KIDA LABORATORY

Department of Applied Chemistry, Graduate School of Engineering, Osaka University

Research

 

1.有機媒体中で高い包接能を示す環状オリゴ糖の開発と利用

シクロデキストリン(CD)は、デンプンに酵素を作用させて得られる、植物由来の環状オリゴ糖です。グルコースがα-1,4 結合で環状に連なった構造をとっています。特に、6、7、8個のグルコースがつながったものが代表的で、それぞれα-、β-、γ-CDと呼ばれています。CDはドーナツのような形をしていて、内径0.5~0.9 nmの空孔(穴)をもち、この空孔の形と大きさに適合する分子を取り込む性質(包接能)があります(図1B)。また、取り込んだ物質を特定の刺激により容易に放出することもできます(放出能)。このCDの物質包接能と放出能は、食品、医薬品、化粧品など様々な分野で利用されています。

 

図1.(A)シクロデキストリン(CD)の化学構造と模式図. (B)CDによるゲスト分子の包接と放出の模式図

 

 

しかし、CD空孔内へのゲスト分子の包接はこれまでほとんどの場合が水中で行われており、有機溶媒中、特に油中や非極性溶媒中での効果的なゲスト分子包接はきわめて困難であると考えられ、実現されていませんでした。我々は、適切に化学修飾したCDが非極性溶媒中のゲスト分子を効果的に包接できることを世界で初めて見出し、それを吸着剤に用いることで、絶縁油中に微量混入しているポリ塩化ビフェニル(PCB)を選択的に吸着除去できることを明らかにしました。さらに、この吸着剤をカラム内に充填し、その中をPCB汚染オイルが通過するシステムを組むことで、汚染オイル中のPCBを効率的に分離濃縮することにも成功しました。毒性のPCBが混入した絶縁油は現在我が国で大量に(50万トン以上)保管されており、適切な処理方法の開発が急務となっています。我々が開発した技術を用いることで、大量の汚染オイルから短時間で環境に負荷を与えずにPCBを分離濃縮できると考えられます。本技術は、我が国で大量に保管されているPCB汚染オイルの全廃に大いに貢献できると期待され、現在、実用化に向けて研究に取り組んでいます。

 

図2.オイル中のPCBとCD誘導体との包接錯体形成

 

参考文献
  • 1) T. Kida et al., Org. Lett. 2009, 11, 5282-5285. 2) T. Kida et al., Org. Lett., 2011, 13, 4570-4573. 3) T. Kida et al., J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 3371−3374. 4) S. Kawano et al., Environ. Sci. Technol., 2014, 48, 8094-8100.

2.シクロデキストリン超分子構造体の創製と利用

シクロデキストリン(CD)は結晶中で、かご型、チャンネル型、層状型の3種の集合様式をとることが知られています。我々は、Tonelliらにより開発された方法(A.E. Tonelli et al., Langmuir 2002, 18, 10016.)を参考にγ-CDのチャンネル型集合体(γ-CDchannel)を調製し、その走査型電子顕微鏡(SEM)観察を行ったところ、1辺数μmの形の揃ったキューブ状構造体が形成されていることを発見しました。また、γ-CDchannelを調製する際の条件を変化させることで、様々な大きさのマイクロキューブを作製することにも成功しました(図3)。これらの構造体の油に対する分散安定性は単独のCD分子よりも格段に高く、油ならびに有機溶媒を室温で簡単にゲル化できることがわかりました。また、そのチャンネル状の空孔を利用して油中の有害物質を効果的に捕捉できることも見出しました。

 

図3.種々の形態をもつCD超分子構造体の作製

 

参考文献
  • 1) T. Kida et al., Anal. Chem. 2008, 80, 317-320. 2) T. Kida et al., Chem. Commun. 2009, 3889-3891. 3) Y. Marui et al., Chem. Mater., 2010, 22, 282-284. 4) Y. Marui et al., Langmuir 2010, 26, 11441-11445. 5) T. Kida et al., Chem. Lett. 2010, 39, 1206-1208. 6) T. Kida et al., Chem. Commun. 2014, 50, 14245-14248.

3.環骨格変換シクロデキストリンの開発と利用

これまで様々な分野で利用されてきたシクロデキストリン(CD)でも、ゲスト分子の形・大きさに合わせた柔軟な分子の設計が困難と考えられてきたことから、適用できるゲスト分子の種類は比較的限られていました。我々は、この点を克服しCD用途の飛躍的拡大を図るために、CDの環骨格にスペーサーを挿入するという斬新な分子設計法を考案し、それに基づいて空孔の形・大きさを自在に制御できるCD誘導体を簡便に合成することに成功しました(図4)。この‘スペーサー挿入CD’は従来のCD誘導体では発現できないユニークかつ優れた包接挙動を示すことがわかりました。さらに、‘環結合変換CD’の簡便合成にも成功し、これまで包接困難とされていたポリアクリル酸などのゲスト分子の包接が実現できることを明らかにしました。

 

図4.ゲスト分子の構造に合わせた空孔をもつ環骨格変換CDの合成

 

 

参考文献
  • 1) T. Kida et al., Chem. Commun. 2002, 1596-1597. 2) T. Kida et al., Chem. Commun. 2003, 3020-3021. 3) A. Kikuzawa et al., J. Org. Chem. 2005, 70, 1253-1261. 4) T. Kida et al., Tetrahedron 2005, 61, 5763-5768. 5) A. Kikuzawa et al., Org. Lett. 2007, 9, 3909-3912. 6) A. Kikuzawa et al., Macromolecules 2008, 41, 3393-3395.

4.高分子ナノカプセルの一次元融合を利用した種々の高分子ナノチューブの創製と利用

中空構造を有するナノチューブは、内部の空間を利用しての物質分離・保存に加え、ナノリアクター、薬物や遺伝子の輸送担体としての利用が期待されています。特に、有機化合物からなるナノチューブは、化学修飾により容易に機能性を付与できることから活発に研究されています。しかし、従来の有機ナノチューブ作製法ではチューブの径・膜厚・長さの制御が容易ではなく、これらを容易に制御できる新たな有機ナノチューブ作製法の開発が求められています。最近我々は、ポリL-乳酸(PLLA)とポリD-乳酸(PDLA)のステレオコンプレックス積層膜からなるナノカプセルを作製し、その水分散液を固体基板上で乾燥させることで、ナノカプセルが一次元的に融合してナノチューブが形成されることを見出しました(図5)。また、カプセル調製時に用いるシリカテンプレートの粒径を変えることで、生成するチューブの径を制御することにも成功しました。このポリ乳酸ナノカプセルの他に、ポリビニルアルコールナノカプセルからのナノチューブ作製にも成功しており、様々な有機ナノチューブを簡便に作製する方法として大きな注目を集めています。

 

図5.ポリ乳酸カプセルの作製とポリ乳酸カプセルの一次元融合によるポリ乳酸チューブ形成の模式図

 

 

参考文献
  • 1) K. Kondo et al., J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 8236-8237. 2) T. Kida et al., Polymer 2014, 3889-3891.

5.電荷移動相互作用を用いるキラル光反応

光励起すると分子は電子的励起状態になります。電子的励起状態においては通常の熱反応では合成が難しい、例えば高ひずみ化合物等が簡単に生成します。電子受容体と電子供与体は基底状態で電荷移動(CT)相互作用をおこし、錯体形成に伴い、長波長(主に可視光)領域に新しい吸収帯を生成します。この波長領域に光を照射すると励起CT錯体を経由して光反応(光環化反応など)が引き起こされます。我々はこのようにして得られる励起錯体の特徴を活かし、通常の光反応(エキシプレックス経由の反応)とは異なる選択性でキラル化合物を得るという新しい方法論に関する研究を進めています。

 

図6.電荷移動錯体の光励起を利用したキラル光反応(上:概念図、下:具体的な反応系の一例)

 

参考文献
  • 1) T. Mori. 有機合成化学協会誌, 2016年, 印刷中. 2) T. Mori, 光科学の世界(光エネルギーを用いた化学変換:有機光反応)朝倉書店, 2014. 3) T. Mori, Y. Inoue, 化学, 2012, 67, 72. 4) T. Mori, Y. Inoue, Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 8142.

6.高分子センサーを基盤とする超分子アロステリックシグナル増幅センシング

我々はこれまでに図7(a)に示すように、生体系におけるアロステリック効果を利用することで、(i)精密に設計された受容体での検体の吸着・包接に伴うセンシング部位自身の動的構造変化により、(ii)アロステリック効果によってシグナル増幅高分子主鎖へのホスト―ゲスト識別情報の伝播を引き起こさせ、(iii)ここから増幅したシグナルを得るという手法を提唱しています。そして、この一連のプロセスを利用するセンシング方法論を"超分子アロステリックシグナル増幅センシング(Supramolecular Allosteric Signal-amplification Sensing)" (SASS)と定義しております。実際に設計・合成したのは、シグナル増幅高分子リポーターとしてアキラルなポリチオフェン(PT)にキラルなビナフトクラウンエーテル側鎖を架橋したBPT (図7(b))とシクロデキストリンを側鎖に連結したCDPT (図7(c))であり、これらは単量体キラリティーセンサーとは異なりキラル化合物に対するシグナル出力の増幅が可能であり、μgオーダーでの検知が可能です。さらに、現代化学の大きな挑戦課題の一つである水溶液中での糖センシングにおいて、多糖ホストであるカードラン(Cur)にシグナル出力リポーターを導入したDABz-Cur (図7(d)左)がオリゴ糖であるアカルボース(図7(d)右)を水溶液中で定量的にセンシングできることを見出しています。この新手法からさらに一歩進んで、(図7(e))に示したようにホストとして天然Cur、この構造変化を鋭敏に読み取るシグナル出力増幅リポーターとして水溶性PT (PyPT)を用いる高感度in situ複合センサーの構築に成功し、DABz-Curの30万倍の感度を示しSASS機構によりμMオーダーでの検知を可能にしています。

 

図7.超分子アロステリックシグナル増幅センシングの概念図(a)とこれまでの例(b~e)

 

参考文献
  • 1) G. Fukuhara* et al., J. Org. Chem. 2010, 75, 4307-4310. 2) G. Fukuhara* et al., Org. Lett. 2010, 12, 3510-3513. 3) G. Fukuhara* et al., Chem. Eur. J. 2010, 16, 7859-7864. [Highlighted in SYNFACTS 2010, 10, 1135] 4) G. Fukuhara* et al., Chem. Commun. 2010, 46, 9128-9130. [Hot Article] 5) G. Fukuhara* et al., J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 768-770. 6) G. Fukuhara* et al., Org. Lett. 2011, 13, 1856-1859. 7) G. Fukuhara* et al., Org. Biomol. Chem. 2011, 9, 7105-7112. 8) G. Fukuhara* et al., Chem. Commun. 2012, 48, 1641-1643. [Inside Cover] 9) G. Fukuhara* et al., Chem. Eur. J. 2012, 18, 11459-11464. 10) G. Fukuhara* et al., Chem. Commun. 2012, 48, 9156-9158. 11) G. Fukuhara* et al., J. Org. Chem. 2013, 78, 10996-11006. 12) G. Fukuhara*, Polym. J. 2015, 47, 649-655. [Focus Review] 13) G. Fukuhara* et al., J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 15007-15014.