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Discovery and Application of Size-Selective Rim Binding Modes of Cyclodextrins

花山, 博紀 東京大学 DOI:10.15083/0002006703

2023.03.24

概要

1

論文審査の結果の要旨

氏名

花山

博紀

本論文は四章から構成されており,シクロデキストリン口縁部によるサイズ選択的な結
合モードの発見および解析とその応用について論じている.
第一章では,まず分子認識化学の発展と特にその初期から現在まで重要な役割を果たし
ているシクロデキストリンについて概説している.また,シクロデキストリンの分子認識
を分子内の空孔への包接に帰属してきた現行の解析法を紹介し,その問題点を論じた上で,
単分子実時間原子分解能電子顕微鏡法(SMART-EM)を用いて単一化学種を別個に解析した
例を示し,SMART-EM 法によるシクロデキストリンの結合モードの解析という本研究の目
的とその着想経緯を示している.また,本研究において重要となるカーボンナノホーン
(NH)の構造についても説明している.
第二章では,SMART-EM 法を活用したシクロデキストリンの口縁部による結合の構造
的・熱力学的解析について述べている.これまでシクロデキストリンによる疎水性分子の
可溶化はほぼ全てシクロデキストリンの空孔内への包接に帰属されてきたが,幅広い分子
への応用を考えると他の結合モードが存在するのではないかという疑問があった.実際,
いくつかシクロデキストリンが包接を伴わずに分子を可溶化する例が報告されている.本
研究では,NH 先端の半径が4-10Å に広く連続的に分布することに注目し,NH 先端と
シクロデキストリンの結合を SMART-EM 法により一分子ごとに観察することで,様々なサ
イズのゲストに対するシクロデキストリンの全ての結合モードを解析することができた.
得られた電子顕微鏡像の統計解析によりシクロデキストリンがサイズ認識を伴って空孔よ
りも大きなゲストに二種類の口縁部で結合することが示された.さらに,異なる温度での
測定から各結合モードの熱力学パラメータを求めることに成功し,口縁部での結合は空孔
での包接と同様の熱力学的性質を持つことが明らかになった.この結果は,口縁部での結

2

合の重要性を示唆するだけでなく,これまで包接によって説明されてきたシクロデキスト
リンの分子認識能が実際にはより大きな全体の認識能の一部に過ぎないという非常に重要
な知見を与えるものである.また,口縁部の化学修飾によって結合の熱力学パラメータを
コントロールできるということが実験から示唆されており,シクロデキストリンの口縁部
による結合を基盤とした新たな応用が期待される.
第三章では,シクロデキストリンの口縁部による結合を利用した NH 凝集体の可溶化お
よび精製について述べられている.NH 凝集体はその生成過程で NH を持たない球状のグ
ラファイト構造のマイクロ粒子(GB)を副生成物として含み,その分離が試みられてきた.
本研究では,シクロデキストリンが NH 先端へ効率的に結合することによって NH 凝集体
に対してわずか1重量%で水中に可溶化できることを見出した.特に,-, -CD では包接
を伴わず口縁部による結合のみで可溶化が達成された.さらに,電子顕微鏡と熱重量分析
の結果から,シクロデキストリンは先端への選択性によって NH 凝集体のみを選択的に可
溶化することで GB を除くことができると確認された. この知見を基に,-CD を用いて
グラムスケール・高収率の NH 凝集体の精製が達成され,GB を含まないアミノ化 NH 凝集
体の合成に成功した.本研究は,簡便かつ安価な NH 凝集体の精製法として NH 凝集体の
さらなる産業応用に寄与するだけでなく,形状選択的表面修飾の有用性を示すもので,化
学的観点からも興味深いものである.
第四章では本研究の総括と今後の展望が述べられている.SMART-EM 法を用いたシクロ
デキストリンの結合モードの解析によって,シクロデキストリン口縁部による結合モード
の発見と構造的・熱力学評価及びその応用が達成されたことが述べられている.また,口
縁部による結合が空孔サイズより大きな物質の認識への応用と SMART-EM 法の他の平衡
系への応用が今後の展望として示されている.
なお,本論文第二章の研究は中村栄一博士,原野幸治博士,山田純也博士及び友塚壱晶
氏,第三章の研究は中村栄一博士,原野幸治博士,山田純也博士との共同研究によるもの
であるが,研究計画および検討の主体は論文提出者であり,論文提出者の寄与が十分であ
ると認められる.
本論文は,産業・学術の両面で重要な化合物であるシクロデキストリンの新たな結合様

3

式を示し,これまで固定観念的に包接のみで論じられていたシクロデキストリンの分子認
識に新たな知見を与えるものである.また,これらの研究結果はシクロデキストリンの新
たな応用の設計指針をもたらすものであり社会的にも意義あるものであると考えられる.
したがって,本論文は博士(理学)の学位論文として価値のあるものと認める.

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参考文献

1 Iijima, S.; Yudasaka, M.; Yamada, R.; Bandow, S.; Suenaga, K.; Kokai, F.; Takahashi,

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3 Ajima, K.; Yudasaka, M.; Murakami, T.; Maigné, A.; Shiba, K. and Iijima, S. Mol.

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16 Star, A. Steuerman, D. W. Heath, J. R., Stoddart, J. F. Angew. Chem. Int. Ed. 2002,

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17 Huang, X.; Mclean, R. S.; and Zheng M. Anal. Chem. 2005, 77, 6225–6228.

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Nakamura, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 6676–6680.

48

Chapter 4

Summary and Perspective

49

Chapter 4

50

Chapter 4

In the present thesis, a new binding mode of CDs other than cavity inclusion was

discovered by utilizing TEM observation, and it was applied to solubilize hydrophobic

material. Microscopic analysis has an advantage in the analysis of mixture compared with

spectroscopic analyses, which only give averaged information of mixture. Its application

to the detection of minor species in equilibrium revealed the rim binding complex of CDs.

The rim binding mode contributed to the CD binding similarly to cavity binding and

successfully solubilized nanocarbon in water.

In Chapter 3, I demonstrated solubilization and purification of NH aggregates

using CDs. NH aggregates contain horn-less impurity, which is co-generated in the

production of NH aggregates. All CDs efficiently dispersed NH aggregates in water by

binding to the apex of NHs, while glucose and amylose as a linear analog of CDs did not

disperse NH aggregates well. Solubilization with a- and b-CD showed that cavity binding

was not necessary for their action. Furthermore, binding to the apex of NHs achieved

purification of NH aggregates by leaving GBs precipitated in water. The investigation of

desorption of CDs from NH aggregates revealed that a- and b-CD detached faster than

g-CD. Therefore, a-CD was utilized for large-scale purification of NH aggregates by

centrifugation of water dispersion and purified 2.00 g of NH aggregates in moderate yield.

Non-selective purification by centrifugation of EtOH dispersion showed a different

fraction of NH aggregates were separated and suggested that purification with CDs were

based on the shape-recognition and not solely on the density of materials. Finally, purified

NH aggregates were successfully utilized in further functionalization.

51

Chapter 4

Cavity and

rim binding

1 wt% cyclodextrin

Carbon nanohorn

aggregate (NHa)

GB

as precipitate

Graphitic ballshaped impurity

(GB)

H2N NH2

NH2 NaNH2/

H 2N

liq NH3

H 2N

NHa NH

H 2N

NH2

H 2N

1) sonication

2) centrifuge

– GB

NHa

filtration/

water wash

water

NHa

NHa

amino-NHa

NHa solubilized in water

Figure 4-3. Solubilization and purification of NHa by binding of CDs to the apex of

NHs via cavity and rim binding followed by centrifugation and amination.

The application of electron microscopic analysis to an equilibrium system

enables us to investigate structure and differentiate each species present in the equilibrium.

This is in clear contrast to conventional spectroscopic analysis, which only gives averaged

information of the whole equilibrium. In the present study, we have demonstrated that a

combination of SMART-EM and the NH library provides a tool not only to isolate the

equilibrating species from solution for structure characterization but also to determine the

thermodynamics governing the equilibria. We anticipate the application of this tool for

thermodynamic and kinetic studies of various chemical events.

52

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