[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

シクロファン+ペリレンビスイミドで芳香環を認識

[スポンサーリンク]

 

シクロファンは芳香環の2ヶ所以上が炭素鎖等によって架橋された化合物群であり、分子認識化学分野で最重要分子の一つです。一方、ペリレンビスイミド(Perylene Bisimide: PBI)は優れた光耐久性、高い蛍光量子収率、そして強い分子間スタッキングを有する分子として知られており、絵の具[1]から蛍光イメージング[2]まで幅広い分野で応用されています。

これまで、ペリレンビスイミドをシクロファンの「芳香環」としたPBIシクロファンの合成・物性研究は数多く行われてきましたが[1,2]、平面性の高い芳香環を高認識で取り込めた例は報告されていませんでした。そこで、PBI研究の第一人者であるWürthnerらは、二つのPBIを適切な距離に固定させることで、芳香環を高認識に取り込ませることが可能な、剛直なPBIシクロファンを合成することに成功しました。また、それが顕著な蛍光スイッチ挙動を示すことを見いだしました(図1)。

“A Perylene Bisimide Cyclophane as a “Turn-On” and “Turn-Off” Fluorescence Probe”

Spenst, P.; Würthner, F.;Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 10165. DOI: 10.1002/anie.201503542

2015-10-08_17-17-25

図1. 今回合成したPBIシクロファン

合成および性質

Würthnerらは、剛直なPBIシクロファンとしてパラキシレンで架橋された2を設計し、その合成を行いました(図 2)。PBI-1 とパラキシレンジアミンをイミダゾールとピリジン存在下、トルエン中で20時間加熱還流することにより、目的の2を得ました(収率7%)。

Scheme 1: 剛直なシクロファン2の合成

図2 剛直なシクロファン2の合成

 

合成した2のクロロホルム溶液における蛍光量子収率はΦ=0.21でした。これはモノマーのPBIの蛍光量子収率(Φ=0.97)と比較し非常に低い値でした。一方トルエンを溶媒とした場合、2の蛍光量子収率はΦ=0.64まで向上しました。これは、2にトルエン分子(ゲスト分子)が内包されることで2つのPBI間π−π相互作用が弱くなったことが想定されます。

次に2のホスト分子としての機能を評価するため、2のクロロホルム溶液に様々な芳香族炭化水素を加え、その際の発光変化を観測しました。その結果、電子豊富な芳香環状が2に内包された場合、大幅な発光強度の減少が確認されました(図 3a)。一方、電子不足な芳香環が2に内包されると、生成した2の錯体の発光強度が劇的に向上しています(図3b)。つまり、電子豊富な芳香環により、2の蛍光が”off”になり、電子不足な芳香環により、蛍光が”on”になるという蛍光スイッチ挙動がみられました。

 

Figure 1: (a)アントラセンおよび (b)フェニルナフタレンの発光スペクトル変化

図3: (a)アントラセンおよび (b)フェニルナフタレンの発光スペクトル変化

 

この蛍光スイッチ挙動を示す理由を解明するため、著者らはゲスト分子とホスト分子それぞれのHOMO準位に着目しました。まず、ゲスト分子のHOMO−LUMO準位についてのDFT計算を行いました(図 4a)。さらにゲスト分子を内包した際の錯体の蛍光量子収率をプロットしてます(図 4b)。

Figure 2: (a) DFT計算により見積もられたゲスト分子のHOMO−LUMO準位(B3LYP/6-31G(d))(b) ホスト−ゲスト錯体の蛍光量子収率Φのプロット

図 4: (a) DFT計算により見積もられたゲスト分子のHOMO−LUMO準位(B3LYP/6-31G(d))(b) ホスト−ゲスト錯体の蛍光量子収率Φのプロット

 

Figure2の相関関係より、著者らは、2の光励起された後、ゲスト分子からの電子移動の有無が、この蛍光スイッチ挙動に関与していると考えました。つまり、電子不足のゲスト分子が内包された場合は2の光励起されたHOMOにゲスト分子のHOMOからの電子移動が起こりません。そのため2の発光強度が、ゲスト分子がない場合よりも大きくなります。一方で、電子豊富なゲスト分子を挿入した場合はゲスト分子からの電子移動が起こるため、蛍光が妨げられ2の発光強度が小さくなると結論付けました(図5)。

Figure 3: (中央図)蛍光スイッチ挙動のメカニズム。光を照射した際に電子不足な(a)群のゲスト分子が内包されている場合は上図赤色の挙動を、電子豊富な(b)群のゲスト分子が内包されている際は青色の挙動を示す

図5: (中央図)蛍光スイッチ挙動のメカニズム。光を照射した際に電子不足な(a)群のゲスト分子が内包されている場合は上図赤色の挙動を、電子豊富な(b)群のゲスト分子が内包されている際は青色の挙動を示す

 

まとめ

今回著者らは、様々な芳香環を取り込むことが出来るペリレンビスイミドを主骨格とするシクロファン2の合成に初めて成功しました。また、内包するゲスト分子の電子的性質による2の蛍光スイッチング挙動を見出し、このメカニズムがゲスト分子のHOMO準位に依存していることを明らかにしました。最近では”Ex-box”など高い芳香環認識能をもつ新しいホスト分子は報告されているものの[3]、本研究は、既知のPBIの強いスタッキング能力を活用するだけで、うまく芳香環を”捕らえた”のみでなく、それを蛍光で可視化することにも成功した興味深い例であるといえると思います。

 

参考文献

  1. Würthner, F.; Saha-Möller, R. C.; Fimmel, B.; Ogi, S.; Leowanawat, P.; Schmidt, D. Chem. Rev. 2015, ASAP. DOI: 1021/acs.chemrev.5b00188
  2. Soh, N.; Ueda, T. Talanta. 2011, 85, 1233–1237. DOI: 1016/j.talanta.2011.06.010
  3. Dale, E. J.; Vermeulen, N. A.; Thomas, A. A.; Barnes, J. C.; Juricek, M.; Blackburn, A. K.; Strutt, N. L.; Sarjeant, A. A.; Stern, C. L.; Denmark, S. E.; Stoddart, J. F. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 10669−10682. DOI: 1021/ja5041557

 

関連書籍

[amazonjs asin=”3662149117″ locale=”JP” title=”Cyclophanes (Topics in Current Chemistry)”]
Avatar photo

bona

投稿者の記事一覧

愛知で化学を教えています。よろしくお願いします。

関連記事

  1. 特許にまつわる初歩的なあれこれ その2
  2. データケミカル株式会社ってどんな会社?
  3. 第19回ケムステVシンポ「化学者だって起業するっつーの」を開催し…
  4. 研究室でDIY!~割れないマニホールドをつくろう~
  5. 化学者に役立つWord辞書
  6. 中小企業・創薬ベンチャー必見!最新研究機器シェアリングシステム
  7. 留学せずに英語をマスターできるかやってみた(6年目)(留学後編)…
  8. tRNAの新たな役割:大豆と微生物のコミュニケーション

注目情報

ピックアップ記事

  1. 化学者ネットワーク
  2. 反応中間体の追跡から新反応をみつける
  3. クレアチン creatine 
  4. MEDCHEM NEWS 33-1 号 「創薬への貢献」
  5. NECら、データセンターの空調消費電力を半減できる新冷媒採用システムを開発
  6. ロジウム(I)触媒を用いるアリールニトリルの炭素‐シアノ基選択的な切断とホウ素化反応
  7. Essential細胞生物学
  8. 低投資で効率的な英語学習~有用な教材は身近にある!
  9. アビー・ドイル Abigail G. Doyle
  10. 宝塚市立病院で職員が「シックハウス症候群」に…労基署が排気設備が不十分と是正勧告

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2015年10月
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031  

注目情報

最新記事

Pdナノ粒子触媒による1,3-ジエン化合物の酸化的アミノ化反応の開発

第629回のスポットライトリサーチは、関西大学大学院 理工学研究科(触媒有機化学研究室)博士課程後期…

第4回鈴木章賞授賞式&第8回ICReDD国際シンポジウム開催のお知らせ

計算科学,情報科学,実験科学の3分野融合による新たな化学反応開発に興味のある方はぜひご参加ください!…

光と励起子が混ざった準粒子 ”励起子ポラリトン”

励起子とは半導体を励起すると、電子が価電子帯から伝導帯に移動する。価電子帯には電子が抜けた後の欠…

三員環内外に三連続不斉中心を構築 –NHCによる亜鉛エノール化ホモエノラートの精密制御–

第 628 回のスポットライトリサーチは、東北大学大学院薬学研究科 分子薬科学専…

丸岡 啓二 Keiji Maruoka

丸岡啓二 (まるおか けいじ)は日本の有機化学者である。京都大学大学院薬学研究科 特任教授。専門は有…

電子一つで結合!炭素の新たな結合を実現

第627回のスポットライトリサーチは、北海道大有機化学第一研究室(鈴木孝紀教授、石垣侑祐准教授)で行…

柔軟な姿勢が成功を引き寄せた50代技術者の初転職。現職と同等の待遇を維持した確かなサポート

50代での転職に不安を感じる方も多いかもしれません。しかし、長年にわたり築き上げてきた専門性は大きな…

SNS予想で盛り上がれ!2024年ノーベル化学賞は誰の手に?

さてことしもいよいよ、ノーベル賞シーズンが到来します!化学賞は日本時間 2024…

「理研シンポジウム 第三回冷却分子・精密分光シンポジウム」を聴講してみた

bergです。この度は2024年8月30日(金)~31日(土)に電気通信大学とオンラインにて開催され…

【書籍】Pythonで動かして始める量子化学計算

概要PythonとPsi4を用いて量子化学計算の基本を学べる,初学者向けの入門書。(引用:コ…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP