JP5078406B2

JP5078406B2 - 長寿命還元型電子伝達体

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Publication number: JP5078406B2
Application number: JP2007085661A
Authority: JP
Inventors: 豊天尾; 武士関藤; 久雄加藤; 勉梶野
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: JP2008239581A

Description

この発明は、長寿命の還元型電子伝達体に関し、さらに詳しくは水性媒体などの反応媒体中で光増感色素が存在する系において空気開放系などの酸素存在下でも寿命が長い還元型電子伝達体に関する。

従来、電子伝達体としてメチルビオロゲンは知られており、酵素が関与する酸化還元系の反応において電子伝達メディエータを含ませるレドックス系バイオリアクター、そして酵素とともに光増感色素が存在する系において電子伝達メディエータを含ませる光化学酵素反応系、さらには電子伝達体を用いた測定方法などが提案されている（特許文献１〜３、非特許文献１）。
特開平２−３１２５９２号公報特表２００３−５０５０６６号公報特開２００４−８５３７４号公報ケミストリー・レターズ（Chemistry Letters）２００４年、Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．１２、１５４４−１５４５頁

上記の特開平２−３１２５９２号公報には、酵素が関与する酸化還元化学反応系においてメディエータを含ませるレドックス系バイオリアクターが記載されており、メディエータとしてメチルビオロゲンが開示されている。さらに、このメチルビオロゲンを使用することによって反応系を窒素ガスパージしたレドックス系バイオ反応収率が時間とともに増大する結果が図（文献の図４）に示されている。

上記の特表２００３−５０５０６６号公報には、無機の電子供与源、電子供与源から酵素に電子を伝達することができるメディエータおよび酸化還元特性を有する特定の酵素を含む電子供与体系が記載されている。そして、メディエータとしてメチルビオロゲンの記載があり、メディエータとしてコバルト(III)セパルクレートを使用して酸素雰囲気下で長時間の高変換収率が達成された結果が図（文献の図４、図６）に示されているが、具体例としてメチルビオロゲンをメディエータとして使用した例は開示されていない。

上記のケミストリー・レターズには、酵素とともに光増感色素が存在する系において電子伝達メディエータとしてメチルビオロゲンを含ませた光化学酵素合成化学反応によるＨＣＯ_３ ⁻からのメタノール合成反応が記載されている。さらに、反応系をアルゴンガスパージして、メチルビオロゲンを使用することによってメタノール合成反応収率が時間とともに増大する結果が図（文献の図１）に示されている。

また、上記の特開２００４−８５３７４号公報には、電極表面に電子伝達物質を存在させて過酸化水素または酸素の存在下に電極に流れる酸素の還元電流値を測定する測定方法が記載されている。そして、電子伝達体としてビオロゲン誘導体が、このビオロゲン誘導体を金電極に装飾して用いること、測定においては前もって窒素ガスなどを通気して脱酸素処理すること、さらに系に供される過酸化水素の量は極く微量であることが示されている。しかし、上記文献には光増感色素が存在する系についての記載はない。

つまり、公知文献によれば、電子伝達物質であるメチルビオロゲンは不活性ガスなどによって酸素を除いた系での例が一般的であった。
これは、空気開放系などの酸素が存在する系では、光照射に基く還元型電子伝達体としてのメチルビオロゲンは酸素によって電子が奪われるため化学反応系において還元体としての能力が急速に失われてしまうことによると考えられる。
従って、この発明の目的は、空気開放系などの酸素存在下でも、特に光増感色素および補酵素が存在する光照射に基く反応系、特に化学反応系において、寿命が長いメチルビオロゲン系の電子伝達体を提供することである。

この発明は、下記一般式

（但し、式中、Ｒ_１はメチル基、ＦＧはＦＧはＣＯＯＨを、ｎは９〜１９の整数を意味する。）で示される還元型電子伝達体に関する。

この発明によれば、空気開放系のような酸素存在下でも、特に光増感色素（光増感剤）が存在する系において、還元型の電子伝達体として酸素によって還元体としての能力が急速に失われることが低減され、寿命が長いメチルビオロゲン系の還元型電子伝達体を得ることができる。

この発明における好適な態様を次に示す。
１）前記式においてＦＧはＣＯＯＨ、ＮＨ_２あるいはＯＨを意味する前記の還元型電子伝達体。
２）前記式においてＦＧはＣＯＯＨを意味する前記の還元型電子伝達体。
３）前記式においてｎは５〜１９の整数を意味する前記の還元型電子伝達体。

４）光増感色素が存在する系にある前記のいずれかに記載の還元型電子伝達体。
５）前記官能基によって基材と直接固定できる前記の還元型電子伝達体。
６）空気開放系の反応媒体中で光照射に基く酸化還元反応に使用され得る前記の還元型電子伝達体。

この発明において、還元型電子伝達体とは、電子を受け取って他の物質に電子を伝達する電子供与機能を有するものをいい、例えば光照射された系において光増感色素を通じてあるいは光励起型の電子供与補助剤の存在下に光増感色素を通じて電子を受け取った還元型電子伝達体が一旦は電子を保持し、補酵素などの電子受容体に電子を供与する機能、すなわち還元機能を有することをいう。反応系においては、酵素系に供与された電子によって原料物質が化学変換されて生成物質が得られる。

この明細書において、還元型電子伝達体の寿命は、適した方法、例えば後述の実施例で詳細に記載する方法で空気開放系での光増感色素（ルテニウムトリスピリジン）、還元型電子伝達体、補酵素および光励起型の電子供与補助剤（トリエタノールアミン）を含む水溶液に光照射して還元型電子伝達体に電子が付与され、この還元型電子伝達体の還元性が溶存する酸素によって消失すなわち電子を失って着色（青色）が無色になる変化を吸光度で求めて、初期の吸光度が−２．０未満になるまでに要する時間として評価されるものである。

この発明における還元型電子伝達体を示す前記一般式において、Ｃ_ｎＨ_２ｎで示されるアルキレン基は直鎖状であっても分岐状であってもよく、好適には直鎖状の（ＣＨ_２）_ｎで示されるアルキレン基であり、ｎが５〜２９、好適には５〜１９、特に９〜１９を意味する。

前記一般式中におけるＣ_ｎＨ_２ｎで示されるアルキレン基として、例えばＣ_５Ｈ_１０、Ｃ_６Ｈ_１２、Ｃ_７Ｈ_１４、Ｃ_８Ｈ_１６、Ｃ_９Ｈ_１８、Ｃ_１０Ｈ_２０、Ｃ_１１Ｈ_２２、Ｃ_１２Ｈ_２４、Ｃ_１３Ｈ_２６、Ｃ_１４Ｈ_２８、Ｃ_１５Ｈ_３０、Ｃ_１６Ｈ_３２、Ｃ_１７Ｈ_３４、Ｃ_１８Ｈ_３６、Ｃ_１９Ｈ_３８、Ｃ_２０Ｈ_４０、Ｃ_２１Ｈ_４２、Ｃ_２２Ｈ_４４、Ｃ_２３Ｈ_４６、Ｃ_２４Ｈ_４８、Ｃ_２５Ｈ_５０、Ｃ_２６Ｈ_５２、Ｃ_２７Ｈ_５４、Ｃ_２８Ｈ_５６、Ｃ_２９Ｈ_５８などを挙げることができる。

この発明における前記一般式で示される還元型電子伝達体は、例えば反応容器に所定量の４−メチルピリミジウム沃化物と溶媒、例えばアセトニトリルとを加え、混合して均一溶液とし、攪拌機で混合しながらに加熱（例えば、約８５℃程度）し、予め溶媒、例えばアセトニトリルに溶解しておいた過剰量、例えば約１０倍モル量の下記式

（但し、式中、ＦＧは官能基、好適にはＣＯＯＨ、ＮＨ_２あるいはＯＨを、ｎは５〜２９、好適には５〜１９、特に９〜１９の整数を意味する。）
で示される臭素化合物を加え、引き続いて前記の温度に保ちながら反応が完了するまで、例えば数時間程度攪拌を続け、攪拌終了後に適当な時間、例えば数時間〜１昼夜かけて放冷し、沈澱物を吸引ろ集・乾燥する方法によって、得ることができる。

前記の臭素化合物としては、ブロモ脂肪酸、ブロモ脂肪族アルコール、ブロモ脂肪族アミン、ブロモ脂肪族チオール、ブロモ脂肪族スルホン酸を挙げることができ、好適には炭素数５〜１９のブロモ脂肪酸、ブロモ脂肪族アルコールを挙げることができる。特に、１１−ブロモウンデカン酸、８−ブロモオクタン酸、６−ブロモヘキサン酸などのω―ブロモアルカン酸を挙げることができる。

この発明の前記一般式で示される還元型電子伝達体は、水の存在する系において水分子と親和性を有する式中のビオロゲンイオンと非水性のアルキレン基によって水性媒体中でミセルを形成し得るため、水性媒体などの反応媒体中で空気開放系による溶存酸素の存在下であってもメチルビオロゲンに比べて還元体の寿命が長くなると考えられる。このため前記一般式におけるＣ_ｎＨ_２ｎのｎは大きいほど好ましいが、反応性も考慮すると前記の範囲内であることが好ましい。

この発明の前記一般式で示される還元型電子伝達体は、光増感色素、さらに補酵素の存在下に水媒体中で、反応場への光照射によって開放系（従って、酸素存在下）であっても種々の化学反応をもたらすことができる。例えば、水媒体中において、還元型電子伝達体とともに光増感色素、および場合により電子供与補助剤を含む水溶液に光照射して還元型電子伝達体に電子を付与して還元し、還元型電子伝達体が補酵素に電子を伝達して化学反応などの反応を進行させる。

また、この発明の前記一般式で示される還元型電子伝達体は、還元型電子伝達体を化学的あるいは物理的、例えば吸着によって固定化できる無機基材あるいは官能基を有する樹脂などの基材の少なくとも表面に前記官能基ＦＧによって直接固定して基板とすることができる。このため基材に固定した還元型電子伝達体の前記一般式中のビオロゲンイオンと非水性のアルキレン基によって水媒体中でミセルを形成し得るため、前記の電子供与体とともに光増感色素分子を固定した基材は、水媒体中で、開放系（従って、酸素存在下）であっても還元体が長寿命であり、表面への光照射に加えて、裏面からの光照射にも対応でき、光エネルギー変換デバイスとして高い設計自由度が得られる。
また、基材としては光透過性の基材、例えばガラスやアルミナなどの無機基材あるいは水酸基などの極性基含有プラスチックなどの基材が好適である。

この発明の前記還元型電子伝達体は、反応媒体中で光増感色素の存在下、酸素を除去することなく光照射を受けることによってメチルビオロゲンに比べて長時間電子を保持するため、還元体としての能力が急速に失われることが低減される。そして、この電子は、通常は系に存在する補酵素に受け取られて化学反応を生じさせる。この空気開放系のような酸素存在下で、光増感色素が存在する系において、還元体の寿命が長い電子伝達体として機能することが可能になる。

前記の反応媒体としては、水性媒体が好適であり、水または水と混合可能な有機溶媒との混合媒体が挙げられる。前記の有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、グリセリン、エチレングリコール等の低級アルコール、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシドなどが挙げられる。水性媒体としてはリン酸カリウムなどによって緩衝能力を付与してもよい。

前記の光増感色素としては、特に制限はなく、例えばポルフィリン誘導体、ルテニウムビピリジン錯体誘導体、ピエン誘導体などを挙げることができ、例えば、テトラキス（４−メチルピリジル）ポルフィリン亜鉛（ＺｎＴＭＰｙＰ）、テトラフェニルポルフィリンテトラスルフォネート亜鉛（ＺｎＴＰＰＳ）、ルテニウムトリスビピリジンなどが好適である。

前記の電子供与補助剤としては、特に制限はなく、例えばトリエタノールアミン、エチレンジアミン、エチレンジアミン四酢酸塩、エチレンジアミン塩酸塩、トリエチルアミンなどを挙げることができる。

また、前記の光照射の光源としては、特に制限はなく、太陽光、蛍光灯、紫外線ランプ、水銀ランプ、ハロゲンランプなどの光励起型光源装置を挙げることができる。

また、前記の補酵素としては、特に制限はなく、例えばＦＡＤ（フラビンーアデニンジヌクレオチド）、ＮＡＤ（ニコチンアミド−アデニンジヌクレオチド）、ＮＡＤＰ（ニコチンアミド−アデニンジヌクレオチドリン酸）、ＦＭＮ（フラビンモノヌクレオチド）などの補酵素が挙げられる。反応には、これらの補酵素と酸化還元酵素、加水分解酵素、異性化酵素、合成酵素などの酵素と組み合わせて用いられる。これらの酵素として、例えばＡＤＨ（アルコールデヒドロナーゼ）、ＡｌｄＤＨ（アルデヒドデヒドロナーゼ）、ＦＤＨ（ホルメートデヒドロナーゼ）ＬＤＨ（ラクテートデヒドロゲナーゼ）などの酵素系が挙げられる。

前記の化学反応の一例として、二酸化炭素からのメタノールの生成反応が挙げられるがこれに限定されない。例えば、前記の原料物質としては、二酸化炭素、蟻酸、ホルムアルデヒドなどが挙げられる。また、前記の生成物質としてはメタノール、マレイン酸、リンゴ酸などが挙げられる。

この発明の還元型電子伝達体は、前記のように空気開放系において長寿命であり効果的であるが、空気密閉系（例えば、不活性ガス雰囲気下）を排除するものではない。
さらに、この発明の還元型電子伝達体を基材に固定した場合は、反応系における電子伝達固定化基板の運搬性・分離し易さなど取り扱いが容易になり、工程全体が簡素化される。

以下、この発明をさらに説明するために実施例を示すが、この発明は実施例に限定されるものではない。
各例において、還元型電子伝達体の寿命評価は以下によって行った。
空気飽和状態で、石英セルに入れた還元型電子伝達体水溶液に４００Ｗハロゲンランプを照射して還元型電子伝達体を還元した後、暗所における所定時間後の還元型メチルビオロゲン類の消失をＵＶスペクトルで測定した。セル（形状：１０ｘ１０ｘ４５ｍｍ）および紫外可視吸収スペクトル測定装置を用いて、還元型メチルビオロゲン類の吸収帯６０５ｎｍでの吸光度［ｌｏｇ_１０（Ｉ_０／Ｉ）］を求めた。吸光度が−２．０より小さいと還元型電子伝達体は還元能力がない、すなわち失活と判断した。

実施例１
１）還元型電子伝達体の調製
三角フラスコに４−メチルピリミジウムヨウ化物（Ｃ_１１Ｈ_１１ＩＮ_２、分子量：２９８．１３）０．１ｇ（０．３３５４ミリモル）を採り、５０ｍｌのアセトニトリルに溶解した。ホットスターラーで加熱攪拌しながら、予めアセトニトリルに溶解しておいた１１−ブロモウンデカン酸（Ｃ_１１Ｈ_２１ＢｒＯ_２、分子量＝２６５．１９）０．８８９５ｇ（３．３５４ミリモル）を加え、８５℃に保ちながら約５時間攪拌した。加熱・攪拌終了後、放冷し、１５時間後に沈殿物を吸引ろ過し、デシケーターで乾燥して、合成物を得た。
沈殿物ができることによって、下記の化学式で示される還元型電子伝達体１であった。

（但し、式中、Ｒ_１はメチル基、ＦＧはＣＯＯＨ、ｎは１０である。）

実施例２
１）還元型電子伝達体水溶液の調製
実施例１で得られた還元型電子伝達体１を用いて、下記の組成からなる還元型電子伝達体を含む水溶液を得た。
トリエタノールアミン（電子付与補助剤）０．３モル／リットル
ルテニウムトリスビピリジン（光増感色素）１ミリモル／リットル
還元型電子伝達体１１ミリモル／リットル

２）還元型電子伝達体の寿命評価試験
空気飽和状態で４００Ｗハロゲンランプを照射して前記１）で得られた水溶液中の還元型電子伝達体１を還元し、暗所にてメチルビオロゲン類の消失をＵＶスペクトルでメチルビオロゲン類の吸収帯６０５ｎｍの吸光度変化について、スタート時の吸光度０（＝ｌｏｇ１）に対して５分後、１０分後、２０分後の変化を求めた。結果は次の通りであった。

還元型電子伝達体の寿命評価試験結果
スタート時０
５分後 −０．７
１０分後 −１．４
２０分後 −１．６
この結果は、メチルビオロゲン系の還元型電子伝達体１は空気開放系で２０分後にも還元能力を有することを示す。

比較例１
１）還元型電子伝達体水溶液の調製
実施例１で得られた還元型電子伝達体１に代えてメチルビオロゲンを用いた他は実施例２と同様にして、下記の組成からなる電子伝達体を含む水溶液を得た。
トリエタノールアミン（電子付与補助剤）０．３モル／リットル
ルテニウムトリスビピリジン（光増感色素）１ミリモル／リットル
メチルビオロゲン１ミリモル／リットル

２）還元型電子伝達体の寿命評価試験
空気飽和状態で４００Ｗハロゲンランプを照射して比較例１の水溶液中のメチルビオロゲンを還元し、暗所にて還元型化合物の消失をＵＶスペクトルで還元型化合物の吸収帯６０５ｎｍの吸光度変化を測定した。結果は次の通りであった。

還元型電子伝達体の寿命評価試験結果
０分後（スタート時）０
５分後 −１．４
１０分後 −１．８
２０分後 −２．５
この結果は、メチルビオロゲンは空気開放系では２０分より前に還元能力が消失したことを示す。

実施例３
１）基材に還元型電子伝達体を固定した基板の調製
厚さ３ｍｍ、大きさが１ｘ４ｃｍのシリカゲル上にテトラフェニルポルフィリンテトラスルフォネート亜鉛（ＺｎＴＰＰＳ）と実施例１で得られた還元型電子伝達体１を以下の水溶液を用い、浸漬して、両成分をシリカゲル表面に固定し、還元型電子伝達体が基材に固定した電子伝達体固定化基板を得た。

固定化のための処理液組成
テトラフェニルポルフィリンテトラスルフォネート亜鉛１モル／リットル
還元型電子伝達体１０．４ミリモル／リットル
また、両成分が固定されたことを、以下の方法で確認した。
固定化確認試験
蒸留水でシリカゲル表面を洗浄し、洗浄液を紫外可視吸収スペクトルで確認したところ、両成分が検出されなかったため、固定化されていると判断した。
以上の結果から、基材の表面に還元型電子伝達体１が固定されたことを確認した。

２）基材に固定した還元型電子伝達体の電子伝達性評価試験
ＮＡＤＰ(ニコチンアミド−アデニンジヌクレオチドリン酸)１ミリモル／リットルの溶液中に実施例３で得られた基板を浸して、空気開放系で、４００Ｗハロゲンランプを所定時間照射し、１時間毎の着色の変化を目視で観察した。還元型電子伝達体１に電子が付与され還元されたことは青色に着色したことで確認できた。光照射時間と着色を次に示す。

基材に固定した還元型電子伝達体の電子伝達性評価試験結果
光照射時間着色
０時間橙色
１時間橙色
２時間橙色
３時間青緑色
４時間青色
５時間青色
６時間青色
以上の結果から、基材に固定した還元型電子伝達体は３時間後には電子を付与されて還元性を保持していることが確認された。

実施例４
１）アルミナ膜基材の調製
アルミニウムイソプロポキシド５ｇ／５０ｍｌ蒸留水を９０℃で２０分間攪拌した後ポリエチレングリコール２．５ｇ添加し、９０℃で５分間攪拌した後、濃硝酸０．５８ｍｌを添加し、９０℃で１９時間攪拌した後、室温で２４時間攪拌して、アルミナゾルーゲル溶液を調製した。
ガラス板（２５ｘ１５ｍｍ）をアセトンで洗浄した後、電気炉で５００℃で２時間加熱した。蒸留水で１０分の１に薄めた上記のアルミナゾルーゲル溶液をガラス板に湿布した後、この薄めたアルミナゾルーゲル溶液１００μｌを３０００ｒｐｍ、６０秒でスピンコートし、電気炉で５００℃で３０分間加熱、乾燥して、アルミナ膜基材を調製した。

２）電子伝達体固定化基板の調製
シリカゲル膜基材に代えて上記のアルミナ膜基材を使用した他は実施例３と同様にして、電子伝達体固定化基板を得た。両成分が固定されたことを、前記と同様にして確認した。

３）電子伝達体固定化基板の評価試験
ＮＡＤＰ(ニコチンアミド−アデニンジヌクレオチドリン酸)１ミリモル／リットルの溶液中に実施例４で得られた基板を浸して、空気開放系で、４００Ｗハロゲンランプを所定時間照射し、還元型電子伝達体１が還元されたことを示す実施例３と同様の結果が得られた。

比較例２
１）電子伝達体固定化基板の調製
実施例１で得られた還元型電子伝達体１に代えてメチルビオロゲンを使用した他は実施例３と同様にして、基板を得た。

２）電子伝達体固定化基板の評価試験
ＮＡＤＰ(ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸)１ミリモル／リットルの溶液中に比較例２で得られた基板を浸して、４００Ｗハロゲンランプを照射した。６時間照射後もメチルビオロゲンが還元されたことを示す青色は確認できなかった。

電子伝達体固定化基板の評価試験結果
光照射時間着色
０時間橙色
１時間橙色
２時間橙色
３時間橙色
４時間橙色
５時間橙色
６時間橙色

以上の実施例１〜２と比較例１とから明らかなように、この発明の還元型電子伝達体は電子伝達体の長寿命化が達成される。これに対して、メチルビオロゲンは空気開放系での電子伝達体としての寿命が短い。さらに、実施例３〜４と比較例２とから明らかなように、この発明の電子伝達体は基材に固定することが可能であるのに対して、メチルビオラーゲンは基材への固定化が困難である。

図１は実施例で得られた還元型電子伝達体と比較例で得られた電子伝達体の開放系における吸光度の経時変化を示すグラフである。

Claims

下記一般式

（但し、式中、Ｒ_１はメチル基、ＦＧはＣＯＯＨを、ｎは９〜１９の整数を意味する。）で示される還元型電子伝達体。
光増感色素が存在する系にある請求項１に記載の還元型電子伝達体。
前記官能基によって基材と直接固定できる請求項１又は２に記載の還元型電子伝達体。
空気開放系の反応媒体中で光照射に基く反応に使用され得る請求項１〜３のいずれか１項に記載の還元型電子伝達体。