博 士 （ 理 学 ） 梅 原 健 志
学位論文題名
Novel Rotaxane Synthesis Based on Reversible Imine Bond Formation between the Axle and the Macrocycle and Their Thermodynamic Control of Subunit Mobility
（可逆なイミン結合形成を軸環の集合要素とする新規ロタキサン 分 子 の 構 築 と そ の 動 的 挙 動 の 熱 力 学 的 制 御 ）
学位論文内容の要旨
口 夕 キ サ ン 分 子 と は 軸 状 分 子 が 環 状 分 子 に 貫 通 し 、 軸 の 両 端 の 嵩 高 い 置 換 基 に よ り 個 々 の 成 分 へ の 分 離 が 妨 げ ら れ た 構 造 を 持 つ 分 子 で あ る 。 適 切 な 分 子 設 計 を 行 う こ と で 、 環 の 回 転 や シ ヤ ト リ ン グ な ど の 動 的 挙 動 が 外 部 刺 激 に よ っ て 制 御 可 能 と な る こ と か ら 、 分 子 ス イ ッ チ や 分 子 モ ー タ ー な ど 分 子 素 子 へ の 応 用 が 期 待 さ れ て い る 。 ロ タ キ サ ン を 構 築 す る た め の 軸 ・ 環 の 集 合
shuttling
Rotaxane
に は 、 水 素 結 合 な ど の 非 共 有 結 合 性 相 互 作 用 が 多 く 用 い ら れ て き た が 、 そ の 種 類 は 極 め て 限 ら れ た も の で あ り 、 多 様 性 に 欠 け て い る 。 ま た 、 複 数 の 機 能 を 併 せ 持 つ 分 子 デ バ イ ス の 構 築 ヘ 適 用 す る た め に は 、 多 様 な 機 能 性 と と も に 超 分 子 構 造 を 保 持 し な が ら 構 造 修 飾 す る こ と が 可 能 な モ チ ー フ が 強 く 望 ま れ て い る が 、 既 存 の モ チ ー フ で は そ れ を 十 分 に 満 た し て い る と は い え な い 。 こ の よ う な 観 点 か ら 本 研 究 で は 、 動 的 共 有 結 合 で あ る イ ミ ン 結 合 を 軸 ・ 環 の 集 合 テ ン プ レ ー ト と し た 新 規 ロ タ キ サ ン 構 造 の 構 築 法 の 開 発 を 行 い 、 可 逆 な イ ミ ン 結 合 の 性 質 を 利 用 し た 分 子 シ ヤ ト ル ヘ の 応 用 へ と 研 究 を 展 開 し た 。 本 論 文 は 以 下 の 三 章 で 構 成 さ れ て い る 。
第一章では、軸状分子と環 状 分子 の集 合化 にイ ミン 結 合 形成 を鍵 反応 とし て用 い た 効率 的な ロタ キサ ン構 造 の構築法の開発を行った（ス キ ー ム
1
） 。 軸 状 分 子lb
と 環 状 分 子2
は ト リ フ ル オ 口 酢 酸を 酸触 媒と する ベン ゼ ン 還流 脱水 条件 に付 した と ころ、軸状分子が環状分子の 内 部で イミ ン結 合を 形成 す る こと によ ルス レッ ディ ン グ した イミ ン架 橋型 擬口 夕 キサン3bを定量的に与えた。さらに、その両端へのェンド キ ャッ プ導 入に よル イミ ン 架 橋型 ロタ キサ ン4a‑cへ と 導き、続いて酸性加水分解条
x‑o ro: ‑x + Axle la X = B
1b X'― く 》OTBS
reduction endcapping
Macrocycle 2
OーR
4a Ri 4b Rr 4c Ri
X
mine‑bridged pseudorotaxane 3aX=
3bX'― く 》 OTBS
Thioacetalized [2Jrotaxane Sa Ri, R2 = XYL
Sb Ri. R2 = TEG Scheme l.
件下で生じたホルミル基をチオアセタール化することでチオアセタール型[2]ロタキサン5a，b へと収率よく導くことに成功した。中間体であるイミン架橋型擬口夕キサン3a．bは種々の反応 に対し脱スレッドすることなく安定に用いることが可能であることから、本手法が様々な構造 修 飾 性 を 有 す る 口 夕 キ サ ン 構 築 法 と し て 有 用 で あ る こ と が 示 さ れ た 。
第二章ではイミン架橋型口夕キサン4aの加水分 解特性について調査を行った。イミン架橋 型口夕キサン4aは、含水重ク口口ホルム中で酸触 媒を加えたところ、原料のビスイミン体4a に加え、加水分解が進行したモノイミン体6aと[2]ロタキサン7aを含む3成分の平衡状態とな った （ス キー ム2） 。さ らに この 平衡状 態の温度可変NMRにおいては 、温度を上昇させるこ とでビスイミン体4aの組成比が増加し、温度を下げることで【2］口夕キサン7aの組成比が増加 する温度依存性が観察された。マクロサイクルの運動性はビスイミン体よりも[2]ロタキサンの 方がより大きい事を考えると、これは一見異常な温度依存性である。この現象は、本系におけ るイミンの加水分解がェンタルピー駆動であり、イミン形成反応が分子内脱水反応に基づくェ ン 卜 ロ ピ ー 駆 動 反 応 で あ る こ と に 起 因 し た 挙 動 と し て 説 明 さ れ る 。
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Imine‑bridged rotaxane 4a
Mono‑imine 6a [2lRotaxane 7a Scheme 2.‑ 1446 ‑
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第三章では 、上記のロタキサンの軸分子上にマクロサイクルと水素結合形成が可能なトリェ チレングリコ ール(TEG)部位をさらなるス テーション部位として組み込んだ2種の分子シャト ルを構築した （スキーム3）。1つ目はマクロサイクルの位置と運動性をイミン結合の生成/切 断によって制 御するイミン架橋型分子シャトルであり、マク口サイクルはイミン結合形成時に は 軸分 子中 央に固定 化されているが、イミン結合が切断されるとTEG部位へと移動する。こ れらの相互変 換はイミン結合と水素結合のスイッチによってもたらされ、酸性加水分解条件下 では温度変化 だけでも完全なスイッチングが可能であった。2つ目は水素結合のon/offによル マクロサイク ルの挙動を制御するチオアセタール化[2]ロタキサン型分子シャ卜ルである。5b のマクロサイクルは中性状態におレ．ゝて軸分子上を速くシャトリングしているが、酸性条件下に することでTEG部位と水素結合を形成し局 在化した。これはマク口サイクルのプ口トン化/脱 プロ 卜ン 化に より 運 動性を制御
する こと が可 能な 分 子シャ卜ル で あ る こ と を 意 味 す る 。
以上、申請者は新規超分子モチ ーフ とな るイ ミン 架 橋型ロタキ サンを設計し、高効率的な合成法 の開発に成功した。また、イミン 結 合 部 位 に 加 え て 軸 分 子 上 に
TEG
部 位 を 導 入 す るこ とで イミ ン結合と水素結合の生成/
切断に よっ て制 御さ れる 分 子シャトル の 構 築 に も 成 功 し た 。Imine‑bridged rotaxane type molecular
shuttlings ‑¥.‑
‑‑‑§
tmine‑bridged rotaxane 4b [2lRotaxan
Thioacetalized [2]rotaxane type molecular shuttle fast shuttfing
Thioacetalized [2lrotaxane Sb
‑ 1447―
H+ H*
s low shuttling
一′ 丶 め蜘
Scheme3
．【Sb+2H]1*
学位論文審査の要旨 主査
副査 副査 副査
教授 教授 教授 准教授
鈴 木 孝 紀 澤 村 正 也 武 田 定 藤 原 憲 秀
学位論文題名
Novel Rotaxane Synthesis Based on Reversible Imine Bond Formation between the Axle and the Macrocycle and Their Thermodynamic Control of Subunit Mobility （可逆なイミン結合形成を軸環の集合要素とする新規ロタキサン 分 子 の 構 築 と そ の 動 的 挙 動 の 熱 力 学 的 制 御 ）
学 位 申 請論 文 「
Novel Rotaxane Synthesis Based on Reversible Imine Bond Formation between the Axle and the Macrocycle and Their Thermodynamic Control of Subunit Mobility̲l
は 、 非 共 有 結 合 的 に2
つ の 成 分 が 連 結 さ れ た ロ タ キ サ ン 型 イ ン タ ー ロ ッ ク 化 合 物 の 新 た な 構 築 法 お よ ぴ 外 部 刺 激 に よ る 動 的 挙 動 の 制 御 に 関 す る論 文 で ある 。 申 請者 は 可 逆 的に 切 断 可能 な イ ミン 結 合 を 連 結 部 位 と し て 用 い る こ と の 有 用 性 を 示す と と もに 、 構 成成 分 の 運 動性 に 関 して 、 イ ンタ ー ロ ッ ク 超 分 子 で し か 実 現 で き な い 特 異 性 の 例示 と そ の自 在 な コン ト ロ ー ルに 成 功 した 。 特 に、 イ ミ ン 結 合 形 成 が2
分 子 の 脱 水 を 伴 う エ ン ト ロ ピ ー 的 に 有 利 な 過 程 で あ る こと を 利 用し 、 酸 性加 水 分 解 条 件 下 に お い て も 、 高 温 で は イ ミ ン 結 合型 、 低 温で は 加 水分 解 さ れ たロ タ キ サン 型 が 有利 に な る よ う 平 衡 が 偏 る こ と を 見 出 し た 。 以 上 の特 性 を 利用 し 申 請者 は 、 サ ブュ ニ ッ ト運 動 性 の特 異 な 温 度 依 存 性 、 サ ブ ユ ニ ッ ト 位 置 の 温 度 に よる 制 御 など 、 従 来の 分 子 系 では 達 成 不可 能 な 様々 な 現 象を 実 現 した 。 こ れら は 構 造有 機 化 学、 物 性 有 機化 学 分 野で 非 常 に高 く 評 価さ れ る成果 である。よ っ て 、 著 者 は 、 北 海 道 大 学 博 士 （ 理 学 ） の 学 位 を 授 与 さ れ る 資 格 あ る も の と 認 め る 。
