N-置換芳香族アミド結合を使ったらせんおよび環状分子の合成

成 膜 大 学 理 工 学 研 究 報 告 」.Fac.Sci,Tech,Se止eiUniv Vol.48No.2(2011)pp.47-52 (新 任 者 の 論 文)

ノV一

置 換 芳 香 族 ア ミ ド結 合 を使 った らせ ん お よび環 状 分子 の 合 成

横 山 明 弘*1

Synthesis of Helical and Cyclic Molecules Composed of N-Substituted Aromatic Amide Bonds

Akihiro YOKOYAMA*1

ABSTRACT: Oligomers and polymers with cyclic and helical structure were synthesized by taking advantage of cis-conformation of N-substituted aromatic amide bonds. A series of single crystal X-ray analyses revealed that 4-(methylamino)benzoic acid oligomers adopted helical conformation with three monomer units per turn in the crystal. The CD spectra and their theoretical analyses indicated that poly(N-substituted p-benzamide) favors similar helical conformation in solution. On the other hand, cyclic molecules with inner cavity were synthesized by condensation of trans-stilbene and diphenylacetylene monomers under polymerization conditions.

Keywords: helix, cycle, amide, oligomers, polymer

(ReceivedSeptember21,2011) 1.は じ め に ア ミ ノ基 とカ ル ボ キ シル 基 の 脱 水 縮 合 に よ り形 成 され るア ミ ド結 合 は,ペ プ チ ド結 合 と も よば れ,ア ミ ノ酸 ユ ニ ッ トを つ な い で タ ンパ ク質 の 一 次構 造 を構 築 して い る 結 合 で あ る。 さ らに ア ミ ド結 合 は,そ の 平 面 性 や 水 素 結 合 性 に よ り,タ ンパ ク質 の 二 次構 造 に も大 き く影 響 を お よぼ して い る。 近年,ア ミ ド結 合 の構 造 的 な らび に 電子 的な 性 質 を利 用 して 特 異 な 構 造 を有 す る分 子 を構 築 す る研 究 が 精 力 的 に 行 わ れ て い る。 た とえ ばGhadiriら は,D一 体 とL一体 の ア ミ ノ酸 を交 互 に結 合 させ た環 状 ペ プ チ ドを合 成 し,ア ミ ド 結 合 に 由 来 す る分 子 間 水 素 結 合 を利 用 して チ ュー ブ 構 造

を構 築 して い る1)e一 方,Hucら やGongら は,ア ミ ド

結 合 の分 子 内水 素結 合 を利 用 して,平 面環 状 構 造 や らせ ん 構 造 を有 す る芳 香 環 オ リゴア ミ ドを合成 して い る2・3)。 有機 化 学 的 に は,ア ミ ドは カ ル ボ ン酸誘 導 体 に 分 類 さ れ る。 カ ル ボ ン酸誘 導 体 と して は,他 に 酸 ハ ライ ドや エ ス テ ル な どが あ るが,こ れ らは カ ル ボ ニ ル 炭 素 に そ れ ぞ れ ハ ロゲ ン原 子 や 酸 素 原 子 が 結 合 して い る。 一 方,ア ミ ドで は カル ボ ニ ル炭 素 に 結合 して い る原 子 は 窒 素 で あ り, ハ ロゲ ンや 酸 素 に 比 べ る と電 気 陰性 度 が小 さい。 そ の た め,非 結合 性 電 子対 を カ ル ボ ニル 基 に よ り よ く供 与 で き る の で,ス キ ー ム1の 右 側 に 示 した 共 鳴構 造 の 寄 与 が 大 き い。 ア ミ ド結 合 の反 応 性 や 構 造 的特 徴 は,こ の 共 鳴 に よっ て 説 明 で き る。 す な わ ち,窒 素原 子 が 強 い 電子 供 与 性 を示 す た め に カル ボ ニ ル炭 素 の 求電 子性 が低 く,そ の た め カ ル ボ ン酸誘 導 体 の 中 で は最 も加 水分 解 され に く く, 求核 試 薬 との反 応 性 が最 も低 い。 一方,構 造 的 な特 徴 と して は,炭 素 一 窒 素 結合 が 二 重結 合性 を もっ た め に,ア ミ ド結 合 は 平 面構 造 に な る。 ぐboe ///し ノ  R'-CR'-C ◎ ・・ ぐ基・・ ス キ ー ム1 *1・ 物 質 生 命 理 工 学 科 教 授(ayokoyama@st .seikei,acjp) 平 面 構 造 を 有 す るア ル ケ ンに シ スートラ ン ス あ る い は E-Zの 立体 異性 体 が 存在 す る よ うに,平 面構 造 の ア ミ ド 結 合 に も2つ の 立体 異性 が存 在 す る。 ア ミ ド結 合 の 炭 素 原 子 と窒 素原 子 の 両 方 に 芳 香族 ユ ニ ッ トが 結合 した 芳 香 族 ア ミ ドの 場合,ア ミ ド結合 に対 して 両方 の芳 香環 が 同 じ側 に あ る 場合 を シ ス,逆 側 に あ る場 合 を トラ ンス と よ

(a}∼-Hamide

(r旦1・(〕

tranS-COnfOrmatiOn (b)∼-substitutedamide OCH3 ＼も_.N/

◎b

C'S-COnfOrmatiOn 図1芳 香 族 ア ミ ド結 合 の 立 体 配 座. ぶ 。一 般 的 に芳 香 族 ア ミ ド結 合 で は,N-H型 の ア ミ ド結 合 は シス型 の 立 体 配 座 を,N一 置 換 型 の ア ミ ド結 合 は トラ ンス型 を優 先 す る(図1)4)。 そ の た め,N一 置 換 ア ミ ド結 合 で構 成 され た 分 子 の構 造 は,N-H型 ア ミ ド結 合 の 分 子 とは 異 な る特 徴 を 有 す る こ とが 報 告 され て い る5)。 著者 らは 連 鎖 重 合 形 式 で 進 行 す る縮 合 重 合 法 の 開 発 を 行 い,N一 置 換 され た 芳 香 族 ポ リア ミ ドの 精 密 合 成 を行 っ て きた6)。 そ の研 究 過 程 にお い て,生 成 物 で あ るN一置 換 芳 香 族 ポ リア ミ ドの 立 体 構 造 に 興 味 を持 ち,ポ リマ ー の 立 体構 造 の 解析 や,特 異 な構 造 を有 す るオ リゴマ ー の 合 成 を行 っ て き た 。 本 論 文 で は,そ れ らの研 究 結 果 の い く つ か を紹 介 す る。 2.〃 一置 換 ポ リパ ラ ベ ン ズ ア ミ ドの 立 体 構 造 4一ア ミ ノ 安 息 香 酸 の 重 縮 合 体 で あ るN-H型 の ポ リパ ラ ベ ン ズ ア ミ ドは,ア ミ ド結 合 が トラ ン ス 型 で,分 子 全 体 が 直 線 状 に 伸 び て い る 構 造 で あ る こ と が 知 られ て い る (図2)7)。

ド

心 く

心 駄}駄 メ

HHHH 図2N-H型 ポ リパ ラ ベ ン ズ ア ミ ドの 直 線 構 造. し か しN一 置 換 さ れ た ポ リパ ラ ベ ン ズ ア ミ ドは,ア ミ ド結 合 が シ ス 型 に な る た め に,全 く 異 な る 構 造 に な る と 思 わ れ る 。 そ こ で ま ず ポ リ マ ー の モ デ ル 化 合 物 と し て 4-(メ チ ル ア ミ ノ)安 息 香 酸 の3∼5量 体 を 合 成 し,そ れ ら の 単 結 晶 をX線 構 造 解 析 し た 。 そ の 結 果,い ず れ の オ リ ゴ マ ー も 結 晶 状 態 で は3モ ノ マ ー ユ ニ ッ トで1巻 き の ら せ ん 構 造 で あ る こ と が わ か っ た(図3)8)。 (a)3-mer  

爆}呂 炉

(b)4-mer  

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(c)5-mer

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爆}ε 炉

図34-(メ チ ル ア ミノ)安 息 香 酸 オ リ ゴ マ ー の 結 晶 構 造. 次 にN一 置 換 ポ リパ ラベ ン ズ ア ミ ドの 立 体 構 造 を,円 二 色性(CD)ス ペ ク トル に よ り検 討 す る こ と に した 。CD シ グナ ル を 得 る た め に は,測 定化 合物 が光 学活 性 で な け れ ば な らな い。 そ こで,側 鎖 と して光 学活 性 な トリエ チ レ ング リ コール を有 す る ポ リマ ー1を 合 成 し,種 々 の溶 媒 を用 い て溶 液 のCDス ペ ク ト ル を測 定 した。 そ の 結果,分 裂型 の 波形 を示 し,測 定 温度 を低 くす る とCD強 度 は増 加 した(図4)。

ψ{跨

OvhXO/X/O＼ ∼-substitutedpoly(ρ 一 benzamide)1 tl20000 gli§P。lymer

lo駕

_ua-20000 名 二 ε≧240280320360400 Wave[ength(nm) 図4ポ リ ア ミ ド1の ア セ トニ トリ ル 中 に お け る 温 度 可 変CDス ペ ク トル. 得 られ たCDス ペ ク トル を 励 起 子 解 析 す る こ と に よ り,こ の ポ リ マ ー は 溶 液 中 で3モ ノ マ ー一一ユ ニ ッ トで1巻 き の 右 巻 き に 偏 っ た らせ ん 構 造 を と っ て い る こ と を 明 ら か に し た8)。 ま た,ポ リマ ー-1のCDス ペ ク トル は,温 度 を 高 め る と シ グ ナ ル 強 度 が 弱 く な っ た こ と か ら,1の らせ ん 構 造 は 動 的 な 性 質 を 持 ち,温 度 を 高 め る と右 巻 き の 比 率 が 少 な く な っ て い る こ と も 分 か っ た 。 溶 媒 中 に お け るN一 置 換 ポ リパ ラ ベ ン ズ ア ミ ドの らせ ん 構 造 は,ポ リ マ ー の ア ミ ド窒 素 原 子 に 導 入 す る側 鎖 の 性 質 に 大 き く影 響 さ れ た 。 す な わ ち,ト リ エ チ レ ン グ リ コ ー ル の よ うに 親 水 性 の 側 鎖 を 有 す る1は 溶 液 中 で らせ ん 構 造 を 形 成 す る が,側 鎖 と し て 疎 水 性 で キ ラ ル な ア ル キ ル 鎖 を 有 す る2はCD測 定 に お い て コ ッ トン 効 果 を 示 さ な か っ た こ と か ら,ら せ ん 構 造 を と っ て い な い と 思 わ れ る8)。 ま た,側 鎖 が ト リ エ チ レ ン グ リ コ ー一一ル で あ っ て も,不 斉 炭 素 の 位 置 を 主 鎖 に 近 付 け た3は,水 の よ う

な 高 極1生溶 媒 中 で しか 分 裂 型 のCDス ペ ク トル を 与 え な か っ た(図5)。 この こ とよ り,3で は 側 鎖 の 分 岐 部 分 とポ リマ ー 主 鎖 との 立 体 的 相 互 作 用 が らせ ん構 造 の 形 成 に 対 し て 不利 に働 い て お り,疎 溶 媒 効 果9)が 大 き く作 用 す る水 中 で し か らせ ん構 造 を構 築 出 来 な い と 考 えたlo)。そ こで 側 鎖 の 分 岐 点 は1と 同 じで,導 入 す る置 換 基 をメ チ ル 基 よ り大 きい イ ソプ ロ ピル 基 に した4を 合 成 してCD ス ペ ク トル を 測 定 した。 そ の 結 果,ク ロ ロホ ル ム 中で は4は1 よ りも右 巻 きに よ り偏 っ た らせ ん 構 造 を 形 成 して い る こ とが 示 唆 され たll)。

鎗 刷

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_Oい0∼O＼ 4 xlO4 2.0

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? 00 9 謬 で 二 一1.0 邑 一2.0 200250300350400 Wavelength(nm) 図5各 種 溶 媒 中 に お け る ポ リ ア ミ ド3のCDス ペ ク ト ル. ポ リマ ー-1の らせ ん 構 造 に お い て,主 鎖 の 立 体構 造 に側 鎖 が どの 程 度 影 響 を お よぼ して い るの か を 調 べ るた め に,5や6 の よ うな 共 重 合 体 を 様 々 な 共 重 合 比 で 合 成 し,そ れ らのCD を測 定 した 。 も し側

睡9堺珊

_{(OCH2CH2)2CH3(OCH2CH2}2CH3} 5

喩1拶 壮

6 鎖 と主 鎖 の 立 体 的 相 互 作 用 が 強 けれ ば,ポ リマ ー 全 体 に お け るキ ラル側 鎖 の 割 合 が 少 量 で も,ポ リマ ー 全 体 が 片 方 巻 き の らせ ん構 造 に な る よ うな不 斉 増 幅12)が 見 られ る と考 えた 。 しか し,い ず れ の 共重 合 体 に お い て もCD 強 度 は 共 重 合 比 に 比 例 して 増 加 した こ とか ら不 斉 増 幅 な どは無 く,側 鎖 は そ の近 傍 の 主鎖 構 造 だ け に影 響 を 与 え て い る こ とが分 か っ た13)。 3.内 部 に 空 洞 を 有 す る 環 状 化 合 物 の 合 成 N一 置 換 さ れ た ポ リパ ラ ベ ン ズ ア ミ ドの 精 密 合 成 の 研 究 過 程 で4-(ア ル キ ル ア ミ ノ)安 息 香 酸 の2量 体 を モ ノ マ ー一一と し て 用 い た 重 合 を 検 討 し た と こ ろ_{,4-(ア ル キ ル ア ミ} ノ)安 息 香 酸 の 環 化6量 体 が 選 択 的 に 得 られ る こ と を 明 ら か に し た(ス キ ー一一一ム2)14)。X線 結 晶 解 析 を し た と こ ろ,得 られ た 環 化6量 体 は 折 れ 曲 が っ た 構 造 を し て い る た め に,内 部 空 洞 を も た な か っ た(図6)15)。

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R2R1

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ス キ ー ム2 a・ φ

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図64-(メ チ ル ア ミノ)安 息 香 酸 環 化6量 体 の結 晶構 造. そ こで重 合条 件 下 に お け る この 環化 反 応 を利 用 して, 内 部 に 空洞 を有 す る 環状 化合 物 の合 成 を検 討 した。2つ の ベ ン ゼ ン 環 を シ ス型 の ア ミ ド結 合 で つ な ぐ と,立 体反 発 に よ り2つ の ベ ン ゼ ン 環 は ア ミ ド結 合 に 対 して垂 直 に 近 い角 度 を もつ(図7)。 この 屈 曲 ユ ニ ッ トを 剛 直 な ユ ニ ッ トで つ な い で3角 形 を 形成 させ れ ば,ベ ンゼ ン環 の壁 で 囲 ま れ た 内部 空洞 を有 す る 環状 化 合 物 が 得 られ る と考 え た。

薫 嚇 回

図7内 部 に空 洞 を有 す る環 状 化 合 物 の デザ イ ン.

モ ノ マ ー と し てtrans一 ス チ ル ベ ン 骨 格 を 有 す る7を 合 成 し,重 合 条 件 下 に お け る 環 化3量 体 の 形 成 を 検 討 し た 。 モ ノ マ ー の ア ミ ノ 基 に 導 入 す る ア ル キ ル 基 や,反 応 に 用 い る塩 基,試 薬 の 加 え 方,反 応 温 度 な ど を 種 々 検 討 し た と こ ろ,モ ノ マ ー一一と し てN一イ ソ プ ロ ピル 体,塩 基 と し て リチ ウ ム ヘ キ サ メ チ ノレジ シ ラ ジ ド(LiHMDS)を5当 量 用 い,L㎜Sの テ トラ ヒ ドロ フ ラ ン([[:HF)醐 こモ ノ マ ー一一のTHF溶 液 を 室 温 で4時 間 か け て 滴 下 す る こ と に よ り,目 的 と す る 環 化3量 体8を 収 率61%で 単 離 す る こ と が 出 来 た(ス キ ー一一ム3)。

噴一

◎ 一只}』

、

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7 ス キ ー ム3 得 られ た 環 化 体 を 単 結 晶 化 させ てX線 結 晶 解 析 を 行 っ た と こ ろ,8は 内 部 に 直 径 約7.5Aの 空 洞 を 有 す る 構 造 で あ り(図8a),そ の 空 洞 に は 他 の 分 子 の 側 鎖 が 挿 入 さ れ て 結 晶 化 し た こ と が わ か っ た(図8b)16)。 (a)Singlemolecule(b)Packingstructure 図8環 化3量 体8(R=C3H7)の 結 晶 構 造. ジ フ ェ ニ ル ア セ チ レ ン 骨 格 を 有 す る モ ノ マ ー9に つ い て も 環 化3量 体 の 合 成 を 検 討 し た と こ ろ,trans一ス チ ル ベ ン モ ノ マ ー7と 同 様 に,モ ノ マ ー-9をL㎜Sに 滴 下 す る こ と に よ り,環 化3量 体10を62%の 収 率 で 単 離 す る こ と が で き た(ス キ ー ム4)。

嚇}亨

一

◎ 一

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凝}瓢}ど3

得 られ た 環化 物10の 構 造 をX線 解 析 に よ り調 べ た と こ ろ,8と 同様 に 内 部 空洞 を 有す る構 造 で あ り,そ の 空 洞 に は 再 結 晶 溶 媒 で あ る トル エ ン が 取 り込 まれ て い た (図9a)。 ま た8と は 異 な り,結 晶 状 態 で10は 上 下 に積 み 重 な っ た よ うにパ ッキ ング して お り,内 部 空 洞 の 部分 で チ ャ ンネ ル を形 成 して い る こ とが わ か っ た(図9b)16)。 (a》Singlemolecule (b)Packingstructure sidevlew ,、_、 、一 、▼ レ … ・託

礎'

topvlew 4.謝 辞 図9環 化3量 体10の 結 晶 構 造. 本 稿 は 著者 が神 奈 川 大 学 工 学部 在 籍 時 に 得 られ た研 究 結 果 を ま とめ た もの で あ り,横 澤 勉 教 授 な らび に研 究 に 携 わ っ て 下 さっ た学 生 の 方 々 に感 謝 い た します 。

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