JPH04173774A - グアニジニウム誘導体の機能薄膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、基質選択性及び検出感度が高いセンサー、基
質の輸送抽出等に使用される担体等としての用途が有望
視されるグアニジニウム誘導体及び該誘導体から製膜さ
れた機能薄膜に関する。

［従来の技術］ 化学物質に応答するセンサーは、化学センサーと呼ばれ
ており、（１）ｐＨセンサーに代表されるイオンセンサ
ー、　（２）ガスセンサー、（３）バイオセンサー等が
ある。イオンセンサーは、被測定液に含まれている化学
物質の濃度をイオン感応膜の膜電位変化として検出する
。ガスセンサーとしては多種多様なものがあるが、たと
えば半導体ガスセンサーは、ガス分子吸着時の電気抵抗
変化を測定し、定電位電解式及びガルバニ電池式のガス
センサーは、電気化学的酸化還元を利用するものである
。これらイオンセンサー及びガスセンサーでは、被検出
物によって感応部の物性が変化し、その変化量を検出シ
グナルとして取り出している。また、測定される対象と
しては、無機分子が多い。

他方、有機分子の検出は、医療検査９発酵９食品工業、
バイオエンジニアリング等の多くの分野で必要とされる
。この検出手段としては、酵素センサー等のバイオセン
サーが使用されている。このバイオセンサーでは、特定
の物質を選択的に認識できる生体物質を利用し、被測定
物質との化学反応に含まれる物質変化を検出シグナルと
して取り出している。

すなわち、従来のバイオセンサーでは、被検出物質と特
異な反応を行う生体物質を選択し、イオンセンサーやガ
スセンサー等で検出可能な酸素。

過酸化水素等の生成物を与えている。そして、イオンセ
ンサー又はガスセンサーとの組合わせによって、多種類
の有機分子の検出が可能となり、また微量測定も可能と
なる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来から使用されているバイオセンサー
では、その機能上から感応部とシグナル発生部が別個に
構成されているため、複雑な構造を持つものとなってい
る。しかも、固定化酵素等を使用するセンサーでは、酵
素の活性が経時的に変化したり、使用温度が酵素の種類
によって定まる生理温度付近に制限される欠点がある。

この点、無機化合物を対象とするイオンセンサーやガス
センサーと同様な感知応答機構を持った有機物センサー
の開発が要求されており、一部では試験的な研究が行わ
れている。たとえば、岡畑等は、Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｐｒ
ｅｐｒｉｎｔｓ、　Ｊａｐａｎ　Ｖｏｌ、３７．　Ｎｏ
、１０ｐ３３０９−３３１１　（１９８８１で、二分子
膜で被覆した水晶発振子及び多孔ポリマー膜を使用し、
二分子膜に各種の水性アルコールを吸着させるとき、そ
れぞれ重量、膜電位、膜抵抗等が変化することを見い出
し、センサーとして使用可能なことを報告している。こ
こでの分子識別は、疎水分子が膜の疎水層に分配される
ことによって行われる。

また、小田嶋等は、脂溶性大環状ポリアミンを含む液膜
な分子認識素子とするカテコール類感応センサー［第３
回生体機能関連化学シンポジウム予講集ｐ１６５−１６
７　（１９８８１］やＡＴＰセンサー［１９８９環太平
洋国際化学会議予稿集第１部ＢＩＯ３０４−４２０（１
９８９１１を報告している。前者では、ホスト−ゲスト
間の水素結合相互作用によるプロトンエジェクション、
後者ではイオン対形成を電位応答のメカニズムと推察し
ている。

ところが、岡畑等が報告したセンサーは、対象とする化
合物が脂溶性のものに限られるという欠点がある。他方
、小田嶋等のセンサーは、応答のｐＨ依存性が大きいと
共に、液膜型であることから、測定できる物性量が電位
変化に限られる。また、利用しているホスト−ゲスト相
互作用が均−溶液系のものであることから、被検出物を
均−溶液系で結合する分子の合成が必要とされる。その
ため、選択性、感度、操作性が低（なる欠点がある。

そこで、本発明は、前述したイオンセンサーやガスセン
サー等のタイプに相当する新規な有機物センサーとして
有用な物質を提供することを目的とする。また、センサ
ーに限らず、基質の輸送や抽出等に使用される担体とし
て使用される新規なグアニジニウム誘導体及び該誘導体
を使用して製膜された機能薄膜を提供することを目的と
する。

［課題を解決するための手段］ 本発明のグアニジニウム誘導体は、その目的を達成する
ために、−綴代 ％式％ で表される構造をもっている。

このグアニジニウム誘導体は、ＬＢ法、キャスト法又は
分散法で製膜すると、分子の自己組織化によりグアニジ
ニウム基が膜表面に向かって配列されて配向組織をもつ
。また、この機能薄膜は、物理的或いは化学的吸着によ
り固体表面に固定化することもできる。

［作用］ 本発明で使用するグアニジニウム誘導体は、次式で表さ
れる構造をもっている。

ここで、Ｒは、炭素数１０〜２２の長鎖アルキル、長鎖
フルオロアルキル基又はその誘導体である。この化合物
を製膜することにより、親木基であるグアニジニウム基
の方向が制御された化合物の薄膜が得られる。

グアニジニウム誘導体は、イオン性の基質と結合するこ
とができるため、生物学的な受容器として重要な作用を
呈することは従来から知られていることである。また、
グアニジニウム基は、約１３．５と高いｐＫａ値をもっ
ているため、広いｐＨ領域で陽イオン性の状態を維持す
ることができる。しかも、アミン部位は水素結合能も備
えている。

このグアニジニウム誘導体に関し、Ｙａｒｕｓ等はＢｉ
ｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、　Ｖｏｌ、２８．　ｐ、９８０
〜９８ｇ　（１９８９）で、Ｌ−アルギニンは、ＧＴＰ
とＴｅｔｒａｈｙｍｅｎａのイントロンとの反応を競合
的に抑制するが、これはアルギニンのもつグアニジニウ
ム基が水素結合能及び陽イオン性によってリボ核酸と特
異的に結合することが原因であると報告している。

また、グアニジニウム基を低分子の人工レセプターとし
て利用する研究も行われている。たとえば、Ｌｅｈｎ等
は、Ｊ、　Ａｍ、　Ｃｈｅｍ、　Ｓｏｃ、、　Ｖｏｌ、
１１１．　ｐ。

４９９４〜４９９５　（１９８９１で、グアニジニウム
基を分子認識部位として有する人工レセプターとして設
計し、それによるカルボン酸、リン酸化合物等の結合を
報告している。ただし、この場合の分子認識は均一溶媒
中で行われており、認識能の効率化はグアニジニウム基
を含む複雑な分子認識部位をもつ化合物を合成すること
によって達成している。

これに対し、本発明では、グアニジニウム基にアルキル
誘導体を導入することによって薄膜を形成し、グアニジ
ニウム基の配向を制御し、その部位を利用し特異な基質
の結合を行っている。しかも、本発明のグアニジニウム
誘導体は、ＬＢ法。

キャスト法５分散法等で製膜することによって、水、水
性溶媒、有機溶媒等の各種の溶媒中で使用され、高密度
及び高感度の選択性を有する機能薄膜となる。　本発明
のグアニジニウム誘導体は、次のように合成される。

先ず、長鎖アルキル臭化物をアジ化ナトリウムによって
アジド化し、次いで水素リチウムアルミニウムと反応さ
せ長鎖アルキルアミン誘導体を合成する。更に、この長
鎖アルキルアミン誘導体に硫酸Ｓ−メチルイソチオ硫酸
を反応させた後、対イオンを硫酸イオンから適当な陰イ
オンに交換する。これによって、グアニジニウム誘導体
が得られる。次式は、その合成過程を示すものである。

Ｃ以下、このページ余白） ＮａＮｓ　　　　　　ＬｉＡｆｆＨ４ Ｒ−Ｂｒ−一→Ｒ−Ｎｚ　　　　　　　　Ｒ−ＮＨ２合
成されたグアニジニウム誘導体は、自己組織性及び会合
性をもっている。たとえば、このグアニジニウム誘導体
を水性の液面に展開するとき、親木基−ＮＨＣ（ＮＨ）
−ＮＨ２が界面に指向して、疎水基Ｒが逆方向に指向し
た配列形態をとる。更に、界面に展開された薄膜を基板
に累積すると、この配向性を維持したＬＢ累積膜が得ら
れる。

また、展開法によらず、アセトン、クロロホルム等の有
機溶媒にグアニジニウム誘導体を溶解したものを、ガラ
ス板等の基板上にキャストし、自然乾燥させるキャスト
法で製膜するときにも、更に適宜の方法によって水に分
散させてリポソームを形成しても、同様な分子の自己組
織化が行われる。

配向したグアニジニウム基は、それのもつ正電荷による
イオン対形成能及びアミン部位がもつ水素結合形成能に
より、基質を選択的に結合する。

たとえば、種々のカルボン酸１　リン酸、ヌクレオチド
等を添加した水性液体を使用して単分子膜を形成すると
き、基質に応じてそれぞれ膜形成挙動が異なる基質選択
性を示す。

このように、本発明のグアニジニウム誘導体におけるグ
アニジニウム基は、イオン対形成に必要な正電荷をもつ
と共に、そのアミン部位が水素結合形成能を併せもって
いる。そのため、このグアニジニウム基とジカルボン酸
或いはＡＴＰ等のヌクレオチドの複数個の官能基とによ
り、多数のイオン対及び水素結合の組合せをもたせるこ
とができる。

この組合せにより、二つの化合物間に生じる相互作用の
強さが変化し、その強度及び基質となる化合物の分子構
造に応じて膜形成時の挙動が変化する。

この性質を利用して、本発明の機能薄膜は、広範な分野
におけるセンサーや担体等として使用される。特に、本
発明のグアニジニウム誘導体は、ＡＴＰをｉｏ−’Ｍ程
度の非常に低濃度でも結合することから、高感度のＡＴ
Ｐセンザーとしての利用が期待される。

４′−オククノキシフェニルアゾ−４−（１０−ブロモ
デカノキシ）ベンゼン２．ＯＯｇ　（３゜６７ｍｍｏｆ
ｆ）及びアジ化ナトリウム０２６２ｇ　（４，０３ｍｍ
ｏｆｆ）をジメチルホルムアミド１０ｍｊ２に溶解し、
８０℃で１７時間加熱撹拌して、アジド化合物（Ｉ）１
．７５ｇを得た。

ＣＨ，１（ＣＨ２）、０−ＣＦＮ＝Ｎ−Ｃ＞Ｏ（ＣＨ２
）＋ａＮｚ・・・・　（Ｉ） 次に、水素化リチウムアルミニウム０．１１２ｇ　（２
，９６ｍｍｏ氾）をテトラヒドロフラン２０ｍ！２に溶
解し、室温で撹拌した。この溶液にテトラヒドロフラン
２０ｒｒｌに溶解した合成化合物（Ｉ）１．５０ｇ　（
２，９６ｍｍｏｆｆ）を加え、１時間加熱還流した。こ
れにより、次式（ＩＩ　）で示すアミン化合物１．２０
ｇが得られた。

ＣＨｆｆｆＣＨ２）７０−Ｃ＞Ｎ＝ｔＪ−Ｃ＞ＯｆＣＩ
−（、）＋ｏＮＨｔ・・・・　（ＩＩ） 化合物（１１）１．ＯＯｇ　（２，０８ｍｍｏｎ）。

硫酸メチルイソチオ尿素０．８６９ｇ　（３，１１ｍｍ
ｏＩ２）及びピリジン２．００ｇ　（２５，３ｍｍ０２
）をジメチルホルムアミド４０ｒｒ＋９に溶解し、８０
℃で２０時間撹拌した。この反応液を室温まで冷却し、
濾過して得られた固体をクロロホルムで十分洗浄した。

得られたオレンジ色の固体をジメチルスルホキシドで３
度再結晶させることにより、目的とする化合物（ＦＩＴ
）０．４３５ｇ得た。このときの収率は、３６．６％で
あった。

・　・　・　・　（ＩＩＩ） 得られた化合物（ｎｌ）の物性は、次の通りである。

・赤外線吸収スペクトル（ＩＲ） ［ＫＢｒ錠斉月　　ｖｃｒｒＶ’ ３３６２．３１４２，２９１８，１６６４，１６３３．
１６００，１５７９，１５００，１４７０．１２４４，
１１４６，１１０６．８３８また、元素分析の結果、Ｃ
：６４．９６％、Ｈ２Ｓ、８１％、Ｎ：　１２．２４％
であり、上記の構造式から求めた計算値Ｃ：６５．００
％、Ｈ：８．８０％、Ｎ：　１２．２３％に実質的に一
致していた。

実施例１に合成で得られた化合物（ＩＩＩ）３００ｍｇ
（０，２６２ｍｍｏＩ２）及びピリジン５０ｍｇ　（０
，６３ｍｍｏｆｆ）をクロロホルム１０ｍｆｉ中で１５
分間撹拌還流させた。この不均一な反応液を冷却した後
、ｐ−トルエンスルホン酸−水和物２５０ｍｇ　（１，
３１ｍｍｏｎ）を固体のまま加え、静かに還流させた。

反応液は、還流時間が経過するにつれて、黄色の不均一
溶液から赤色の均一溶液に変化した。還流を１４時間継
続した後で、反応液を室温に冷却して、数時間放置し、
固体の沈殿を得た。この沈殿物を減圧濾過によって集め
、ベンゼン、クロロホルム及びエタノールで洗浄した。

得られたオレンジ色の固体をクロロホルムで３度再結晶
させ、次式（ＴＶ）の構造をもつ目的化合物を１２５ｍ
ｇ得た。このときの収率は、３４゜３％であった。

門・ ・・・・　（ＩＶ） 得られた化合物（ＩＶ）の物性は、次の通りである。

・融点　２３７〜２４０℃ ・赤外線吸収スペクトル（ＩＲ） ［ＫＢｒ錠剤］　シｃｍ−’ ３１７８．２９２０，１６７７．１６３１，１６００．
１５８０，１４９９，１４７０，１２４６．１１４６，
１１２７，１０３５，１０１１．８４０ ・構造式（ＩＶ　）の元素分析計算値 Ｃ：６５．５８％、Ｈ：８．２６％。

Ｎ：１０．０６％ ・元素分析実測値 Ｃ：５５．５０％、Ｈ：８．２４％。

Ｎ：１０．０５％ このように、グアニジニウム誘導体の対イオンを硫酸イ
オンからｐ−１ルエンスルホン酸イオンに交換すること
により、有機溶媒に対する溶解度が向上する。そのため
、化合物（ｒｖ）の単分子膜は、単一イオン対として水
面上に展開される。

実施例３：亀立玉牒匁Ｕ 実施例＜ＩＶ）で得られたグアニジニウム誘導体（ＩＶ
）５ｍｇを、クロロホルム４ニジメチルスルホキシド１
の混合溶媒１０ｒｒ＋Ｊ２に溶解したものを２０℃に保
持した市販のＬＢ膜製造装置にはった純水面上に２００
ＬＬＩ２展開し、Ｑ、２ｍｍ／秒及び０．４ｍｍ／秒の
速度で圧縮することにより、単分子膜を作製した。

第１図は、このときの純水上における表面圧−分子占有
面積（π−Ａ）曲線を示す。第１図から明らかなように
、純水の表面にグアニジニウム誘導体（ＩＶ　）の安定
な単分子膜が形成されていることが判る。

この単分子膜を圧縮し、その表面圧を２５ｍＮ／ｍの一
定値に保ち、ガラス基板を垂直下方に１１００ｒｎ／分
、垂直上方に２０ｍｍ／分の一定速度で上下に移動させ
、水面上に形成された単分子膜をガラス基板に移し取り
累積させ、ＬＢ累積膜を得た。得られたＬＢ累積膜は、
Ｚ型構造をもっていた。

このＬＢ累積膜のＦＴ−ＩＲ（ＲＡＳ法）スペクトルを
測定したところ、第２図に示すように、Ｃ＝Ｎの吸収ピ
ークが１６９６ｃｍ−’及び１６３４ｃｍ−’にみられ
、ｐ−トルエンスルホン酸のフリル基の吸収ピークが１
１２９ｃｍ”’、］−０３７ｃｍ−’及び１０１４ｃｍ
−’にみられた。このことから、グアニジニウム誘導体
（ＩＶ　）の単分子膜が基板表面に累積されていること
が確認される。

実施例４；莫に・する基　の、士人、主呼　Ｉグアニジ
ニウム誘導体（ＩＶ）を、各種の基質を濃度１．○Ｘ　
１０−”Ｍで含有する水溶液上に展開し、実施例３と同
様に水面上に形成された単分子膜を累積してＬＢ膜を作
製した。基質としては、酢酸、コハク酸、ＡＴＰ、　　
トリポリリン酸すトリウム、リン酸二水素ナトリウムを
使用した。

作製されたＬＢ膜のＦＴ−ＩＲ（ＲＡＳ法）スペクトル
測定の結果から得られたグアニジニウム基の吸収及びｐ
−トルエンスルホン酸のアリル基の吸収を指標とし、グ
アニジニウム誘導体のＬＢ膜に対する基質の結合を定性
的に調べた。第１表は、各基質を含有する水溶液の界面
から基板に単分子膜を移しとって作製したＬＢ膜のＦＴ
−Ｉ　Ｒ（ＲＡＳ法）スペクトル測定の結果を示す。

第１表：基質の結合特性Ｊ 第１表に示したように、たとえば酢酸を含む水溶液上か
ら得られたＬＢ膜は、Ｃ＝Ｎ伸縮振動ピークが１６８０
ｃｍ−’及び１６３３ｃｍ−’付近にあり、またｐ−１
−ルエンスルホン酸のアリル基のピークが１１３０ｃｍ
−’、１０３７ｃｍ−’及び１０１１０ｌ４’にもみら
れた。これは、純水上から得たＬＢ膜と同様の結果を示
していることから、酢酸が膜に結合しておらず、ｐ−ト
ルエンスルホン酸が依然として対イオンの状態で存在し
ていることを示すものである。

他方、コハク酸及びＡＴＰを基質とするとき、Ｃ＝Ｎの
ピークがそれぞれ１６７０ｃｍ−’及び１６７９ｃｍ−
’の単一ピークにシフトしている。また、Ｉ）−トルエ
ンスルホン酸のアリル基の吸収ピークもなくなっている
。そのため、これらの基質は、ｐ−トルエンスルホン酸
と交換して、膜に結合しているものと考えられる。また
、リン酸二水素ナトリウム及びトリポリリン酸ナトリウ
ムに関しても、同様に膜に結合しているものと考えられ
る。

実施例５：　に・する基　のＬｉ４、　評　■実施例４
と同様に調製したＬＢ膜のＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）
測定を行い、膜に結合している基質の量を定量的に評価
した。

リン酸系の基質を溶解した水溶液上から得られたＬＢｌ
ｌｉには、リン（Ｐ）の含有量を指標とし、またｘＰＳ
測定で検出可能な元素が存在しないカルボン酸系の基質
に関しては、膜分子の元の対イオンであるｐ−トルエン
スルホン酸の量［イオウ（Ｓ）のピークから求めること
ができる〕の減少に基づいて、各基質の結合量を調べた
。

測定結果を、第２表に示す。第２表では、膜分子１個あ
たりの基質の割合Ｃ％基基質護膜分子として、基質の含
有量を表している。

第２表二基質の結合特性■ 第２表に示されているように、元の量を１００％とする
とき、純水上から得たＬＢ膜に含まれているｐ−トルエ
ンスルホン酸の量は４７％であった。また、低ｐＨ領域
で酢酸水溶液上から累積されたＬＢ膜では、存在するｐ
−トルエンスルホン酸の量は、純水上から得られたＬＢ
膜の値とほぼ同じであった。

これに対し、コハク酸を含有する水溶液上から得られた
ＬＢｌｌｉでは、元のｐ−トルエンスルホン酸の８％が
含有されているに過ぎなかった。これは、酢酸の結合は
生じないが、コハク酸は、ｐ−トルエンスルホン酸と交
換して結合していることを示す。

また、リン酸二水素ナトリウム、トリポリリン酸ナトリ
ウム及びＡＴＰを基質とする水溶液上から得られたＬＢ
膜には、リンの含有が見られ、ｐ−トルエンスルホン酸
はほとんど検出されなかった。このことから、このＬＢ
膜は、リン酸系基質を結合していることが判る。

実施例６：Ｌ１１度個豆拒 実施例４と同様にして、基質として１０−”Ｍから１０
−’ＭのＡＴＰを含有する水溶液からグアニジニウム誘
導体（ＩＶ　）のＬＢ膜を作製した。得られたＬＢ膜の
ｘＰＳ測定結果を、第３表に示す。

第３表二基質濃度依存性 第３表から明らかなように、膜に対するＡＴＰの結合量
は、水相中のＡＴＰ濃度が１０−’Ｍから１０−’Ｍに
増すことにより、急激に増加していることが判る。また
、１０−’Ｍ以上の濃度では、はぼＡＴＰ結合量は、飽
和している。

実施例７； の　　　亡による　　　　　　　評 実施例３と同様にして、グアニジニウム誘導体（ＩＶ）
を純水上及び基質として１０−”Ｍ−１０−’ＭのＡＴ
Ｐを含有する水溶液上に展開して単分子膜を作製し、表
面電位（Δ■）を次のように測定した。

先ず、先端部にアメリシウム２４１を付けたイオン化空
気電極を作用極として単分子膜上２〜３ｍｍの位置に固
定し、対極には銀−塩化銀参照電極を使用した。そして
、飽和塩化カリウム寒天橋な介し参照電極を水相側に接
続し、両電極間の電位差をエレクトロメータで測定し、
表面電位（Δ■）を求めた。

第３図は、分子占有面積０．３０ｎｍ”　７分子のとき
の表面電位（ΔＶ）をＡＴＰ濃度の対数に対してプロッ
トしたものである。第３図から明らかなように、ＡＴＰ
濃度を１０−”Ｍから１０１Ｍに上げることにより、表
面電位（△■）が急激に減少し、ＡＴＰの結合が生じて
いることが判る。

この結果は、実施例６で説明したｘＰＳの測定結果に良
く対応している。このように、グアニジニウム誘導体の
単分子膜とＡＴＰの相互作用の基質濃度依存性が表面電
位（ΔＶ）によって検出できることから、作製された単
分子膜のＡＴＰセンサーとして用途が期待される。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明のグアニジニウム誘導体
を使用すると、ジカルボン酸、ＡＴＰ等を膜構造内の層
間に分子レベルで規則的に取り込んだリポソーム、ＬＢ
膜、単分子膜、キャスト膜等の薄膜を製造することがで
きる。また、自己組織性をもつ化合物単独或いは分子の
組織化で薄膜上に規則的に配列されたグアニジニウム基
の作用に着目して、各種の物質に対するセンサーとして
使用することができる。そして、グアニジニウム基は広
範囲のｐＨ領域で安定であり、しかも非常に低濃度でも
有機物を結合できることから、高感度の有機物センサー
として有望なものである。

更に、膜内に取り込まれた基質を溶媒抽出、ｐＨ調整、
熱処理等によって解離させることができるため、抽出、
輸送、貯蔵用等の担体としても使用することができる。

このように、本発明のグアニジニウム誘導体及びこの誘
導体から作製された機能薄膜は、広範な分野で使用され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例３で得られた単分子膜の表面圧−分子占
有面積曲線を示したグラフ、第２図は実施例３で得られ
たＬＢ膜のＦＴ−Ｉ　Ｒスペクトルを示し、第３図は実
施例７で得られたＡＴＰ濃度と単分子膜の表面電位との
関係を表したグラフである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）次の一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼ 〔ただし、Ｒは炭素数１０〜２２の長鎖アルキル基、長
   鎖フルオロアルキル基又はそれらの誘導体を示し、ＨＸ
   は酸を示す。〕 で表されるグアニジニウム誘導体。
2. （２）請求項１に記載のグアニジニウム誘導体をＬＢ法
   、キャスト法又は分散法で製膜し、分子の自己組織化に
   よってグアニジニウム基が膜表面に向かって配列されて
   いることを特徴とする機能薄膜。
3. （３）請求項２に記載の機能薄膜を物理的或いは化学的
   吸着により固体表面に固定化したことを特徴とする機能
   薄膜。