フェニル基のパラ位に電子求引基としてCF3 を導入すると、フェニル基側のN上の電子が求引され、Hの電荷密度がさらに低下します。その結果、導入する前の会合定数は、4300であったのに対して、導入後は11300と約３倍に増加しました。

一方、フェニル基のパラ位に電子供与基としてOMeを導入した場合、フェニル基側のNに向けて電子が押し出され、Hの電荷密度は増えます。これはプロトンとしての解離が抑制されることを意味します。その結果、導入する前の会合定数は、4300であったのに対して、導入後は3300と減少しました。

フェニル基のパラ位に電子求引基としてCF3 を導入した場合、ESPTの速度定数は減少しました（置換前；12×107 s−1 、置換後；4.5×107 s−1 ）。ESPTの結果生じる互変異性体(T*)は、アントラセン環にN上の電荷が押し出されたような電子構造をとり、弱い電荷移動性を持っていると推測されます。しかし、フェニル基側のCF3 は、アントラセン環への電荷移動を抑制すると考えられます。その結果、T*の生成が遅くなると考えられます。

一方、OMeを置換した場合、ESPTの速度定数は増加しました（置換前；12×107 s−1 、置換後；970×107 s−1 ）。OMeはアントラセン環へ電子を押し出しますので、N-Hとアントラセン環が関与した電荷移動状態は安定化します。その結果、ESPTの速度定数が増加したと考えられます。

7CUのESPT反応は、カルボニル基からクマリン環への電荷移動によって生じます。しかし、フェニル基に電子求引基のCF3がある場合、ESPT反応を阻害すると考えられます。この阻害の度合いは、フェニル基上のCF3の置換位置が重要な役割を果たします。

実際、m-CF3-7CUとp-CF3-7CUを比較すると、p-CF3-7CUの方がESPT反応が遅くなっています。これは、パラ位のほうが電子求引性がより強く働くためであると推測されます。

一方、m-CF3-7CUとo-CF3-7CUではオルト位のほうが明らかに大きくESPT反応を阻害しています。これは、オルト位のCF3は、他の置換位置に比べてウレア基に近く、誘起効果がより強く作用しているためであると考えられます。

ESPT反応によって生じる互変異性体の蛍光強度は、ESPT反応速度が最も小さいにも関わらずo-CF3-7CUが最大となりました。そこで、互変異性体の蛍光量子収率から、ESPT反応を起こさないときの蛍光量子収率(Φ0T)を求めてみました。ΦFはアセテート添加前の蛍光量子収率です。

計算の結果、o-CF3-7CUのΦ0Tは、他のものに比べて、１桁近く大きくなりました。特にm-CF3-7CUのkrTは、他に比べて小さくなり、互変異性体の蛍光状態を反映しているものと考えられます。それに比べてo-CF3-7CUの互変異性体の蛍光状態は蛍光発光に有利であることが示されました。これは、o-CF3-7CUの場合、CF3のFが、N-HのHと分子内で水素結合を生じることができることが、関係しているかもしれません。

つぎに、フルオランテン―ウレア化合物(3FU)にDBUを添加すると、溶液は赤くなり、長波長側に新しい吸収帯が生じていることが分かりました（Okada, M and Nishimura, Y., New J. Chem. 2022, 46, 1741-1750）。

新しい吸収帯を選択的に励起すると、T*によく似た蛍光スペクトルが観測され、アセテート添加の時に観測されたスペクトルと一致しました。アセテート添加時の蛍光スペクトルは、引き算によってT*のみを取り出したものです。

この結果から、T*の蛍光状態はアニオン型であると言えます。

このようにして蛍光スペクトルを用いた考察から、T*の電子状態についての結論が得られたわけですが、新たな疑問が生じました。T*の生成には溶媒の影響が強く表れるという実験結果があり、単純にアニオン型をT*の電子状態とすることでは、溶媒効果を説明することができません。

また、3FUにアセテートを添加した場合には、T*がN*に戻る反応（逆ESPT反応）が観測されたのに対して、DBUを添加した時に表れる長波長側の吸収帯を励起しても、N*の蛍光スペクトルは観測されませんでした。このことから、DBU添加の時に生成する蛍光スペクトルは、T*の蛍光スペクトルと一致してはいるものの、それはN*を生じることはないことを示しています。つまり、ESPTによってN*から生じたT*と、アニオンを励起して生じた蛍光状態は完全に同一ではなく、単に蛍光スペクトルが一致しているだけであるとも解釈できます。ただ、アニオンを励起した時に生成する蛍光状態は、T*にかなり近いものであるとは言えます。溶媒として使っているDMSOが何らかの働きをしていると、現時点では推測しており、T*生成に関する溶媒効果の実験をすすめています。

CF3-1PUPのイオン液体中での蛍光スペクトルは、赤い実線で示されているように、N*蛍光強度の1/4ほどである。これにDMSOを添加することによってT*の蛍光強度はN*の約1/2まで増加した。蛍光寿命測定による速度論的な解析の結果、ESPT反応速度定数kPTはDMSOの添加とともに増大する一方、逆ESPT反応速度定数k-PTはほとんど変化しなかったことから、T*の蛍光強度の増加は、その生成量の増加に起因することを明らかにした。

また、DMSOの添加してもT*の蛍光極大波長は変化しなかったことから、T*の発光状態にDMSOは影響を与えてはおらず、むしろT*生成に対してイオン液体の媒体としての側面が大きな影響を与えていると考えられる。

N*からT*を生成する過程は、N-HからHがプロトンして解離する過程を含んでいる。そして分子内プロトン移動反応に比べて、分子間プロトン移動はHの移動距離は長いことから、溶媒とCF3-1PUPとの水素結合は溶媒の再配向を通じてESPT反応速度に影響を与えていると考えられる。実際、DMSOは均一溶媒にあるのに対して、イオン液体であるEMIMAcは不均一構造を持っていることから、溶媒の再配向に関してもDMSOとは異なると推測される。このようなイオン液体の特異性が影響を与えていると結論された。

N*に対するT*の蛍光強度はDMSO中が最大となり、また蛍光寿命測定の結果からESPT反応速度定数もDMSO中で最大となった。ただ、DMFも水素結合受容能がDMSOと同程度であり、DMFもDMSOと同じようにウレア化合物と強く水素結合していると考えられる。そこで、この水素結合を阻害する効果のあるβ-シクロデキストリンを添加した実験を行った。その結果、DMF中ではβ-シクロデキストリン濃度とともにT*蛍光強度は大きく減少するが、DMSO中ではそれほどは減少しなかった。これは、DMSOとウレア化合物の特異的な水素結合の存在を裏付けている。

一方、DMSO中でT*が最も安定な構造を取る場合、逆ESPT反応速度定数はもっとも遅くなると予想される。しかし、DMSO中で一番大きくなったことから、単にエネルギーレベルだけを考慮しても説明することはできなかった。そこで、DMSOの持っている電子供与能に着目して、逆ESPT反応における電子の流れを考えた。T*からN*へ戻るときには、DMSOからのフェニル基への電荷移動が逆ESPT反応を促進していると推測した。

また、DMF中ではDMSO中とは異なり、逆ESPT反応が非常に遅いため観測されなかった。これは、T*に対するDMFの特異な水素結合相互作用が影響していることが考えられ、詳細は検討中である。

フェニル基のパラ位にハロゲンを含む置換基を導入した化合物を合成しました。

R = H (1PUA), CF3 (CF3-1PUA), F (F-1PUA), Cl (Cl-1PUA). 

置換基としてCF3をもつ誘導体CF3-1PUAのT*が、N*に対する蛍光強度は最も大きくなりました。一方、白色に近い蛍光色を持つ誘導体は、F-1PUAでした。

蛍光寿命測定によって求めたESPT反応に関する速度定数を示します。kPTにはほとんど置換基依存性は見られませんが、逆ESPT反応k−PT では著しい置換基依存性がありました。電子求引性の置換基を持つCF3-1PUAでは、k−PTの値は無置換のPUAよりも小さくなりましたが、ハロゲンを持つ誘導体では、大きくなりました。これは、電子求引基CF3がアントラセン環からアセテートへの電荷移動を妨げていることを意味します。つまり、アセテートよりもCF3への電荷移動が優先されているということです。一方、ハロゲンは電子供与性を持つために、アントラセン環からアセテートへの電荷移動を促進していると考えられます。

ここで、FとClを比較してみます。会合定数の比較から、基底状態における置換基の電子求引性の大きさは、CF3-1PUA > Cl-1PUA > F-1PUAである推測されます(Ka = 4700, 2300, 1600 M−1)。ここで興味深い点は、無置換の1PUAとF-1PUAの会合定数がほぼ同じ値(1400 M−1)になることです。Fは2p 軌道に不対電子を持っており、これはフェニル基のπ電子と反発します(+Iπ effect)。その結果、Fの電子求引性(-I effect)は弱まるため、このような順序になったと説明されます。

これに対して励起状態においては、結合距離が伸びますので、基底状態とは異なる影響が出てくると予想されます。しかし、Fについては+Iπ effectは-I effectよりも優勢であり、その電子供与性には変化はないと考えられます。また、Clについては詳細はまだわかってはいませんが、3p 軌道の電子が影響して、電子供与性が強まっている可能性があります。

そこで、π共役のあるビフェニル基とナフチル基を持つ化合物2BpUAと2NpUA、そしてπ共役が切れているベンジル基持つ2BnUA、さらにπ共役がないシクロヘキシル基を持つ2CyUAを合成しました。

π共役のある2BpUAと2NpUAでは２つのN-Hプロトンは9 ppmくらいに現れましたが、π共役がない2BnUAとCyUAでは、２つの信号は離れており、芳香族性と脂肪族性の影響を受けていることがわかります。

アセテート添加に伴う吸収スペクトルの変化には、390 - 450 nmではほとんど差が現れていませんでした。この吸収帯はアントラセン環とウレア基との電荷移動に由来するものであり、いずれの化合物においても、長波長シフトが観測されました。また、2PUA, 2BpUA, 2NpUAでは、300 - 350 nmにも変化が現れており、それぞれ、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基に近接するN-Hとの相互作用を示しています。

いずれの化合物においても、アセテート添加とともに、450 nm付近の蛍光スペクトルの強度は減少し、それに伴って600 nm付近の蛍光強度が増加しました。これは、ESPT反応が起こっていることを示しています。ただし、N*とT*の蛍光極大波長には、ほとんど置換基依存性が見られませんでした。

N*の蛍光減衰曲線には、π共役の有無により、明確な違いが現れました。2NpUAでは２成分の指数関数による減衰曲線(a, b)となるのに対して、2CyUAでは１成分の減衰曲線(c, d)になりました。これは、2NpUAでは、T*からN*への戻りがあるのに対して、2CyUAでは戻りがないことに起因していると考えられます。また、T*の蛍光減衰曲線には、2NpUAの場合、T*に由来する立ち上がりが見られませんでした。これは、N*蛍光スペクトルが630 nmまで延びていること、T*の蛍光強度が非常に小さいことに起因しています。

時間分解スペクトルから、すべての化合物において、励起状態でT*蛍光が時間とともに増加していることがわかります。2NpUAの630 nmにおける蛍光減衰曲線には立ち上がりは観測されませんでしたが、この測定によってT*の立ち上がりが確認されました。

ESPTに関係する速度定数を求めたところ、π共役の広がりとともに、ESPT反応速度定数kPTが増えていることがわかります。その一方で、N*とT*の平衡定数KPT はほぼ２０くらいで一定になっています。これは、N*とT*のエネルギー準位が置換基に寄らずほぼ一定であることを意味しています。2BnUAと2CyUAには戻りがないため、断定はできませんが、やはり一定である可能性はあります。

N*とT*のエネルギー準位について考察します。まずNについて考えてみると、吸収スペクトルに置換基依存性がなかったことから、NとN*のエネルギー差にも置換基依存性がないことがわかります。これは、ウレア基がπ共役を切断することを反映しています。したがって、Nのエネルギー準位にも置換基依存性はほぼないと予想されます。また、基底状態のTは電荷が芳香環に局在化したアニオン構造を取っていることを明らかにしています。つまり、Tのエネルギー準位も置換基の影響を受けにくいと推測されます。このように基底状態のNとTのエネルギー準位には置換基依存性がないこと、蛍光スペクトルのN*とT*の蛍光極大波長にも置換基依存性がほぼないことを考慮すると、N*とT*のエネルギー差ΔG はそれほど大きくはないとことが期待されます。これは、速度定数から求めた励起状態の平衡定数KPT がほぼ２０程度で一定であることと矛盾しません。

以上のことから、π共役が伸びるにつれて、kPTが増加する原因は、ESPT反応における活性化エネルギーがπ共役の拡張に伴って減少することにあると推測されます。

また、2BnUAと2CyUAのKPTも２０であると仮定すると、戻りの速度定数は0.01 × 107 s−1, 程度と求まります。この値はπ共役のある化合物に比べて2桁も小さいことから、逆反応が非常に遅いために、逆反応が観測されなかったと考えられます。

DFT計算を使って、２つのN-HのpKa*を求めました。π共役が拡張するにしたがってpKa*は減少してプロトン解離しやすくなり、それに伴ってkPTは増加しています。つまり、π共役広がりとpKa*の関係を、ESPT反応を使って明らかにしたことになります。

ESPT反応機構を考えると、左図のようになります。a)π共役がある場合、ESPT反応によって生成するT*の電荷移動状態は、明確にウレア基まで伸びていると予想されます。一方、b)π共役がない場合には、アントラセン環に局在化した電荷移動状態をT*が取ることになります。

測定に用いたフルオレセインーウレア化合物とプロトンアクセプター（アセテートとフォスフェート）。

CF3-3FUにb)アセテートあるいc)フォスフェートを添加した1H NMRスペクトルは、1H NMRとの水素結合はアセテートの方が強いことを示しました。なぜならば、アセテート添加時の方が大きく低磁場シフトをしているためです。

プロトンアクセプター添加時の蛍光スペクトルから、N*に対するT*の相対蛍光強度は、フォスフェート添加時にくらべてアセテート添加時のほうが大きいことがわかった。これは、蛍光寿命測定によって求められた速度定数から、T*の蛍光量子収率の違いではなく、T*のポピュレーションがアセテート添加時のほうが大きいためであると推察されます。

アセテート添加時とフォスフェート添加時の時間分解蛍光スペクトルを測定した結果、a)アセテート添加時では蛍光極大波長は時間の経過に伴った変化しなかった。しかし、b)フォスフェート添加時のものは、時間とともに長波長側にシフトした。これは、T*の電子状態にプロトンアクセプターが影響を与えているためであり、会合定数や1H NMRスペクトルに現れているように、ウレア基との水素結合相互作用の違いに起因していると考えられる。しかし、最終的なT*の安定構造には大きな違いはなく、ESPT反応に伴うN*からT*への電子分布の変化にプロトンアクセプターが影響を与えている可能性を示唆している。これはつぎの考察と矛盾していない。すわなち、N*に対するT*の相対蛍光強度がアセテート添加時のほうが大きい原因として、T*の輻射速度定数にはプロトンアクセプター依存性はなく、T*のポピュレーションに起因することが速度定数から推察されている。