JP4339207B2 - 両親媒性ポルフィリン−フラレン2量体およびその自己組織化により形成されるナノチューブ構造体 - Google Patents
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Description
一方、これらのナノスケールの構造体のうち、特にチューブ状のものは、カーボンナノチューブの発見以来益々関心が高まっている。カーボンナノチューブはグラファイト材料をレーザー蒸発法やアーク放電法等により蒸発させ、金属触媒の存在下に凝縮させ製造され、炭素原子で構成されるグラフェンシート構造が筒状に閉じたものであるが、金属残査や他種のアモルファスカーボンを混在するなど、強い分子間相互作用により容易にバンドルを形成し、個々のチューブを取り出すことが極めて困難であるなどの問題を有しており、さらに不溶のため加工・成形性に関しても多くの問題が残されているのが現状である。また、無機化合物から形成されるチューブ状構造体も多数知られているが、その機能については報告がない。
有機化合物の自己組織化によるチューブ状分子構造体の創成も知られており、その多くは脂質のような両親媒性化合物(脂質、両親媒性ポリマーなど)を用いると、繊維状またはその他の形状の構造体が生成することが報告されている。しかしながら、これらの自己組織体の多くは、疎水性効果や分子内・分子間の水素結合等を介してできたものであり、本発明のように親水性/疎水性相互作用とπ−πスタッキングによる分子間相互作用を利用したものはほとんど知られていない。
で表される両親媒性ポルフィリン−フラレン2量体に関する。
また、本発明は、前記した本発明の両親媒性ポルフィリン−フラレン2量体の少なくとも1種と、少なくとも1種類の溶剤とからなる溶液中で形成されるナノサイズの自己集積体、及びその自己組織化により形成されるナノチューブ構造体に関する。
これらのポリオキシアルキレンの末端側は、炭素数1〜20、好ましくは1〜10の直鎖状又は分枝状の低級アルキル基、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基などが好ましいが、これに限定されるものではない。また、これらのポリアルキレン基は鎖中にo−、m−、又はp−フェニレン(場合により前記した低級アルキル基や、それから誘導されるアルコキシ基など置換されていてもよい。)を有していてもよい。
好ましい親水性の基としては、例えば、−OCH2CH2(OCH2CH2)nOMe(nは2以上、好ましくは2〜100、より好ましくは2〜20の整数)、又はC6H4OCH2CH2(OCH2CH2)nOMe(nは2以上、好ましくは2〜100、より好ましくは2〜20の整数)である基をあげることができる。
好ましいリンカー基としては、次の式(II)
本発明の一般式(I)で表される化合物のR4のアルキル基としては、炭素数1〜20、好ましくは1〜10の直鎖状又は分枝状の低級アルキル基、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基などが挙げられる。
本発明の自己集積体を形成させるために使用される溶剤としては、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素、ヘキサン、オクタンなどの飽和脂肪族炭化水素などの疎水性のものが好ましい。
以下に記載する各実施例においては、反応はすべて乾燥アルゴン下で行い、溶剤類は無水のものはそのまま使用した。
また、1H−NMR スペクトルは、JEOL社製 EX500型NMR(500MHz)を使用し測定した。溶媒はCDCl3を用い、基準は残存するCHCl3の7.28ppmのシグナルとした。マススペクトルは、PerSeptive Biosystems社製Voyager DE STR型MALDI−TOF/MSを使用した。紫外・可視吸収スペクトル:日本分光社製Ubest V−560型分光光度計を使用した。光路長1センチの四面透明石英セルを用いた。ゲルクロマトグラフ: Si−200 (200μm) シリカゲルを用いた。
本発明の一般式(I)で表される化合物の具体例として次ぎに示す「化合物1」を例にして説明するが、これに限定されるものではない。
次に「化合物1」の合成スキームを示す。
5−(3,4,5−トリ-tert-ブチルジメチルシロキシフェニル)−15−(4−メトキシカルボニルフェニル)亜鉛ポルフィリン(150mg,0.15mmol),4−トリエチレングリコールメチルベンジルクロライド (170mg,0.59mmol),18−crown−6(41mg,0.15mmol)、K2CO3(43mg,0.3mmol)およびKF(63mg,1.1mmol)の混合物のTHF溶液 (5ml)をアルゴン雰囲気下で5日間撹拌、加熱還流した。反応系を室温まで冷却し、シリカゲルカラムで塩化メチレン/メタノール(40/1)で精製し、黒赤色の固体として得た(175mg)。収率82%。
1HNMR(δ/ppm,CDCl3,500MHz,25℃):
2.91(s,6H,CH3 in m−dendron−OCH3),
3.06(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2OCH3),
3.25(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2OCH3),
3.27(s,3H,CH3 in p−dendron−OCH3),
3.44−3.46(m,6H,CH2 in m−dendron−CH2CH2OCH3 and p−dendron−CH2CH2OCH3),
3.57−3.62(m,6H,CH2 in p−dendron−CH2CH2OCH3 and m−dendron−OCH2CH2OCH2CH2OCH3),
3.66(t,J=5Hz,3H,CH2 in p−dendron−OCH2CH2OCH2 CH2OCH3),
3.75(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−OCH2CH2OCH2 CH2OCH3),
3.78(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2O),
3.90(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−CH2CH2O),
4.08(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2O),
4.11(s,3H,methyl ester),
4.20(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−CH2CH2O),
5.16(s,4H,m−dendron−CH2O),
5.31(s,2H,p−dendron−CH2O),
6.86(d,J=8.5Hz,4H,m−H in m−dendron−C6H4),
6.96(d,J=8.5Hz,2H,p−dendron−C6H4),
7.32(d,J=8.5Hz,4H,o−H in m−dendron−C6H4),
7.42(s,2H,o−H in PZn−C6H3),
7.54(d,J=8.5Hz,2H,o−H in p−dendron−C6H4),
8.32(d,J=8Hz,2H,m−H in PZn−C6H4),
8.45(d,J=8Hz,2H,o−H in PZn−C6H4),
8.99(m,2H,pyrrole−β−H in PZn),
9.05(m,2H,pyrrole−β−H in PZn),
9.38(m,2H,pyrrole−β−H in PZn),
9.42(m,2H,pyrrole−β−H in PZn),
10.30(s,2H,meso−H in PZn).
MS(MALDI−TOF,dithranol):
実測値 m/z 1387.7(M+),
(計算値 M+ 1388.9,calcd for:C76H82N4O17Zn).
UV−vis(THF,25℃):310,415,544,582nm.
5−(3,4,5−トリス(4−(トリエチレングリコールメチル)ベンジルオキシ)フェニル)−15−(4−(メトキシカルボニル)フェニル)亜鉛ポルフィリン(95mg,0.07mmol),LiALH4(5mg,0.14mmol)の混合物をTHF(2ml)に懸濁し、アルゴン下氷冷下で1時間撹拌し、水(1mL)を入れて反応を中止した。反応混合物を減圧濃縮し、シリカゲルカラムで塩化メチレン/メタノール(40/1)で精製し、ピンク色の固体として得た(87mg)。収率93.5%。
1H NMR (δ/ppm,CDCl3,500MHz,25℃):
2.95(s,6H,CH3 in m−dendron−OCH3),
3.09(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2OCH3),
3.26(s,3H,CH3 in p−dendron−OCH3),
3.27(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2OCH3),
3.42−3.46(m,6H,CH2 in m−dendron−CH2CH2OCH3 and p−dendron−CH2CH2OCH3),
3.55−3.58(m,6H,CH2 in p−dendron−CH2CH2OCH3 and m−dendron−OCH2CH2OCH2CH2OCH3),
3.65(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−OCH2CH2OCH2 CH2OCH3),
3.73(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−OCH2CH2OCH2 CH2OCH3),
3.77(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2O),
3.88(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−CH2CH2O),
4.05(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2O),
4.18(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−CH2CH2O),
4.87(s,2H,CH2OH),
5.11(s,4H,m−dendron−CH2O),
5.27(s,2H,p−dendron−CH2O),
6.83(d,J=8.5Hz,4H,m−H in m−dendron−C6H4),
6.94(d,J=8.5Hz,2H,p−dendron−C6H4),
7.28(d,J=8.5Hz,4H,o−H in m−dendron−C6H4),
7.39(s,2H,o−H in PZn−C6H3),
7.52(d,J=8.5Hz,2H,o−H in p−dendron−C6H4),
7.64(d,J=8Hz,2H,m−H in PZn−C6H4),
8.19(d,J=8Hz,2H,o−H in PZn−C6H4),
8.98(m,2H,pyrrole−β−H in PZn),
9.07(m,2H,pyrrole−β−H in PZn),
9.36(m,2H,pyrrole−β−H in PZn),
9.38(m,2H,pyrrole−β−H in PZn),
10.26(s,2H,meso−H in PZn).
MS(MALDI−TOF,dithranol):
実測値 m/z 1359.3(M+),
(計算値 M+ 1358.5,calcd for:C75H82N4O16Zn).
UV−vis(THF,25℃):308,414,544,580nm.
5−(3,4,5−トリス(4−(トリエチレングリコールメチル)ベンジルオキシ)フェニル)−15−(4−(ヒドロキシメチル)フェニル)亜鉛ポルフィリン(57mg,0.042mmol),DPTS(4−ジメチルアミノピリジウム−p−トルエンスルホネート)(3.5mg,0.013mmol),4−フォルミルベンゾイックアシッド(9.5mg,0.06mmol)をTHF/CH2CL2の混合溶液(5ml;1/4)溶解し、DCC(20mg)を加え、暗所・室温下で三日間撹拌し、反応混合物を減圧濃縮した後、分取TLC(溶媒メチレン/メタノール(40/1)で精製し、赤色の固体として得た(48mg)。収率81%。
1H NMR (δ/ppm,CDCl3,500MHz,25℃):
2.95(s,6H,CH3 in m−dendron−OCH3),
3.11(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2OCH3),
3.27−3.30(m,7H,CH3 in p−dendron−OCH3 and CH2
in m−dendron−CH2CH2OCH3),
3.46−3.49(m,6H,CH2 in m−dendron−CH2CH2OCH3 and p−dendron−CH2CH2OCH3),
3.59−3.61(m,6H,CH2 in p−dendron−CH2CH2OCH3 and m−dendron−OCH2CH2OCH2CH2OCH3),
3.68(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−OCH2CH2OCH2 CH2OCH3),
3.74(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−OCH2CH2OCH2 CH2OCH3),
3.80(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2O),
3.90(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−CH2CH2O),
4.09(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2O),
4.20(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−CH2CH2O),
5.18(s,4H,m−dendron−CH2O),
5.33(s,2H,p−dendron−CH2O),
5.78(s,2H,CH2CO2),
6.87(d,J=8.5Hz,4H,m−H in m−dendron−C6H4),
6.96(d,J=8.5Hz,2H,p−dendron−C6H4),
7.34(d,J=8.5Hz,4H,o−H in m−dendron−C6H4),
7.44(s,2H,o−H in PZn−C6H3),
7.55(d,J=8.5Hz,2H,o−H in p−dendron−C6H4),
7.86(d,J=8Hz,2H,m−H in PZn−C6H4),
8.04(d,J=8Hz,2H,o−H in HOC−C6H4),
8.28(d,J=8Hz,2H,o−H in PZn−C6H4),
8.42(d,J=8Hz,2H,m−H in HOC−C6H4),
9.00(m,2H,pyrrole−β−H in PZn),
9.12(m,2H,pyrrole−β−H in PZn),
9.38(m,2H,pyrrole−β−H in PZn),
9.42(m,2H,pyrrole−β−H in PZn),
10.15(s,1H,CHO),
10.30(s,2H,meso−H in PZn),
MS(MALDI−TOF,dithranol):
実測値 m/z 1,491.7(M+),
(M+ 1,492.5,計算値 calcd for:C83H86N4O18Zn).
UV−vis(THF,25℃):308,414,544,581nm.
ポルフィリン前駆体(25mg,17μmol),C60(18.1mg,25μmol),N−メチルグリシン(23mg,250μmol)の混合物の0−ジクロロベンゼン(9ml)溶液をアルゴン下120℃で撹拌、加熱した。TLC,TOF−MSを用いて原料であるポルフィリン前駆体がなくなったことを確認した後、反応混合物を室温まで冷却した。混合物をシリカゲルカラムでトルエン、トルエン/酢酸エチル(9/1)、クロロホルム/メタノール(40/1)の順位で溶離して精製し、ピンク色の固体として化合物1(16.5mg)を得た。収率45%。
1H NMR (δ/ppm,THF−d8,500MHz,25℃):
2.83(s,3H,NCH3),
3.25(s,6H,CH3 in m−dendron−OCH3),
3.30(s,3H,CH3 in p−dendron−OCH3),
3.43(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2OCH3),
3.43(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−CH2CH2OCH3),
3.55−3.63(m,12H,CH2 in p−dendron−CH2CH2OCH3, m−dendron−CH2CH2OCH3,p−dendron−OCH2CH2OCH2C H2OCH3,m−dendron−OCH2CH2OCH2CH2OCH3),
3.65−3.72(m,6H,CH2 in m−dendron−CH2CH2OCH2CH2 OCH3,p−dendron−CH2CH2OCH2CH2OCH3),
3.83(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2O),
3.85(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−CH2CH2O),
4.15(t,J=5Hz,4H,CH2 in m−dendron−CH2CH2O),
4.17(t,J=5Hz,2H,CH2 in p−dendron−CH2CH2O),
4.23(d,J=9Hz,C60CH2N),
4.98(d,J=9Hz,C60CH2N),
5.06(s,1H,C60CHN),
5.21(s,4H,m−dendron−CH2O),
5.30(s,2H,p−dendron−CH2O),
5.75(s,2H,CH2 between PZn and C60),
6.93−6.96(m,6H,m−H in m−dendron−C6H4 and p−dend ron−C6H4),
7.42(d,J=8Hz,4H,o−H in m−dendron−C6H4),
7.55(d,J=8Hz,2H,o−H in p−dendron−C6H4),
7.58(s,2H,o−H in PZn−C6H3),
7.92(d,J=8Hz,2H,m−H in PZn−C6H4),
8.04(sh,2H,o−H in C60−C6H4),
8.26(d,J=8Hz,2H,o−H in PZn−C6H4),
8.32(d,J=8Hz,m−H in C60−C6H4),
9.01(d,J=4Hz,2H,pyrrole−β−H in PZn),
9.03(d,J=4Hz,2H,pyrrole−β−H in PZn),
9.37(d,J=4Hz,2H,pyrrole−β−H in PZn),
9.39(d,J=4Hz,2H,pyrrole−β−H in PZn),
10.26(s,2H,meso−H in PZn),
MALDI−TOF−MS(dithranol):
[M+H]+:m/z 2,240.0;実測値:2,239.6
計算値 C145H91N5O17Zn
UV−vis(モル吸光係数ε;THF,25℃):320,
414.5(5.4×105),544(2.2×104),581,700nm.
化合物1(R1,R2,R3=C6H4OCH2CH2(OCH2CH2)2OMe)を0.01wt%の濃度になるようにトルエン中に溶解し、透明なピンク色の溶液を得た。室温でこの溶液にメタノールの蒸気を浸透させ、溶液が徐徐に不透明になり、ついにオレンジ色の沈殿物が生成した。この溶液あるいは沈殿物をFE−SEMおよびTEMで観察したところ、アスペクト比が1000以上で線径分布の狭いナノサイズのチューブが生成していた。このチューブは通常のゲル経由で生成したチューブによく見られる分岐や網目構造はなく、剛直なチューブであった。極微電子線回折からポルフィリン分子面の重なりに対応する、5.0Åの規則性が観測された。この回折像はポルフィリン−ポルフィリンの面間隔を示し、分子の積層構造の存在を示唆するものである。従って、この構造体は、ポルフィリン−フラレンの直接スタッキングでなく、ポルフィリン−ポルフィリンがπ−π相互作用によりJ-aggregateを形成し(紫外・可視吸収スペクトルからも支持している)、加えて親水性/疎水性相互作用による二分子膜様の構造の形成、それが2次元的に広がったリボン構造の形成、さらに、密にパッキングしてチューブ構造を形成するといった、階層的な自己組織化による作り出されていることが推測される。図1はこの両親媒性ポルフィリン−フラレン化合物1からなるナノチューブの紫外・可視吸収スペクトルを示す。なお、測定は、ナノチューブを石英基盤に乗せて測定した。図2および図3にこのチューブのSEM写真およびTEM写真を示す。
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