JP7312403B2 - 新規化合物及びそれを用いたセンサーチップ - Google Patents

Description

本発明は特定の化学物質を検知するレセプターとなる新規化合物、およびそれを用いたセンサーチップに関する。

近年、生活の健康志向に伴い、化学物質を簡便にモニタリングする需要が増えてきている。食品に含まれる栄養分や、環境負荷物質を分析する為にはこれまで大型で高価な質量分析などの分析機器や、高価な分析試薬が必要であった。しかし、今後は迅速で簡便な分析手法が求められ、これにより、人類の暮らしはより快適になると予想される。

そうした背景の中、金属などの無機物に自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を形成させてレセプターとし、目的検知対象物質と相互作用させて電気、光といった外部信号として取り出す研究開発が進んできている。用いる相互作用としては共有結合などの化学反応、抗体－抗原反応、ホスト－ゲストによる超分子認識が知られている。

これまでに報告された例としては、レセプターが特定の化学物質に特異的に結合することにより信号を取り出していたが、この手法では多品種の化合物に対して対応するレセプターを多品種で製造する必要があり、工業的には現実的ではないと考えられる。それに対して、ある程度の反応サイトの余裕を持ち、多品種の化学物質に対して応答はするが、応答強度が異なるレセプターを少品種だけ製造することの方が、開発速度が高まり、工業的にも理想的である。

そういった要望の中でククルビット［ｎ］ウリルは親水性及び疎水性を示す空隙の存在により多様な化合物に対して捕集能力を有している事が知られている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１）。ククルビット［ｎ］ウリルは、空隙入り口にカルボニル基を有している為、電荷－極性相互作用、極性－極性相互作用、または水素結合によって多様なイオン性化合物、及び極性の大きい化合物を捕集できる点で、他の大環状化合物と異なる。したがってククルビット［ｎ］ウリルはアミノ酸、核酸、金属イオン、有機金属イオン、違法薬物等に対して多様な捕集能力を持ち、さらには、捕集様態も捕集する化合物やククルビット［ｎ］ウリルの環構造の大きさによって異なるため、非常に興味深い化合物である。
ククルビット［ｎ］ウリルを用いた応答は主に溶液中での光学的な応答、核磁気共鳴に対する応答、等温滴定カロリメトリーに対する応答等が知られているが、これらの分析ではやはり比較的大きな分析機器が必要であった。今後簡便な分析の為には超分子的相互作用を有する化合物を金属などの無機物に担持させてチップ状にし、持ち歩けるような状態にするのが望ましい。

特表２００７－５００７６３号公報 特表２００７－５２１４８７号公報

Ｃｈｅｍｉｃａｌ－Ｒｅｖｉｅｗｓ，２０１５年，１１５巻，１２３２０頁

本発明の課題は、無機物に固定化させてセンサーチップにすることができる超分子的相互作用を有する新規な化合物を提供することにある。

本発明者らは、鋭意検討を行った結果、ククルビット［ｎ］ウリルに化学修飾を施すことにより新規な化合物であるククルビット［ｎ］ウリル誘導体を合成し、金属上に固定化させることに成功し、本発明に至った。

本発明は、以下の構成を有する。
［１］ 式（１）で表される化合物：
（式中、ｎは５から２０の整数であり、ｍは１から１０の整数である。Ｘ及びＹは独立に酸素、硫黄及びセレンからなる群から選ばれるカルコゲン原子を表し、Ｒは、ＳＨ、ＣＯＯＨ、Ｓｉ（ＯＲ_１）_３、ＰＯ（ＯＨ）_２、ＳＳ－Ｒ_２からなる群から選ばれる置換基を表し、Ｒ_１は炭素数１～５のアルキル基を表し、Ｒ_２は有機基を表す。）。
［２］ 前記化合物は無機材料と相互作用し、自己組織化単分子膜を形成することができる、［１］に記載の化合物。
［３］ 式（２）で表される、［１］に記載の化合物：
（式中、ｎは独立に５から２０の整数であり、ｍは独立に１から１０の整数である。）。
［４］ 式（３）で表される、［１］に記載の化合物：
（式中、ｎは独立に５から２０の整数であり、ｍは独立に１から１０の整数である。）。
［５］ 式（４）で表される、［１］に記載の化合物：
（式中、ｎは独立に５から２０の整数であり、ｍは独立に１から１０の整数である。）。
［６］ 式（５）で表される、［１］に記載の化合物：
（式中、ｎは独立に５から２０の整数であり、ｍは独立に１から１０の整数である。）。
［７］ 式（６）表される、［１］に記載の化合物：
（式中、ｎは独立に５から２０の整数であり、ｍは独立に１から１０の整数である。Ｒ_１は炭素数１～５のアルキル基を表す。）。
［８］ 無機物と、
前記無機物に固定化させた［１］に記載の化合物と、
を含む、センサーチップ。

本発明の新規な化合物は、無機物に固定化させることにより、特定の化合物を検出するセンサーチップを得ることができる。また、当該センサーチップは、チップ状であるため、持ち歩くことできるようになることも期待され、簡便な分析を可能にする。

図１は、ＳＡＭ処理済電極、未処理電極、及びＣＢ［６］粉末のＦＴ－ＩＲ測定の結果である。 図２は、ＳＡＭ処理済電極、及び未処理電極の光電子収量分光法による測定の結果である。 図３の（Ａ）は、未処理電極の接触角測定の際の写真であり、図３（Ｂ）は、ＳＡＭ処理済電極の接触角測定の際の写真である。

以下、本発明について具体的に説明する。本発明の化合物は、式（１）の構造を有するものである。

式（１）中、ｎは５から２０の整数であり、ｍは１から１０の整数である。Ｘ及びＹは独立に酸素、硫黄及びセレンからなる群から選ばれるカルコゲン原子を表し、Ｒは、ＳＨ、ＣＯＯＨ、Ｓｉ（ＯＲ_１）_３、ＰＯ（ＯＨ）_２、ＳＳ－Ｒ_２からなる群から選ばれる置換基を表し、Ｒ_１は炭素数１～５のアルキル基を表し、Ｒ_２は有機基を表す。以下、具体的に説明する。

式（１）で表される化合物は、ククルビットウリル構造（環状構造）を含む化合物である。ｎは、当該化合物を構成するグリコールウリル単位の数を表し、５～２０の整数を表す。検査対象物との相互作用の強さや、入手容易性の観点から、ｎは５～１２の整数が好ましく、５～１０の整数がさらに好ましい。

式（１）中、ｍはメチレン基単位の数を表し、ｍが大きければ、メチレンスペーサーの長さが長くなるものであり、１から２０の整数を表す。検査対象物との相互作用の強さや、固定化のしやすさ、扱いやすさの観点から、ｍは２から１８の整数が好ましく、３から１５がさらに好ましい。なお、メチルスペーサーとは、ククルビットウリル部分（ククルビットウリル構造）と、金属等の無機物とを結ぶ連続したメチレン基のことを言う。

式（１）中、Ｘ及びＹは、独立に酸素、硫黄及びセレンからなる群から選ばれるカルコゲン原子を表す。式（１）中、複数のＸが存在するが、すべてのＸが同一のカルコゲン原子である必要はなく、互いに異なっていてもよい。なお、合成しやすさの観点から、Ｘとしては、硫黄原子及び酸素原子が好ましく、酸素原子が最も好ましい。
また、ＹはＸと同一でも異なっていてもよく、好ましいＹは、硫黄原子及び酸素原子であり、酸素原子が最も好ましい。

Ｒはメチレンスペーサーの末端官能基である。ＲはＳＨ、ＣＯＯＨ、Ｓｉ（ＯＲ_１）_３、ＰＯ（ＯＨ）_２、ＳＳ－Ｒ_２からなる群から選ばれる置換基であることが好ましい。Ｒに含まれるＳ原子、Ｏ原子、Ｓｉ原子又はＰ原子が、無機物の表面と結合することにより、式（１）の化合物は、同じ配向性を有しながら、無機物の表面に固定化することができる。

上記のうち、Ｓｉ（ＯＲ_１）_３のＲ_１は、アルコキシ基のアルキル基部分であり、炭素数１～５であることが好ましく、１～２であることがより好ましい。

また、ＳＳ－Ｒ_２のＲ_２は、有機基であれば特に限定されるものではない。Ｒ_２の具体例としては、アルキル、アルケニル、ククルビットウリル構造等を挙げることができる。ＲがＳＳ－Ｒ_２の場合は、無機物の表面に固定する場合、ＳとＳが切断され、ククルビットウリル構造を含む化合物の硫黄原子が、無機物の表面に固定する。なお、切断された－Ｓ－Ｒ_２を含む化合物も無機物の表面に固定することもでき、この点から考えると、Ｒ_２は、ククルビットウリル構造を含むことが好ましい。

式（１）の化合物は、好ましくは、以下の式（２）乃至（６）で表される化合物とすることができる。

式（２）～（６）において、ｎ及びｍは式（１）と同様である。また、式（６）のＲ_１は炭素数１～５のアルキル基を表す。各式中に、ｍやＲ_１が複数ある場合は、ｍやＲ_１はそれぞれ互いに同じであっても異なっていてもよい。
式（１）の化合物の特徴の一つとして、金属等の無機物と相互作用し、自己組織化単分子膜を形成することができる。ククルビットウリル構造は、ホスト分子として機能することが期待できるため、無機物とメチルスペーサーにより隔てたククルビットウリル部分が新しい機能を発揮できる可能性がある。

式（１）の化合物の用途として、無機物の上に式（１）の化合物を固定化させたセンサーチップとして利用することができる。具体的には、式（１）の化合物を用いたセンサーチップは、カルノシン、アンセリン及びバレニン等のイミダゾールジペプチドの検出に利用することができる。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。

実施例１
ククルビット［６］ウリル（以下ＣＢ［６］と称す。）二量体の合成
（第１工程）ビスイミダゾリニウム塩内包ＣＢ［６］－モノヒドロキシ体の合成

当該合成は、参考文献：Ｚｈａｏ，Ｎ．；Ｌｌｏｙｄ，Ｇ．Ｏ．；Ｓｃｈｅｒｍａｎ，Ｏ．Ａ．Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．２０１２，４８（２５），３０７０－３０７２．に則り、以下のように合成した。

大気下、１００ｍＬの二口ナスフラスコに還流冷却器を取り付け、ＣＢ［６］（０．５ｇ，０．５ｍｍｏｌ）、３，３’－（オクタン－１，８－ジイル）ビス（１－エチル－イミダゾリニウム）ブロミド（２３２ｍｇ，０．５ｍｍｏｌ）、水（５０ｍＬ）を入れ、８５℃へ昇温し、１時間攪拌した。ある程度溶解したのを確認した後、ここに（ＮＨ_４）_２Ｓ_２Ｏ_８（１１４ｍｇ，０．５ｍｍｏＬ）を加えた。１２時間攪拌した後、室温に戻し、ロータリーエバポレーターにより水を留去した。得られた固体を水を展開溶媒として逆相カラムクロマトグラフィー（樹脂：三菱ケミカル製、ＣＨＰ ２０Ｐ）を用いて分離した。１０ｍＬずつ分画し、ＬＣ／ＭＳにより目的物が存在するフラクションを選択し、ロータリーエバポレーターにより溶媒を除去して目的物である白色固体（収量：３２０ｍｇ，収率：４３％）を得た。

（第２工程）６，６’－ジスルファンジイルビス（ヘキサン－１－オル）の合成

１００ｍＬの三口ナスフラスコに還流冷却器と滴下漏斗を取り付け、乾燥エタノール（２５ｍＬ）、チオ尿素（１．２５ｇ，１６．５ｍｍｏｌ）、６－ブロモヘキサン－１－オル（２．７１ｇ，１６．５ｍｍｏｌ）を加え、７０℃に昇温、３０時間攪拌した。その後、５０℃に降温し、水酸化ナトリウム（６ｇ，１５０ｍｍｏｌ）水溶液（１８ｍＬ）を滴下し、大気解放して更に１日攪拌した。室温に戻した後、得られた褐色溶液をクロロホルム（４５ｍＬ）、水（４５ｍＬ）で分液操作を行い、水層をクロロホルムで抽出した。合わせた有機層を水（４５ｍＬ）で３回洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させて濾過し、濾液の有機溶媒をロータリーエバポレーターで除いて目的物として褐色オイル（収量：１．１１ｇ，収率２８％）で得た。
^１Ｈ ＮＭＲ （４００ ＭＨｚ， ＣＤＣｌ_３）： δ １．２４-１．７１ （ｍ， １６Ｈ， （ＣＨ_２）_４） ２．６８ （ｔ， Ｊ ＝ ５．０ Ｈｚ， ４Ｈ， ＣＨ_２）， ３．６５ （ｔ， Ｊ ＝ ９．３ Ｈｚ， ４Ｈ， ＣＨ_２）．

（第３工程）１，２’－ビス（６－ブロモへキシル）ジスルファンの合成

５０ｍＬの三口フラスコに還流冷却器と滴下漏斗を取り付け、四臭化炭素（３．０１ｇ，９．０８ｍｍｏｌ）のテトラヒドロフラン溶液（６ｍＬ）に６，６’－ジスルファンジイルビス（ヘキサン－１－オル）（１．１０ｇ，４．１３ｍｍｏｌ）のテトラヒドロフラン溶液（６ｍＬ）を加えた。１０分間攪拌した後、トリフェニルホスフィン（２．８１ｇ，１０．７３ｍｍｏｌ）のテトラヒドロフラン溶液（１０ｍＬ）を滴下して加え、４０℃へ昇温した。この際、溶液の色が橙色から暗緑色へ変色するのが確認され、最後に懸濁液となった。２日間攪拌した後、懸濁液をクロロホルム（３０ｍＬ）と水（３０ｍＬ）を加えて分液操作を行い、水層をクロロホルム（２０ｍＬ）で２回抽出して、有機層を水（２０ｍＬ）で２回洗浄して硫酸ナトリウムで乾燥させた。乾燥剤を濾別した後に、有機溶媒をロータリーエバポレーターにより除去して得られた粗生成物（５．２１ｇ）をクロロホルム：ヘキサン＝１：４を展開溶媒としてシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製した。用いたシリカゲルは４０ｇであった。溶媒を除去して目的化合物である淡黄色オイル（収量：８６２ｍｇ，収率：５３％）を得た。
Ｒ_ｆ ＝ ０．３９． ^１Ｈ ＮＭＲ （４００ ＭＨｚ， ＣＤＣｌ_３）： δ １．２５-１．４４ （ｍ， ８Ｈ， （ＣＨ_２）_４） １．６９ （ｑｕｉｎｔ， Ｊ ＝ ８．０ Ｈｚ， ４Ｈ， ＣＨ_２） １．８８ （ｑｕｉｎｔ， Ｊ ＝ ５．８ Ｈｚ， ４Ｈ， ＣＨ_２）， ２．６９ （ｔ， Ｊ ＝ ５．８ Ｈｚ， ４Ｈ， ＣＨ_２）， ３．４１ （ｔ， Ｊ ＝ ５．８ Ｈｚ， ４Ｈ， ＣＨ_２）．

（第４工程）ＣＢ［６］二量体の合成

３０ｍＬの二口フラスコに窒素雰囲気下で、第１工程で得られたビスイミダゾリニウム塩内包ＣＢ［６］－モノヒドロキシ体（１００ｍｇ，０．０７ｍｍｏｌ）を、ジメチルスルホキシド（７ｍＬ）に溶解させ、１０分間攪拌した後、水素化ナトリウム（５．４２ｍｇ，０．１４ｍｍｏｌ，オイル中含量６０％）を加え、０℃へ冷却した。１５分間攪拌した後、１，２’－ビス（６－ブロモへキシル）ジスルファン（５３．１１ｍｇ，０．１４ｍｍｏｌ）を加え、室温に戻した。１日攪拌した後、得られた白橙色懸濁液を１日静置すると沈殿が析出してきたのでこれを濾過して白色固体の目的物（収量：３９ｍｇ，収率：２５％）を得た。

実施例２
自己組織化単分子膜電極（ＳＡＭ処理済電極）の作製
ポリエチレンナフタレート基板をマスクで覆って金を１００ｎｍ蒸着し、適当なサイズに切断、ＵＶ－オゾン処理を１０分間行った。これを実施例１で合成したＣＢ［６］二量体のメタノール溶液（０．３ｍＭ）に終夜浸漬して、自己組織化単分子膜電極（ＳＡＭ処理済電極）を得た。ＣＢ［６］二量体のメタノール溶液で処理していないものを未処理電極とした。

［ＦＴ－ＩＲの測定］
実施例２で得たＳＡＭ処理済電極のＦＴ－ＩＲ測定を実施した。なお、未処理電極（金電極）及びＣＢ［６］粉末についても測定した。ＳＡＭ処理済電極及び未処理電極は、吸光度で評価し、ＣＢ［６］粉末は、透過率で評価した。結果を図１に示す。これらの結果から電極上にＣＢ［６］誘導体が固定されていることがわかる。

［ＳＡＭ処理済電極の表面のイオン化ポテンシャルの評価（光電子収量分光法）］
実施例２で得られたＳＡＭ処理済電極のイオン化ポテンシャルを光電子収量分光法（ＰＹＳ：住友重機械工業製）によって測定した。サンプルは以下のように作製した。
（１）ＵＶ－Ｏ_３洗浄を１０分間施したインジウム－錫酸化物（ＩＴＯ）基板上に金を１００ｎｍ蒸着した。
（２）ＣＢ［６］誘導体のメタノール溶液（濃度：０．０７質量％）に終夜浸漬した。
（３）比較対象として未修飾の金薄膜１００ｎｍについても評価した。
結果を図２に表す。イオン化ポテンシャルが異なるため、電極上にＣＢ［６］誘導体が固定されていることが予想される。

［接触角測定］
実施例２で得られたＳＡＭ処理済電極及び未処理電極の接触角を測定した。ＳＡＭ処理済電極をメタノールで洗浄し、窒素下で乾燥させた。超純水をＳＡＭ処理済電極に滴下し、接触角を４回測定した。未処理電極についても、ＵＶ／Ｏ_３処理をした上で、メタノールで洗浄し、窒素下で乾燥させ、超純水を未処理電極に滴下し、接触角を４回測定した。結果は、ＳＡＭ処理済電極の接触角の平均は、３０．１°（最大値と最小値との差は１．６°）であり、未処理電極の接触角は、３８．０°（最大値と最小値との差は１．９°）であった。このことから、ＳＡＭ処理済電極と未処理電極とでは、表面状態が明らかに異なることがわかった。
［産業上利用可能性］

本発明の新規な化合物は、無機物に固定化させることにより、特定の化合物を検出するセンサーチップを得ることができることが期待され、産業上利用可能性を有するものである。

Claims (8)

1. 式（１）で表される化合物：
   
   （式中、ｎは５から２０の整数であり、ｍは１から１０の整数である。Ｘ及びＹは独立に酸素、硫黄及びセレンからなる群から選ばれるカルコゲン原子を表し、Ｒは、ＳＨ、ＣＯＯＨ、Ｓｉ（ＯＲ_１）_３、ＰＯ（ＯＨ）_２、ＳＳ－Ｒ_２からなる群から選ばれる置換基を表し、Ｒ_１は炭素数１～５のアルキル基を表し、Ｒ_２はアルキル基、アルケニル基、及びククルビットウリル構造からなる群から選択される有機基を表す。）。
2. 前記化合物は無機材料と相互作用し、自己組織化単分子膜を形成することができる、請求項１に記載の化合物。
3. 式（２）で表される、請求項１に記載の化合物：
   
   （式中、ｎは独立に５から２０の整数であり、ｍは独立に１から１０の整数である。）。
4. 式（３）で表される、請求項１に記載の化合物：
   
   （式中、ｎは独立に５から２０の整数であり、ｍは独立に１から１０の整数である。）。
5. 式（４）で表される、請求項１に記載の化合物：
   
   （式中、ｎは独立に５から２０の整数であり、ｍは独立に１から１０の整数である。）。
6. 式（５）で表される、請求項１に記載の化合物：
   
   （式中、ｎは独立に５から２０の整数であり、ｍは独立に１から１０の整数である。）。
7. 式（６）表される、請求項１に記載の化合物：
   
   （式中、ｎは独立に５から２０の整数であり、ｍは独立に１から１０の整数である。Ｒ_１は炭素数１～５のアルキル基を表す。）。
8. 無機物と、
   前記無機物に固定化させた請求項１に記載の化合物と、
   を含む、センサーチップ。