

－電子励起配置が主として寄与する励起状態をlLbに帰属した。lLaはすべての化合物（Ｚ－③でＳ１で

ある。lLbは化合物Z,旦望ではＳ２であるが化合物２ではＳ３である。紫外吸収スペクトルの第一吸収帯

極めて近接したＳ,とＳ２のエネルギーおよび振動子強度により微妙な吸収スペクトルの形状を合理的に

説明できた。

近接したlLa(S1)とlLb(S2)のエネルギー差は､O419eVu,0399eV(3,0399ｅＶ(3,0.424ｅＶ(4リと 計算された。化合物歪で最もエネルギー差が大きいが、その二重蛍光発光スペクトルのみが低波数シフト し、その励起スペクトルのみがブロードである。里の発光スペクトルにはlLa(S,)→１A(So)蛍光スペクトル が支配的であり、励起スペクトルはlLa(S,)←1A(ｓｏ)吸収帯を反映すると考えられる。一方､化合物２－３

の発光スペクトルにはlLb(S2)→1A(ｓｏ)蛍光スペクトルが主に寄与し、励起スペクトルは'La(S2)←1A(ｓｏ）

吸収帯を反映すると考えられる。したがって、’La(S,)←1A(So)吸収帯はブロードなスペクトルを示し、

lLa(S2)←1A(So)吸収帯はわずかに振動構造を示す。

ｎｕｂｌｅｌ・ExcitationenergIesandoscillatorstrengtlls(Dof3-substitutedl-hydroxyindolesinlnethanol olDtainetlbyTD-DFTCalculationswithB3LYP/6-311+Ｇ(d)．Excitationenerglesandlnolarextinction coefficients(8)ofobservedabSorptionpeaksareshownbybaldletters．

OscmatorSmglyExcitedConfigurationsc Strength,‘

ExcitationEnergy 同文cited

States l-HIs

ｅＶＶａ/ｃｍ－１沖/ｎｍ

4730 0.0981 0.0253 0.0130 0.0300 293.0

286.3 261.0 252.8 233.6 34130

34930 38310 39560 42810

２１０４８６４８３９３３５００４７１７１２３７９３２３５７９４４４４５４４４４４

Ｚ ｓＳＳＳ １つ』３４１く１１Ｌ恥 _ｊｊ

H→L(main);-1→+3 -1→Ｌ(main);Ｈ→+3,＋2,＋l H→+1(main)＆Ｈ→+２ H→+2(main);Ｈ→+3,＋1,＋５

4710 0.0823 0.0139 0.0439 0.0129 292.0

283.5 274.4 259.8 252.0 34250

35270 36440 38490 39680 ２ S,(lLa）

S2S3('Lb）

S４

H→L(main);-1→+3,Ｌ Ｈ→+1(predominant）

-1→Ｌ(main);Ｈ→+3,＋4,＋Ｚ Ｈ→+2(main);Ｈ→+3,＋４

4680 0.0867 0.0236 0.0159 0.0604 2,2.2

285.5 261.5 252.7 244.3 34220

35030 38240 39570 40930 4.243

4.343 4.742 4.906 5.075 ３ S,('LJ

S2('Lb）

S３Ｓ４

H→L(predominant）

-1→Ｌ(main);Ｈ→+3,＋2,＋l H→+l(main)＆Ｈ→+４

Ｈ→+2(main)＆Ｈ→+３ 4540

0.1025 0.0245 0.0145 0.0360 296.0

286.7 261.1 253.9 236.6 33780

34880 38300 39390 42270 4.188

4.325 4.749 4.884 5.240 ユ

S,(lLa）

S2(lLb）

S３ Ｓ４

H→L(predominant）

-1→Ｌ(main);Ｈ→+2,＋3,＋4,＋１ H→+1(main);Ｈ→+2,＋3;-1→Ｌ Ｈ→+2(main);Ｈ→+1,＋3,＋６ aWavenumbe]ＱｂＷｉａ,velength,ｃＨ:ＨＯＭＯ,．Ｎ:ＨＯＭＯ－Ｎ,＋Ｎ:ＬＵＭＯ＋Ｎ

－１３３－

もう一つは、インドール環５位に種々の置換基を有するNB-アセチルー１－メトキシトリプタミンの DFT計算で構造最適化された基底状態についてのＴＤ－ＤＦＴ計算である。全１２種の化合物について、

結合性のＨＯＭＯ（最高被占軌道）とＨＯＭＯ－１のエネルギーに明瞭な置換基効果が得られた。電子求引 性基がＨＯＭＯとＨＯＭＯ－１を安定化するのに対し電子供与｣性基が不安定化するというもので、ＦｉｇＢ

に示すようにハメット置換基定数（ｏｐ）と良い相関を示すことがわかった。

lIYcH’

←･=ゴー：

Ｘ

〈「〉

ＯＣＨ３ ^●

Ｘ＝ＮＯ２,ｓｏﾕCH3,ＣＮ,ＣＥ,Ｃｌ,Ｈ,CH3,NHAc,ＯＨ,OCH3，ＮＨ２，Ｎ(CH3)２

Fig.３．PlotsofcalculatedenergiesofbonｄｉｎｇＭＯｓ (HOMO,HOMO-LandHOMO-2)againstHammett opconstantofsubstituentsfOrtwelve5-substituted 1Vb-acetyl-1-methoxytryptamines．

１２３４５６Ｚ＆２、ユ型

Table２，３にＴＤ－ＤＦＴ計算で得られた励起状態の知見をまとめて示す。ＨＯＭＯ→ＩＵＭＯ－電子励起 配置が主に寄与する励起状態を１Laに、ＨＯＭＯ－１→ＬＵＭＯ－電子励起配置が主に寄与する励起状態を lLbに帰属した。見積もられた励起エネルギーと振動子強度より吸収スペクトルを合理的に説明できた。

なお、ニトロ基の相互作用が著しく大きいのでニトロ基に電子密度が集中したＭ○が最低空軌道

（LUMO）となり、特異な吸収スペクトルを示す上に無蛍光`性になることがわかった。

I1able2､ExcitationenergIeMndoscillatorstImgtlns(/)of5-substitutedM-acetyl-1-metlloxytryptaminesin metllanolobtainedbyTDDFTCalcmlationSWithB3LYP/6-311+Ｇ(｡）

がSmgIyExcitedCo血gurationsf ＸａExcitedExcitationEnergyb

DerivStateseＶｖｃ/Cm1jWilmjUobsde/nｍ

H→LOpredommant）

-1→Ｌ＆Ｈ→＋ｌ

Ｈ→+1(main);-4→L;-1→L,＋1

-4→Ｌ＆Ｈ→＋1 -1→＋1;Ｈ→＋3,＋５

0.0442 0.2552 0.2803 0.0253 0.0７５４ 449.8

340.8 278.1 262.7 242.2 ＮＯ２

１ S1 S2 S6CLa）

S8S9CLb）

2.757 3.638 4.459 4.720 5.120

22230 29340 35960 38070 41290

327 276

256

Ｈ→L(main);-1→+2 -1→Ｌ;Ｈ→＋2,＋3,＋４ Ｈ→＋3,＋4,＋Ｚ

Ｈ－｡＋5,＋3,＋１

Ｈ→+2,＋4,＋3,＋5,＋8;‐1-.Ｌ,＋１

ｊＤＬＬ１１くく１２５６７ＳＳＳＳＳ

2９０ ２７７

00942 0.0246 0.0844 0.0328 0.5993

３９９４６●●●●●５０７２０８６２２２２２２２２

4.346 4.752 ５．４４０ ５．５７４ ５．６２１

35050 38330 43880 44960 45330

Ｈ６

223

Ｈ→L(main);-1→+1 -1→Ｌ;Ｈ→＋1,Ｌ Ｈ→＋2,＋1,＋3;－１→Ｌ Ｈ→＋1,十2;－１→L,＋１ S,('La）

S2(lLb）

S３ Ｓ４

0.0805 0.0011 ０．２６３６ ０．８３１０ 33400

38770 39580 39740

299.4 282.6 252.7 251.6 ＮＨＡｃ

８

１８７７６５１０４７４８０２９７９２６７１３９９０５４５５６４４４４４４５５５５ 2４６

Ｈ→L(predominant）

-1→L(main);Ｈ→+5,＋４ Ｈ→＋6,＋5,＋7,＋1,＋9,＋１０ Ｈ→＋7,＋5,＋6,＋4;－１→L,＋３ Ｈ→＋7,＋5,＋8,＋4;－１→Ｌ Ｈ→+8,＋4,＋，

ｊ、ＤＬＬ１１〃Ｉ／Ｉ１２８９ｍｕＳＳＳＳＳＳ

00901 0.0945 0.0870 0.2259 0.2060 0.0821

７０８６８４●●●●●●２１５４２８０７２２２１３２２２２２

3０７ ２７７ ＯＣＨ３

１０

33030 39030 44290 44520 44880 45790

dcalculated

鞠lHillI1lif1lIib鯛圏l悪Iilli8lI:ｉｎ職認粥船P慨臓?lllI諾,,i81YlWl誌yl8llilHfBHRfr；

ｎｌｂｌｅ３・Excitationenergﾕesandoscillatorstrengthsof5-substituted州acetyl-1-methoxytryptamines（not

svnthesized)inthelOwcrm且letexcitedstatcsobtainedbyTDDFTcalculationwithB3LYP/6-311+G(｡）＿．

SmglyExcitedConfigurationse

Oscmator

Strengthf。

ExCitatiOnEnergyb nxcited

States Ｘａ

Ｄｅｒｉｖｂ ｅＶｖｃ／ｃ、1入｡/ｎｍ

H→L(main)＆-1→+ｌ

Ｈ→＋１＆‐1→Ｌ 0.0422

0.0139 300.0

274.2

１２Ｑ】（、

33330 36470 SＯ２ＣＨ３

２

4．１３４ ４．５２１

Ｈ→L(main)＆-1→+１ Ｈ→＋１＆‐1→Ｌ 0.0542

0.0018 309.1

282.6

１２Ｑ】ロ】

3２３５０ ３５３９０ 4.012

４．３８７

側３

H→L(main)＆-1→+１

0.0593 0.0046 289.8

268.0

１２〔ロバ、

34510 37320 4．２７９

４．６２７ ＣＦ３

４ Ｈ→＋１＆‐1→Ｌ

H→L(main)＆-1→+1

-1→Ｌ＆Ｈ→＋１ 0.0702

0.0294 292.4

268.9

１２ｎＤｎＤ

34200 37190

ｄ５

４．６１１

H→L(main)＆-1→+2,-1→L -1→L(main);Ｈ→+2,＋3,＋1,Ｌ

0.0891 0.0344 286.2

265.3 S１

Ｓ２

34940 37690 ＣＨ３

７

4.332 4.673

H-L(predommant）

-1→L(ｍａｉｎ);Ｈ→+5,＋４

0.0884 0.1058 3００．１

２７１．２ 33320

36870

１２ｎＤｎＤ

4．１３１ ４．５７１

Ⅲ９

Ｈ→L(predommant）

-1-÷L(main);Ｈ→+5,＋４

0．０８０８ ０．０８５６ 314.5

276.5

１２〔ロバ、

3１８００ ３６１７０ 3．９４３

４．４８４ ＮＨ２

ｕ H→L(main)＆-1→+5

-1-÷L(main);Ｈ→+5,＋１

0.0852 0.1014

ＭＣＨ３)２

１２

3２７．７ ２７７．２ 30520

36080

１３バロバロ

3.783 4.474

a5-substituent;bPCMcorrection;cwavenumber;dwavelength;ｅＨＨＯＭＯ,Ｌ： ＬＵＭＯ,-Ｎ:ＨＯＭＯ－Ｎ,＋Ｎ:ＬＵＭＯ+Ｎ

－１３５－

学位論文審査結果の要旨

泰j鐘２，主個一ﾕｰﾆ迄_E凰主ＺごｆＺ二E三ｺ)筥譲導雄の竃麓置jRL反慶'三聖、脳固捜縫侭達物質 だ且]h量≧二;i2l1lKil1iilz並1三ゼニ望２－２<乏上景逐蓮ど薫襄塗生璽宣性物質室ji生成丈ゑこと1三着貝 と桑_』晟些_鷲雇主Z三ｆＺＥＦ二Z)づi鍵灘ＩＩＥの蕊三ＦＺｴﾐﾐ乞－Ｍ:Ｉ皇関式量極盈Ｑ置換基腫在住童 屋Aj型上墾_蜜塵:2114鰯hH-(ｐＩＹｍ－謎璽Ｉ皇よ量合迎飽窪鯉択を長え、l量,一二虹聖-1Ｌ審査｣雲！

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－１３６－