Development and application of novel highly-functional packing materials for liquid chromatography using sigma-hole interactions

Research Project

Project/Area Number	23K06090
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 47020:Pharmaceutical analytical chemistry and physicochemistry-related
Research Institution	Mukogawa Women's University
Principal Investigator	萩中淳武庫川女子大学, バイオサイエンス研究所, 教授 (20164759)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Keywords	ハロゲン結合 / 分子認識 / 分析科学 / 薬学 / 高機能充填剤
Outline of Research at the Start	共有結合したハロゲン、カルコゲン、プニクトゲン原子のσ-ホール（σ-hole）と呼ばれる正電荷を帯びた領域（σ-ホール供与体）と陰イオン、孤立電子対、π電子（σ-ホール受容体）との間に働くσ-ホール相互作用（それぞれ、ハロゲン、カルコゲン、プニクトゲン結合）を利用した新規高機能液体クロマトグラフィー（LC）用充填剤の開発と応用に関する研究である。本研究では、ハロゲン結合を利用した新規高機能LC用充填剤を中心に研究を進めるが、カルコゲン結合、プニクトゲン結合を利用した新規高機能LC用充填剤の調製と応用にも拡張可能である。
Outline of Annual Research Achievements	ハロゲン結合を利用した新規高機能LC用充填剤（①ハロゲン結合供与体固定化充填剤、②ハロゲン結合受容体固定化充填剤）をポリマー基材およびシリカ基材を用いて調製する予定であった。昨年度は、ハロゲン結合受容体として4-vinylpyridine (4-VPY)、架橋剤としてethylene glycol dimethacrylate (EDMA) およびdivinylbenzene (DVB）を用いて多段階重合法により、粒子径単分散のポリマーを合成した。また、分子インプリントポリマー (MIP)を調製することにより、ハロゲン結合の働くサイトの数を増加させることを試みた。 4-VPYとEDMAを用いて、鋳型分子としてbisphenol A (BPA)、tetrachlorobisphenol A (TCBPA) およびtetrabromobisphenol A (TBBPA) を用いて、それぞれの分子に対するMIPを調製した。また、鋳型分子を用いないで調製した、ノンインプリントポリマー (NIP) も調製した。さらに、tetraiodobisphenol A (TIBPA) を合成し、MIPおよびNIPでの保持、分子認識の評価に加えた。さらに、Gaussian 16Wを用いて、tert-butyl phenol誘導体をモデル化合物として用いた分子間相互作用の解析の結果、鋳型分子と4-VPYとの間には、水素結合、ハロゲン結合およびπ-π相互作用が働いていることが示唆された。これらの相互作用エネルギーとBPAおよびその誘導体のlog kとの相関は、MIPおよびNIPで良好であり、I原子、Br原子、Cl原子と4-VPYとの間には、ハロゲン結合が働いていることが示唆された。また、MIPを調製することにより、NIPに比しハロゲン結合の働くサイトの数を増加させることが可能であった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 当初の予定では、新規高機能LC用充填剤として、①ハロゲン結合供与体固定化充填剤および②ハロゲン結合受容体固定化充填剤を合成する予定であった。しかし、ハロゲン結合受容体である4-VPYと架橋剤であるEDMAあるいはDVBを用いて合成したポリマーが、ハロゲン結合を利用した新規高機能LC用充填剤として働くことを見出し、そのポリマーのハロゲン結合を利用したLC用充填剤への適用あるいは拡張を試みている。また、ハロゲン結合供与体充填剤とMIPとの組み合わせにより、ハロゲン結合の働くサイトの数を増加させることが可能であることが分かった。また、4-VPYあるいは1-vinylimidazole (1-VIM) とDVBを用いて合成したポリマーも、ハロゲン結合供与体充填剤として働くことを予備実験的に明らかにしている。従来計画した研究とは少し違った方向に進んでいるが、ハロゲン結合を利用した新規高機能LC用充填剤から逸脱する方向ではない。ハロゲン結合を利用した新規高機能LC用充填剤の新たな方向性が見出せるのではないかと思い、研究を継続する予定である。
Strategy for Future Research Activity	ハロゲン結合を利用した新規高機能LC用充填剤の新たな方向性として、ポリマー基材に着目して研究を進める。昨年度は、ハロゲン結合受容体として4-VPY、架橋剤としてEDMA用いて多段階重合法により、粒子径単分散のポリマーを合成した。今後は、ハロゲン結合受容体として、1-VIM、 methacrylic acidを架橋剤として、EDMA、DVBを用いたポリマー（MIPおよびNIP）を調製して、ハロゲン結合供与体と試料との間のハロゲン結合の寄与を明らかにしていきたい。さらに、本研究の当初の目的である、１）ハロゲン結合を利用した新規高機能LC用充填剤（①ハロゲン結合供与体固定化充填剤および②ハロゲン結合受容体固定化充填剤）をポリマー基材およびシリカ基材を用いて調製する、２）ハロゲン結合を利用した新規高機能LC用充填剤の調製の最適化を検討する、３）調製した充填剤を①ハロゲン結合受容体化合物および②ハロゲン結合供与体化合物の高機能分離に適用することを検討する予定である。