結晶場における分子認識とその機構解明

芳香族が縮環した置換シクロペンタジエノンであるフェンサイクロン（Phencyclone）と各種ジエノフィルとの環化付加体のX線解析を行っている際，結晶化の際に用いた溶媒が分子間の隙間に取り込まれる現象を発見した．取り込まれ方に規則性が感じられたため，研究室のゼミで報告したが，興味を示してもらえず，更なる検討を棚上げにしていた．当時は結晶水と同様な捉え方が一般的であったので仕方なかったといえる．ところが，このような現象の系統的研究が戸田等により報告され，お蔵入りしていた知見の再検討を熊大異動後に開始した．その結果，構造と取り込み能，選択性との関連において，以下に述べるような研究成果を得ることができた．

上図はＸ線解析結果の充填モデル図で ある．中心にゲスト分子を取り込んでいる． 本包接体の特徴のひとつとして，従来の水素結合力によるものとは異なり，弱い結合力の集積を挙げることができる．フェナンスレン環の広い平面が大きな役割を果たしていることが分かる．

報告例

Phencyclone Diels-Alder Adducts as a New Crystalline Host. Role of C-H・・・pi and C-H・・・O Interactions

Tetrahedron Lett., 1998, 39(52), 9751-9754. 

Non-hydroxylic Clathrate Hosts of [4+2]p Cycloadducts of Phencyclone and N-Arylmaleimides. Recognition of Aromatic Guests

J. Chem. Soc., Perkin Trans 2 .,2002, 9, 1611-1619.

Schmes & Figures (X-ray analysis)

Phencycloneとp-bromostyreneとのDiels-Alder 付加体がベンゼンおよびアルコールを包接している様子．

下図は，Phencyclone付加体における機能性発見の端緒になった環化付加化合物の結晶パッキングの様子である．

p-Xyleneを包接するホスト分子

次例は， phencycloneとN-(m-methylphenyl)maleimideとのDiels-Alder付加体がホストであり，分子間相互作用に水素結合力を必要としないモデルの例である．

ケトンを包接するホスト

上記のDA付加体にカルボン酸を導入するとアルコールやケトンのような極性分子を包接する．

ジオキサンを包接するホスト

相互作用の詳細，水素結合，C-H--O弱水素結合，bidentate型C-H--O弱水素結合，edge-to-face結合等

Carboxylic-acid clathrate hosts of Diels-Alder adducts of phencyclone and 2-alkenoic acids. Role of bidentate C-H--O hydrogen bonds between the phenanthrene and carbonyl groups in host-host network

Organic & Biomolecular Chemistry, 2003, 1(7), 1240-1249 (Formerly Perkin Transactions 1 and 2). 

CH--O, CH--pi, Edge-to-Face等の弱い相互作用と役割

PhencycloneとS-Allyl S-Mehtyl DithiocarbonateとのDiels-Alder付加体の結晶構造中に見られる種々の弱結合，Edge-to-Faceはフェナンスレン環と隣接する分子のフェニル基との間に見ることができる．

Edge-to-Face相互作用によってホスト分のフェナンスレン環が歪んでいる様子

この種のホスト分子以外にも同様な抱接機能を有する化合物を見出すことができた．一例として回転異性体合成の反応基質である 1-aroyl-2-hydroxy-3,3-dimethylindolineを挙げることができる．また，4-hydroxycyclopentenoneはジアミン類を選択的に取り込み結晶化する．詳細はそれぞれの項で紹介した．

本研究に携わった方々

瀬戸口 浩二-6，原田 明子-7，杉山 英里-8，菊池 麻子-9，三坂 淳一-9，山崎 雅俊-13，斉藤 愛-10，前原 理恵-11，川路 智宏-11，前原 理恵-11，安部 正樹-12，宮越 辰則-15，三浦 智博，水上 亮，福松 香織，

その後の進展

これまでの化学的考察に加え，分子軌道論的考察を行い，半経験的手法によって複雑な分子間弱結合の集積状態が再現できることが判明した．平成２５年，安部正樹君はこれらの知見をまとめて博士号の申請を行い受理された．以下に熊本大学学術リポジトリに公開されている博士論文（PDF版）を掲載した．

主論文

学位論文名「クラスレート形成能を有する Cyclopentadienone 環化付加体の分子設計と 結晶構造に関する研究—結晶格子包接における CH/O および CH/! 相互作用の役割—」 1冊

1) Non-hydroxylic Clathrate Hosts of [4+2]! Cycloadducts of Phencyclone and N-Arylmaleimides. Recognition of Aromatic Guests

(フェンサイクロンと N-アリルマレイミドとの [4 + 2]! 環化付加から得られた非水酸基 クラスレートホストによる芳香族ゲストの認識)

J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 1161–1169 (2002). 吉武康之，三坂淳一，瀬戸口浩二，安部正樹，川路智浩，衞藤仁，原野一誠

2) Carboxylic-acid clathrate hosts of Diels–Alder adducts of phencyclone and 2-alkenoic acids. Role of bidentate C–H•••O hydrogen bonds between the phenanthrene and carbonyl groups in host-host network

(フェンサイクロンと 2-アルケン酸との Diels–Alder 反応より得られたカルボン酸を有する クラスレートホスト.フェナンスレン環とカルボニル基の間に働く二座の CH/O 水素結合 がホスト間ネットワーク形成に果たす役割)

Org. Biomol. Chem., 1, 1240–1249 (2003). 吉武康之，三坂淳一，安部正樹， 山﨑雅俊，衞藤仁，原野一誠

3) Clathrate formation of Diels–Alder adduct of phencyclone and acenaphthylene. Key role of CH/! and bidentate CH/O interactions of the phenanthrene ring in construction of host framework.

(フェンサイクロンとアセナフチレンとの Diels–Alder 付加体のクラスレート形成.フェナ ンスレン環による CH/! 相互作用や二座の CH/O 水素結合がホスト格子形成に果たす重要 な役割)

Tetrahedron, 68, 3566–3576 (2012).

安部正樹, 衞藤仁，山口幸輝，山﨑雅俊，三坂淳一，吉武康之，大塚雅巳，原野一誠

資料

Royal Society of Chemistry / 英国王立化学会の Org. Biomol. Chem., 2003, 1, 1240–1249に掲載された詳報の図表