博士 （ 地球 環境 科 学） 中嶋 宏 紀
゛ 学 位 論 文 題 名
ナ フ タ レ ン 置 換 型 ア ミ ノ 化 シ ク ロ デ キ ス ト 1 ノ ン に よ る
ゲ ス ト 応 答 性 螢 光 検 出 と 分 子 認 識 に 関 す る 研 究 学 位 論 文 内 容 の 要 旨
現 在 、 地 球 環 境 科 学 的 な 問 題 と し て 、 そ の 水 圏 、 地 圏 及 び 大 気 圏 で 環 境 汚 染 物 質 に よ る 深 刻 な 被 害 が 取 り ざ た さ れ て い る 。 特 に 環 境 ホ ル モ ン 、 発 ガ ン 性 物 質 、 催 奇 性 物 質 な ど に よ り 人 間 を 始 め 、 生 態 系 へ の 汚 染 は 深 刻 で 大 き な 社 会 問 題 に な っ て い る 。 こ の 環 境 汚 染 を 解 決 す る た め に 化 学 的 観 点 か ら の 研 究 ・ 技 術 開 発 が 急 速 に 進 め ら れ て い る 。 そ の 中 で 分 子 認 識 場 を 利 用 し た 環 境 汚 染 化 学 物 質 の 除 去 、 あ る い は 分 子 認 識 を 利 用 し 分 光 学 的 手 法 を 用 い た 汚 染 物 質 の 検 知 と い う 方 法 は 多 く 考 案 さ れ 、 現 在 で は 「 超 分 子 化 学 」 あ る い は 「 セ ン サ ー 化 学 」 の 分 野 で 多 く 研 究 が 行 わ れ て い る 。 認識 分 子の ーっ と して 、 シク ロ デキ スト リ ン(CDx) が 挙 げ ら れ る 。CDxの 最 大 の 特 徴 は 、 水 溶 液 中 に お い て 微 弱 な 相 互 作 用(van der Waals相 互 作 用 、 疎 水 性 相 互 作 用 等 ） を 利 用 し て 有 機 分 子 や イ オ ン を そ の 空 洞 の 中 に 捕 捉 す る こ と で あ る 。 ま たCDxの 製 法 は Bac肌 鋤a開 閉 ぬsの ア ミ ラ ー ゼ で デ ン プ ン を 酵 素 分 解 す る こ と で 得 ら れ 、 そ の 環 状 構造 は 全てD（ 十） ． グル コ ー ス で 構 成 さ れ て い る こ と か ら 、 非 常 に 生 体 に 無 害 な 分 子 と し て 考 え ら れ る 。 さ ら にCDx水 酸 基 へ の 置 換 基 あ る い は 螢 光 性 部 位 の 導 入 は 容 易 で あ り 、 そ の 選 択 性 を 用 途 に 合 わ せ て 変 化き せ るこ と が可 能で あ る。
ゲ ス ト 分 子 に 対 す る 認 識 ・ 光 情 報 伝 達 能 を 向 上 さ せ た 光 化 学 的 セ ン サ ー を 開 発 す る 目 的 で 、 様 々 な 螢 光 基 を 有 す るCDx誘 導 体 は 多 く 研 究 さ れ 、 現 在 様 々 な 応 用 が 期 待 さ れ て い る 。 し か し な が ら 、 そ の 多 く は 極 性 有 機 溶 媒 を 含 む 系 で 行 わ れ て い る 。 そ こ で 本 研 究 で は 水 溶 性 を 向 上 さ せ る た め 、 ス ペ ー サ ー に ポ リ ア ミ ン を 用 い た 螢 光 性CDx誘 導 体 を 設 計 ・ 合 成 し 、 そ の 水 溶 液 内 挙 動 や 超 分 子 的 構 造 、 ゲ ス ト 分 子 に 対 す る 高 感 度 な 光 化 学 的 検 出 に つ い て 検 討 を 行 っ た 。
本 論 文 は 、 全10章 か ら な り 、 第1章 で 序 論 と し て 本 研 究 の 目 的 及 び 研 究 の 背 景 を 述 べ 、 第10章 を 結 論 と し て 本 研 究 を 統 括 し た 。
第 2章 で は 、 そ れ ぞ れ の 蛍 光 性 ア ミ ノ 化 シ ク ロ デ キ ス ト リ ン の 合 成 法 に つ い て 記 述 し た 。 第3章 で は 、 ゲ ス ト分 子 とし て 無機 ア ニオ ン（Cl04． ，CF8S03．，PF6．，H2P04うを 選 び、 包 接挙 動な ら びに 検 出 メ カ ニ ズ ム に つ い て 検 討 し た 。CDxは 疎 水 性 無 機 ア ニ オ ン を 捕 捉 す る こ と が 知 ら れ て い る が 、 こ の 包 接 挙 動 を 光 化 学 的 に 検 出 す る シ ス テ ム は 現 在 の と こ ろ 皆 無 で あ る 。 新 規 螢 光 性 ア ミ ノ 化CDx
（CDxdiennap．1） 系 は 、 無 機 ア ニ オ ン の 濃 度 上 昇 に 伴 い 螢 光 強 度 の 著 し い 上 昇 が 見 ら れ た 。 こ れ は ゲ スト 包 接 に 伴 っ た ナ フ タ レ ン 蛍 光 部 位 の 周 囲 の 疎 水 的 環 境 変 化 が 示 唆 さ れ 、 ま た ナ フ タ レ ン 環 の2位 に ア ミ ド 結 合 を 持 つCDxdiennap．2で は 同 様 の 蛍 光 応 答 が 確 認 さ れ な か っ た 。CDxdiennap．2は そ の ナ フ タ レ ン 部 位 を CDx空 洞 に 強 く 包 接 し て い る た め 、 ゲ ス ト 包 接 を 阻 害 し て い る も の と 考 え ら れ る 。 第4章 か ら 第6章 に お い て 、 こ のCDxdiennap‐1を 利 用 し 、 環 状 ・ 非 環 状 ア ル コ ー ル 、 界 面 活 性 剤 、 三
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次元 骨格分 子（ アダマ ンタン カルボ キシラ ート 、アダ マンタ ノール）を有機ゲスト分子として選ぴ、その 光応 答的検 出能 ならび に、包 接の際 のホス ト分 子のコ ンフォ メーション変化、熱力学的な考察を行った。
アル コール をゲ スト分 子とし て用い た系で は、 ゲスト の型あ るいはその疎水性により、結合カに変化が見 られ た。特 に三 次元骨 格分子（アダマンタノール）冫二次元（シクロヘキサノール、シクロヘプタノール）
冫 一次 元（ ペンタ ノール 、ヘキ サノー ル、 ヘプタ ノール ）の順 で結 合能に 違いが 見られ 、CDxdiennap‑l は高 選択的 に包 接及び 螢光検 出がな されて いる ことが 示され た。また陽・陰イオン、中性界面活性剤をゲ スト 分子と して 取り上 げた系 では、 アルコ ール 系と同 様に側 鎖のアルキル基の長さに対して、包接能に違 い が 見 られ 、 選 択 的 認識 を 可能 にした 。また 特筆す る点 は、螢 光変化 にて臨 界ミセ ル濃 度(CMC) を検出 し た 点 であ る 。 こ の
CMC決 定は 陰イオ ン界面 活性剤 のみで 検出 された ため、 ホスト のア ミン鎖 ―ゲス ト のス ルホナ ート 間の静 電相互 作用の 寄与が 考え られる 。CMC 決定に は通常 、表 面張力 法、光散乱法等が知 られ ている が、 本研究 での螢 光法に て簡便 に決 定され たこと は有効な手段であると示唆される。またホス ト一 界面活 性剤 包接錯 体形成 に関す る熱力 学的 な考察 では、 標準エ ンタ ルピー 変化仏 ゐりがほばo 、エン トロ ピー変 化ム
5りが 大き な正の 値とな り、エ ントロ ピー 駆動型 の包接 挙動が 示さ れた。このエントロピ ー の み で 駆 動 す る 包 接 錯 体 形 成 は 、 超 分 子 ホ ス ト を 用 い た 研 究 で は 極 め て 珍 し い 例 で あ る 。
第7 章 に お い て、 ア ミ ン 側鎖 を分岐 させナ フタレ ンプロ ーブ を2 つ 持た せた蛍 光性CDx を合 成し、 グス ト （コ ール 酸類） 存在下 での光 応答性 にっ いて研 究した 。ゲス ト濃 度上昇 に伴い 波長430 nm の螢光 の増 大が 見られ た。 これは ゲスト 包接に 伴い、 プロ ーブ間 の分子 内エキシマー錯体が形成されたことに由来す る 。UV 照射実 験にて 、ホス ト溶 液のみ では無 螢光で あった のに 対し、 ゲスト 存在下 では 著しい 水色の 蛍 光が 観察さ れた 。この ことか らOn‑Off シ グナリ ング 機能を 有する螢光指示薬としての有用性が示された。
また 、 第
8章 では
CDxdiennap‑2で 見ら れた超 分子的 構造を アミド ―ナ フタレ ン間に メチレ ンス ペーサ ー を 導 入し た ホ ス ト 分子 を 合 成 し 、そ の 詳 細 に ついて 議論し た。
CDxdiennap‑2で はiH.NMR で の濃度 条 件に おいて 、特 に低温 （〜30 ゜
C)でface‑to‑face 型の ダイマ ーの形成が示唆されたが、プローブ間のスタ ッキ ングに よる エキシ マー発 光が確 認きれ なか った。 しかし ながらメチレン基を導入したホスト系では、
高濃 度条件 にお いて強 いエキ シマー 螢光が 見ら れた。 このエ キシマー螢光は温度、濃度依存性を持ち、ホ スト 問のface‑to‑face 型のダイマー形成に由来するものと確認された。またそれぞれのホストにて低濃度条 件下 でも、 モノ マー螢 光に強い温度依存性、pH 依存性があることを見いだした。これはそれぞれアミド（電 子 ドナ ー） ーナフ タレン （電子 アクセ プタ ー）間 のねじ れ型分 子内 電荷移 動(TICT) 挙 動、及 びアミ ンス ペー サーの プロ トン化 ―脱プ ロトン 化によ るも のであ る。
次に 第
9章 で はホ ス ト の
CDx環 サ イ ズ 効果 を 検 討す るため 、a ．CDx 型のホ スト分 子を 合成し 螢光検 出 に つい て検 討した 。ロ．
CDx型 ではナ フタ レン部 位がCDx 空洞 に入る 余地 がなく 、ゲス トセン シング 能が
p‑CDx型に 比べ格 段に落 ちるこ とを見 いだ した。 このこ とから 、ゲ スト包 接を螢 光強度 を増大させて認識 す る に は、
1）
1位ナ フ タ レ ン―ア ミド結 合2 ）スペ ーサー の中 心に位 置した
2級 アミン 、及び
3） 声‑CDx 環 の 存 在が 必 要 不 可 欠で あ り 、
CDxdiennap．
1は 非 常 に 優 れた 螢 光 セ ンサ ーであ るこ とを証 明した 。
以上 のよ うに、 本研究 を通じ 、様 々な螢 光性ア ミノ化 シクロ デキストリンを合成し、その様々な無機、
有機 分子に 対す る螢光 センシ ング能 及び包 接メ カニズ ムを解 明した。更に溶液内における超分子的会合挙 動 を 温 度 、 濃 度 、 溶 媒 等 の 外 部 環 境 変 化 に て 制 御 可 能 な メ カ ニ ズ ム を 解 明 し た 。
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