Catch Key Points of a Paper ~0192~

論文のタイトル: Dimethyl Cyclohexanone-2,6-Dicarboxylate（ジメチル シクロヘキサノン-2,6-ジカルボキシレートの合成法）

著者: S. N. Balasubrahmanyam and M. Balasubramanian

雑誌名: Organic Syntheses

巻: Volume49, 56

出版年: 1969

DOI: https://doi.org/10.15227/orgsyn.049.0056

背景

1: 研究背景

シクロヘキサノン誘導体の合成は有機合成化学において重要

既存の合成法は主に2つの方法が知られている

ジメチルアセトンジカルボキシレートのアルキル化

シクロヘキサノンのカルボキシル化

活性メチレン化合物のカルボキシル化の新しい一般的手法が必要

2: 合成法の特徴

マグネシウムエノレートを利用した合成法

キレート効果による安定化が特徴

隣接するカルボキシレートアニオンとの相互作用

高い選択性と効率性を実現

方法

1: 合成の主要工程

マグネシウムリボンとメタノールの反応

ジメチルホルムアミド中での二酸化炭素の導入

シクロヘキサノンの添加と反応

塩化水素処理による最終生成物の取得

2: 重要な実験条件

反応は窒素雰囲気下で実施

温度管理が重要（0-55℃の範囲）

溶媒の純度管理が必須

反応時間の厳密な制御が必要

結果

1: 合成の結果

白色針状結晶として単離

融点: 128-132℃

収率: 44-45%（19.3-19.7 g）

追加の粗生成物: 2.2-2.5 g（m.p. 122-128℃）

2: 生成物の特性

分子量: 214（質量分析より）

UV吸収: 255 mμ（エタノール中）

IR吸収: 1750, 1712, 1675, 1610 cm⁻¹

cis体とtrans体の混合物として得られる

考察

1: 合成法の利点

活性メチレン化合物の一般的カルボキシル化法として有用

ケトン、ニトロ基、アミド基で活性化された化合物に適用可能

反応条件が穏やか

スケールアップが可能

2: 課題と制限

シクロペンタノンでは純粋なケトジエステルが得られない

原料と試薬の比率が重要（1:8が最適）

異性体混合物として得られる

結論

新規カルボキシル化法の確立

中程度の収率で目的物を取得

様々な活性メチレン化合物に適用可能

将来の展望

工業的応用

Catch Key Points of a Paper ~0191~

論文のタイトル: Intramolecular Triplet Diffusion Facilitates Triplet Dissociation in a Pentacene Hexamer（ペンタセン6量体における分子内三重項拡散による三重項解離の促進）

著者: Phillip M. Greißel+, Dominik Thiel+, Henrik Gotfredsen+, Lan Chen, Marcel Krug, Ilias Papadopoulos, Mark Miskolzie, Tomás Torres, Timothy Clark, Mogens Brøndsted Nielsen, Rik R. Tykwinski,* and Dirk M. Guldi*

雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 

巻: Volume63, Issue8, e202315064

出版年: 2024

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202315064

背景

1: 太陽エネルギー変換におけるシングレットフィッション

太陽エネルギー変換は、熱化などの固有の損失プロセスにより効率が制限

従来の単接合太陽電池では、損失により全体の効率は詳細釣り合い限界と呼ばれる約33％の上限に制限

これらの損失を最小限に抑え、太陽電池の効率を高めることが強く求められている

高エネルギー光子のダウンコンバージョンは、エネルギー損失を削減する方法の1つ

分子レベルでは、MEGの対応するアナログはシングレットフィッション（SF）として知られている

2: シングレットフィッションの概要

SFは、1つの発色団の1つの励起一重項状態（S₁）を、2つの発色団にまたがる2つの独立した励起三重項状態（T₁ + T₁）に変換するプロセスを伴う

原理的には、SFは光電流生成の倍増が可能

SFは太陽エネルギー利用に大きな可能性を提供し、太陽光発電にSF材料を実装することで、従来のシリコンベースの太陽電池の現在の限界を克服できる可能性がある

3: シングレットフィッションの課題

分子内SF（i-SF）に依存する材料はデバイスへの統合が容易であるが、効率的な三重項-三重項消滅（TTA）に悩まされる。

その結果、長寿命の励起三重項状態を生成することができず、半導体への効率的な電荷キャリア注入が損なわれる。

励起三重項状態の寿命を延ばすために、電子結合を調整することでTTAによる損失を減らすことができる。

方法

1: 研究デザイン

本研究では、分子内シングレットフィッション（i-SF）における相関三重項対1（T₁T₁）の迅速な形成と、自由三重項T₁ + T₁への効率的な分離という課題を克服するための分子システムHexPncを提示

HexPncは、中心のC₃対称サブフタロシアニン（SubPc）コアに結合した3つのペンタセン二量体を組み合わせた樹状構造

各ペンタセン二量体には、高速i-SFを実現し、1（T₁T₁）を効率的に形成するための好ましいペンタセン配置を確保するために、メタフェニレンスペーサーが含まれる

2: 分光学的参照化合物

HexPncの光物理を理解するために、その挙動をDiPncの挙動と対比

DiPncは、赤道位置でSubPcに結合した単一のメタフェニレンペンタセン二量体に制限されており、したがって、対の両方の三重項が二量体に閉じ込められているため、1（T₁T₁）の空間的分離を促進することは不可能

SubPcは、DiPncにおいて分子内フェルスター共鳴エネルギー移動（i-FRET）を介してi-SFのための効率的な集光アンテナおよび増感剤として機能する

すべての証拠は、SubPcがHexPncでも同様の方法で動作し、SubPc吸収とその後のペンタセン二量体へのエネルギー移動を通じてi-SF応答を強化していることを示している

3: 実験手法

HexPncにおける三重項生成と失活を解明するために、超高速過渡吸収分光法、速度論モデリング、および量子化学計算を用いた。

量子化学計算は、HexPncの非対称立体配座体の光物理的関与を支持

この立体配座体では、2つのペンタセン二量体部分が分子内クラスターを形成するために相互作用し、3番目のペンタセン二量体は孤立

4: 計算手法

HexPncは、拡張システムにおける三重項拡散のi-SF性能への影響、特に1（T₁T₁）の経路を確立するための合成モデルシステムを構成

これらの発見は、i-SF三重項ダイナミクスの理解を実用アプリケーションにおけるi-SF材料の実装の前提条件である凝縮状態（固体、フィルムなど）における三重項拡散の促進という最終目標と関連付く

結果

1: 定常状態分光法

トルエンとベンゾニトリルの両方で定常状態吸収実験を実施

どちらの溶媒でも、DiPncの吸収スペクトルは、個々の成分のほぼ線形重ね合わせ

HexPncの吸収の特徴は、DiPncの吸収の特徴とは対照的で、アセチレン-π-リンカー-アセチレン部分を採用した溶液中のペンタセン誘導体の特徴である吸収の振動微細構造を反映していない

代わりに、HexPncの吸収スペクトルは、ドロップキャストされた6-13-ビス（トリイソブチルシリルエチニル）ペンタセン（TIBS-Pnc）のフィルムの特徴を強く反映している

2: HexPncの基底状態相互作用

HexPncの振動微細構造は、TIBS-Pnc2と比較して解像度が低く、0–0 *バンドに対するペンタセン中心の0–1 *遷移の振動子強度が大きく（H型凝集の特徴）、広がって見える

SubPc部分からの寄与はほとんど見分けられない

全体として、強い基底状態相互作用が存在することが推測され、これらの特徴が濃度非依存性であることを考えると、分子内ペンタセンスタッキングに由来すると推測される

3: 励起三重項状態ダイナミクス

フェムト秒過渡吸収（fsTA）実験を最初に実施して、ペンタセン関連のダイナミクス、つまり、三重項進化のダイナミクスを含むi-SFの初期段階を明らかにした

DiPncとHexPncのダイナミクスは、一見すると非常に似ている

どちらの溶媒でも、ペンタセンの最初の励起一重項状態（S₁）に特徴的な性質がすぐに現れる

これらのスペクトル特性には、可視領域の約450 nmと590 nmでの励起状態吸収（ESA）と、600〜700 nmの範囲での基底状態ブリーチング（GSB）が含まれる

考察

1: 三重項生成における励起波長の影響

HexPncでは、ペンタセン吸収の高エネルギーエッジに励起すると（λexc≤633 nm）、三重項形成が加速される

SFはペンタセン誘導体では発エルゴン的であるため、より速い三重項生成は、Pnc2と比較して0–1 *遷移の振動子強度が大きいため、Pnc4サブユニットへのより顕著な励起にのみ起因し、過剰な振動量子子の励起には起因しない

したがって、励起波長の調整により、HexPncのPnc4またはPnc2発色団ユニットへの励起の比率を操作することが可能

2: HexPncの二重経路失活メカニズム

HexPncの励起状態失活は、Pnc2とPnc4の励起に由来する2つの異なるチャネルのいずれかに向けることが可能

2つのチャネルは、i-SFの全体的な速度と生成される自由三重項の収率が異なるため、これはHexPncのSFダイナミクスを調整する方法を構成する

これとは対照的に、DiPncは励起波長への依存性がない

3: 速度論モデリングからの洞察

HexPncの速度論モデリングは、Pnc2チャネルからの寄与がDiPncと同じようにモデル化されている

DiPncと同様に、相関三重項対1（T₁T₁）Pnc2は効率的なTTAの影響を受ける

一方では電子コヒーレンスの喪失、他方ではそれに続くスピン脱位相はPnc2には不利である

したがってPnc2への励起は、DiPncと比較して（T₁ + T₁）の全体的な収率にわずかな寄与しかもたらさない

対照的に、Pnc4チャネルは、M（T₁…T₁）Pnc4と（T₁ + T₁）の収率が大幅に高くなる

4: 三重項拡散の役割

ねじれ運動と回転運動に加えて、空間的分離の可能性、つまり、分子内クラスター内の発色団間を三重項がホッピングする可能性により、1（T₁T₁）Pnc4の電子結合の喪失が促進される

全体として、HexPncの（T₁ + T₁）の収率は、DiPncの収率と比較してかなり高く、トルエンとベンゾニトリルの両方で最大14％の値に達する

分光学的に区別できない複数の励起三重項状態種が存在するため複雑な速度論モデルであるが、実験データと得られた適合度の間の良好な一致は驚くべきものである

5: 研究の限界

HexPncの合成と分光学的特性評価に焦点を当て、デバイスへの応用については検討していない

結論

複数のペンタセン二量体を中央のSubPc部分に繋ぎ止めることは、固体システムを模倣した分子を設計する洗練された方法である

HexPncは、急速な分子内シングレットフィッション（i-SF）を駆動する強いペンタセン間結合を示し、それにもかかわらず、分子内三重項拡散を可能にすることで、DiPncと比較して（T₁ + T₁）の収率が大幅に向上

HexPnc内での分子内クラスター形成により、ねじれたスリップスタック配置で2つのペンタセンユニットを含む固体のような凝集体を含む非対称ジオメトリが生じる

このクラスターは、高速i-SFと高い励起三重項状態収率の両方の達成において重要な役割を果たし、共有結合系では通常矛盾する2つの望ましい目標を効果的に達成

慎重な分子設計の重要性を強調し、1（T₁T₁）の形成とそれに続く（T₁ + T₁）への解離速度を同時に最大化するための設計指針を提供

強い発色団間結合（1つのペア間の結合ホットスポット）を維持しながら、相関三重項対の空間的分離を可能にする、より大きなアレイにおけるSF発色団の配置は、これらの対立するプロセスの最適化に明らかに有益

将来の展望

太陽電池などの実際のデバイスにおけるHexPncの性能評価

HexPncの長期安定性と環境に対する影響を調査する

Catch Key Points of a Paper ~0190~

論文のタイトル: Synthesis of Nepetoidin B（ネペトイジンBの合成）

著者: Vitaliy Timokhin , Matthew Regner  , Yukiko Tsuji , John Grabber , John Ralph*

雑誌名: Synlett 

巻: Volume29, Issue09, 1229-1231

出版年: 2018

DOI: https://doi.org/10.1055/s-0036-1591556

背景

1: ネペトイジンBの特徴と重要性

1975年にPlectranthus caninusから初めて単離

様々な植物種から(Z,E)-1と(E,E)-1の異性体として発見

植物中の含有量は極めて少量（例：100kgの丹参から37mg）

現在の市場価格は約5,000$/g

2: ネペトイジンBの医学的価値と生物学的効果

抗菌性および抗真菌性を示す

フリーラジカル消去特性を持つ

キサンチンオキシダーゼ阻害作用（痛風治療の可能性）

一酸化窒素の産生を抑制

化学分類学的マーカーとしての利用可能性

方法

1: 合成戦略

市販の1,5-ビス(3,4-ジメトキシフェニル)-1,4-ペンタジエン-3-オンを出発物質として使用

Baeyer-Villiger酸化によるビニルアセテートへの変換

三臭化ホウ素を用いた脱メチル化

2段階での合成経路を確立

結果

1: 合成収率

第一段階：40%の収率でテトラメチル化ネペトイジンBを合成

第二段階：43%の収率で最終生成物を取得

全体収率：17%（原料回収を考慮すると33%）

生成物は(E,E)-1/(Z,E)-1の異性体混合物（94:6）

考察

1: 研究の意義

ネペトイジンBの初めての合成に成功

従来の抽出法と比較して効率的な生産が可能に

市場価格を約500$/gまで低減できる可能性

医薬品研究での利用可能性の向上

結論

2段階合成による効率的なネペトイジンB製造法の確立

医薬品研究での利用促進への貢献

コスト効率の良い生産方法の実現

将来の展望

今後の応用研究に期待

Catch Key Points of a Paper ~0189~

論文のタイトル: Revealing the Chiroptical Response of Plasmonic Nanostructures at the Nanofemto Scale（プラズモニックナノ構造のナノフェムトスケールにおけるキラル光学応答の解明）

著者: Shuai Zu, Quan Sun, En Cao, Tomoya Oshikiri, and Hiroaki Misawa

雑誌名: Nano Letters

巻: Volume21, Issue11, 4780−4786

出版年: 2021

DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01322

背景

1: プラズモニックナノ構造におけるキラル光学応答

近年の物理学とナノ加工技術の発展により、プラズモン共鳴を励起する金属ナノ構造は、ナノメートルスケール およびフェムト秒スケール でキラルな光と物質の相互作用を操作する多様な能力を示すことが実証されている

光吸収、発光、光学活性、ホットキャリア生成 など、多くのキラル光学的な物理的および化学的プロセスの効率は、プラズモニックな光局在化と電界増強効果によって飛躍的に向上

これにより、キラル光検出 や光子放出、バイオセンシング、触媒作用 などのナノフォトニクスにおける様々な応用が生まれている

2: キラル光学応答の研究における課題

金属ナノ構造に励起されるプラズモンモードのキラルパラメータを調整することで、自然界では見られない魅力的なキラル光学現象、例えば非対称透過や外因性キラリティーなどが実現

これらは、一方向透過や光スピンルーティング などの光学フィールド操作や応用のための、キラルフォトニック環境の精密なエンジニアリングを促進

さらに、負の屈折、光スピン軌道相互作用、パンチャラトナム-ベリー位相などの興味深い光学効果が発見されている

これらは必然的にプラズモニックナノ構造のキラル特性に依存

したがって、キラリティーの物理的メカニズムと起源を理解するためには、ナノ構造におけるキラル光学応答とそれに関連するプラズモンモードを徹底的に理解することが不可欠

3: 研究の目的

本研究では、プラズモニックナノ構造におけるキラル光学応答の時空間的起源を、ナノフェムトスケールで解明

特に、時間分解光電子顕微鏡(PEEM)を用いて、金ナノロッドダイマーにおけるキラリティーと関連するプラズモンモードの空間時間的な起源を明らかにする

方法

1: 試料作製

標準的な電子ビームリソグラフィー(EBL)プロセスを用いて、ITOコートガラス基板上に金ナノロッドダイマーを作製

各ダイマーは、長さ138 nm、幅58 nmの2本のナノロッドで構成され、中心間距離は約127 nm

2: 実験装置

波長可変フェムト秒レーザー（パルス幅約100 fs）を用いて、斜め入射（入射角74°）で構造を照射

多光子光電子放出(PE)プロセスにより生成された光電子をPEEMで検出し、近接場分布を画像化

3: 時間分解PEEM測定

・測定原理

超短レーザーパルス（約7 fs、中心波長820 nm、帯域幅200 nm以上）をマッハツェンダー干渉計を用いて2つの同一パルスに分割し、可変時間遅延でナノアンテナに集光

この干渉計時間分解ポンプ-プローブ技術により、近接場PEEM画像の時空間発展からナノ構造におけるプラズモンモードのダイナミクスを取得

・データ解析

PE信号の時間振動からプラズモンモードの共鳴波長と減衰時間を取得するために、ナノアンテナに励起されたプラズモンモードに対して減衰調和振動子モデル を使用

結果

1: 近接場スペクトルと画像

PEEM測定により、金ナノロッドダイマーにおけるキラリティーの起源がナノメートルおよびフェムト秒スケールで明らか

測定された近接場スペクトルは、左円偏光(LCP)光と右円偏光(RCP)光で異なる共鳴ピークを示し、それぞれ反対称モードと対称モードの選択的な励起を示唆

PEEM画像は、LCPではナノロッド間のギャップ領域に、RCPでは右側のナノロッドの端領域に近接場増強が局在していることを示し、シミュレーション結果と一致

2: 時間分解PEEM測定

時間分解PEEM測定により、LCPとRCPに対する反対称モードと対称モードの優勢な励起の直接的な証拠が得られた

LCPとRCPの励起に対する時間分解PE信号は、異なる振動挙動を示した

減衰調和振動子モデルを用いたフィッティングにより、反対称モード(LCP)と対称モード(RCP)の共鳴波長と減衰時間が決定された

これらの結果は、時間領域におけるキラリティーの起源が反対称モードと対称モードの選択的な励起にあることを直接的に示す

考察

1: キラリティーの時空間的起源

・反対称モードと対称モードの選択的励起

斜め入射LCP光とRCP光は、金ナノロッドダイマーにおいてそれぞれ反対称モードと対称モードを選択的に励起

これらのモードの選択的励起は、近接場スペクトルと時間分解PEEM測定によって確認

・空間的な近接場分布

反対称モードはナノロッド間のギャップ領域に近接場増強をもたらし、対称モードは右側のナノロッドの端領域に近接場増強をもたらす

これらの空間的な近接場分布の違いは、キラル光学応答の起源

・時間的なダイナミクス

反対称モードと対称モードは、異なる共鳴周波数と減衰時間を持つ

これらの時間的なダイナミクスの違いは、キラル光学応答の時間発展に影響を与える

結論

時間分解PEEMを用いることで、プラズモニックナノ構造におけるキラリティーの起源をナノフェムトスケールで直接的に解明

金ナノロッドダイマーを例として、斜め入射LCP光とRCP光に対する反対称モードと対称モードの選択的励起が、キラル光学応答の空間時間的な起源であることを明らかにした

将来の展望

キラル光と物質の相互作用の空間時間操作、およびキラル光検出、触媒作用、バイオセンシングなどの高効率なキラル光学応用

Catch Key Points of a Paper ~0188~

論文のタイトル: Chromatography-Free and Chlorinated Solvent-Free Preparation of 2,5-dibromohexanediamide (DBHDA)（クロマトグラフィーフリーで塩素系溶媒を使用しない2,5-ジブロモヘキサンジアミド(DBHDA)の調製）

著者: Ben Bower、Sébastien R. G. Galan、Benjamin G. Davis

雑誌名: Organic Syntheses

巻: Volume101, 207-228

出版年: 2024

DOI: https://doi.org/10.15227/orgsyn.101.0207

背景

1: タンパク質の化学修飾におけるDBHDAの重要性

2,5-ジブロモヘキサンジアミド(DBHDA)は、タンパク質中のシステイン残基を選択的にデヒドロアラニン(Dha)に変換するのに有用な試薬

Dha残基をタンパク質に導入することで、タンパク質上にβ,γ C-C、C-S、C-N、C-Se結合を形成するさらなる反応が可能

これにより部位選択的な方法でタンパク質の側鎖を操作するための直接的な方法を提供

DBHDAは市販されているが、比較的高価

2: 既存のDBHDA合成法の問題点

DBHDAは、Perkinらによって最初に合成された

Chalkerらは、Perkinらの合成法を改良し、アジピン酸からDBHDAを合成する手法を報告

しかし、この臭素化には、オゾン層破壊物質である四塩化炭素が使用されていた

3: 研究の目的（環境に優しいDBHDA合成法の開発）

本研究では、四塩化炭素の代わりにシクロヘキサンを用いた、環境に優しいDBHDA合成法を開発する

シクロヘキサンは、四塩化炭素と沸点が近く、NBSとスクシンイミドは不溶性であるのに対し、酸とビス（酸塩化物）は可溶性であるため、適切な代替物質として選択された

さらに、シクロヘキサンは分子状臭素に対して比較的（十分に）不活性

これらの特性により、クロマトグラフィー分離を必要とせずに高純度の材料を得ることが可能

方法

1: アジポイルジクロリドの合成

アジピン酸を塩化チオニルと反応させてアジポイルジクロリドを合成

反応の進行はTLCでモニター

2: 2,5-ジブロモアジポイルジクロリドの合成

アジポイルジクロリドをシクロヘキサン中でNBSと臭化水素酸触媒を用いて臭素化し、2,5-ジブロモアジポイルジクロリドを合成

反応の進行はTLCでモニター

3: DBHDAの合成

2,5-ジブロモアジポイルジクロリドを水酸化アンモニウム水溶液と反応させてDBHDAを合成

粗生成物を50％メタノール水溶液で2回トリチュレーションして精製

4: 生成物の特性評価

融点、R_f値、¹H NMR、¹³C NMR、IR、HRMSを用いて生成物を特性評価

結果

1: 高純度DBHDAの収率

本手法により、28％の収率で微結晶性のオフホワイト粉末としてDBHDAが得られた

チェッカーによって行われた半規模合成では、29％の収率でDBHDAが得られた

定量的¹³C NMR分光法と定量的¹H NMR分光法により、生成物の純度は98％以上であることが確認された

考察

1: 研究の意義

本研究で開発された合成法は、オゾン層破壊物質である四塩化炭素を使用しない、環境に優しいDBHDA合成法

本手法は、高純度のDBHDAを良好な収率で得ることができ、クロマトグラフィー分離を必要としない

本研究の成果は、タンパク質の化学修飾の分野に大きく貢献する

2: 先行研究との比較

Perkinらの合成法と比較して、本手法は四塩化炭素を使用せず、クロマトグラフィー分離を必要としないため、より環境に優しく、効率的

Chalkerらの合成法と比較して、本手法は四塩化炭素の代わりにシクロヘキサンを使用しているため、オゾン層破壊への影響が少ない

3: 研究の限界

本手法では、収率が約30％と中程度であることが限界

収率向上のため、反応条件のさらなる最適化が必要

結論

環境に優しいDBHDA合成法の確立

クロマトグラフィーフリーで塩素系溶媒を使用しない、環境に優しいDBHDA合成法を開発

高純度のDBHDAを良好な収率で得ることができる

将来の展望

タンパク質の化学修飾の分野において幅広く応用されることが期待される

DBHDAの収率を向上させるための反応条件の最適化

本手法を用いて合成したDBHDAを用いたタンパク質の化学修飾の研究