| 研究課題/領域番号 |
17K05910
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
石原 浩二 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20168248)
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| 研究分担者 |
稲毛 正彦 愛知教育大学, 教育学部, 教授 (20176407)
菅谷 知明 千葉工業大学, 工学部, 助教 (30633367)
高木 秀夫 名古屋大学, 物質科学国際研究センター, 准教授 (70242807)
岩月 聡史 甲南大学, 理工学部, 教授 (80373033)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ボロン酸 / グルコース / ジボロン酸 / ボロン酸金属錯体 |
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| 研究実績の概要 |
フェニルボロン酸は、これまでに合成されている多くのボロン酸型糖センサーの基本骨格であるため、フェニルボロン酸とD-グルコースの反応は、ボロン酸型糖センサーによるD－グルコースのセンシングメカニズムの解明のために最優先で取り上げるべきモデル反応である。しかし、D-グルコースは他の糖と比べボロン酸に対する反応性が低く、反応に伴う吸収スペクトル変化が小さく、また生成物が複数生成すると報告されているため、反応機構はかなり複雑で解明が困難であると予想される。一方、グルコースの5種類の異性体のうち、α―D-グルコフラノースはボロン酸と反応し得るジオール部位を二カ所持つため、ジボロン酸によるα―D-グルコフラノースの選択的なセンシングが可能である。本年度は、(1) フェニルボロン酸とグルコースの反応における反応活性種の特定と反応機構の解明、(2) リンカーとしてアントラセンを有するジボロン酸によるD-グルコースのセンシングのメカニズムの解明を試みた。その結果、現在次のようなことが明らかになっている。
(1)1H NMR、11B NMR、および19F NMRの測定の結果、生成物が少なくとも４種類存在することが分かった。分光光度法による速度論的測定と詳しい解析の結果、三配位ボロン酸と四配位のボロン酸イオンの両方がD-グルコースをセンシングしていることが分かった。
(2)ジボロン酸とD-グルコースの反応の分光光度法による速度論的測定結果と1H NMRによる経時変化の測定結果より、ジボロン酸中の二つのボロン酸部位のうち一方のボロン酸部位とD-グルコースとの最初の反応が律速で、もう一方のボロン酸部位との反応は速い反応であることが分かった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
(1)フェニルボロン酸とD-グルコースの反応前後の1H NMRおよび11B NMRの測定や、4-フルオロフェニルボロン酸とD-グルコースとの反応前後の19F NMRを測定により、生成物は少なくとも4種類あることがわかった。糖濃度大過剰の条件でフェニルボロン酸とD-グルコースの反応の速度論的測定を吸光光度法により行ったところ、反応は一次反応で後続反応は観察されなかった。したがって、４種類以上の生成物がほぼ同じ速さで生成しているか、または主に主生成物の生成だけが観察されていると考えられる。一方、反応は緩衝剤の濃度ともに増加することが分かった。そこで、生成物が一種類であるとし、また緩衝剤による加速効果も考慮し、実験データの詳細な解析を行った。その結果、D-グルコースに対して三配位ボロン酸と四配位のボロン酸イオンの両方が反応活性であることが分かった。しかし、解析結果と実験データとの間には若干のズレが生じた。このことは、吸光光度法により二種類以上の主生成物の生成が同時に観察されていることを示唆する。
(2)二つのビピリジルボロン酸の窒素をアントラセンのリンカーで架橋したジ(ピリジルボロン酸)は、D-グルコースに対し選択的に反応すると報告されている。本研究ではこのジボロン酸とD-グルコースとの反応のメカニズムの解明を試みた。糖濃度が大過剰の条件で、反応に伴う吸光度の経時変化を測定したところ、反応は一次で後続反応はなかった。糖濃度が小過剰の条件で反応に伴う1H NMRの経時変化を測定した結果、ジボロン酸とD-グルコースの反応は1：1で、律速段階はボロン酸部位とD-グルコース分子中の一方のジオール部位との最初の反応であり、もう一方のジオール部位との反応は速いことが分かった。また、ボロン酸と緩衝剤およびボロン酸と糖の外圏錯体の存在が示唆された。
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| 今後の研究の推進方策 |
(1)フェニルボロン酸とD-グルコースの反応の生成物は、11F NMRの結果４種類以上あることがわかったが、スペクトルの重なりのためそれらの生成比は得られていない。今後、5種類のD-グルコースの異性体の何れとの反応結果なのか、また、反応前の異性体の存在比と生成物の比は一致するのか等を詳細に検討する。更に、吸光光度法とNMR法では濃度条件や測定の時間スケールがかなり異なるため、両方法で観測している生成物の種類や比が同じか否かを検討する。以上の検討により、吸光光度法による生成物の種類と組成を特定した後、速度論的データを再解析し、詳細な反応機構を構築する。
(2)ジ(ピリジルボロン酸)のpKaはpKa1 = 3.7、pKa2 = 4.7であるため、二つのボロン酸部位が３配位¬－３配位、３配位¬－４配位、４配位¬－４配位の３種類の化学種が存在し得る。これらのうちの何れの化学種が反応活性であるのかを反応速度のpH依存性やNMRスペクトルのpH依存性等により特定し、詳細な反応機構を解明する。また、ジ(ピリジルボロン酸)とD-フルクトースやD-ソルビトールとの反応のメカニズムの解明を行う。
(3)D-グルコースの二カ所の反応部位と特異的に反応すると予想されるビピリジンジ(N-Me-ピリジルボロン酸)配位子、フェニルピリジンジ(N-Me-ピリジルボロン酸)配位子、アゾジボロン酸配位子の合成を試みる。また、それらを配位子とするイリジウム(Ⅲ)、ルテニウム(Ⅱ)、および白金(Ⅱ)錯体の合成とキャラクタリゼーションを試みる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
測定機器使用料が予定より少なかったため。測定機器使用料および消耗品費として使用予定。
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