１．はじめに

分子が規則正しく配列する結晶中での反応は，溶液中

における反応よりも高い選択性の発現が期待できるとと

もに，無溶媒反応としての利用価値が高い。通常の溶液

反応においては，反応後に溶媒の処理，除去が必要にな

る。有機溶媒を使用しない水溶媒であっても溶媒に溶存

する原料，触媒，生成物の除去が必要であるが，反応溶

媒等を使用しない固相化学反応においてはそれらを必要

としない。したがってこの種の無溶媒反応は環境への負

荷が最小限になると期待される。結晶の融点以下で反応

を行わなければならない固相反応において，反応に加熱

が必要でない固相光化学反応は最も応用の可能性が高

い。また，固相反応を行う場合に有利な点の一つとして，

Ｘ線構造解析手法が利用できることであり ，反応の

過程，反応の状態の追跡も可能となる場合がある。Enkel-

mannらはケイ皮酸の固相光化学反応における二量体

生成反応でケイ皮酸結晶と，シクロブタン環形成までの

過程をＸ線法により解析した。また，［２＋２］環化付加

反応は合成的な価値が高く，様々なシクロブタン誘導体

や，それらから誘導できる化合物の合成に用いられてい

る。その中でもマレイン酸およびフマル酸の光二量化反

応 ，キノン系化合物 やシクロペンテノンの光二量

49

ケイ皮酸誘導体の固相光化学反応の置換基効果

杉山邦夫 ・高柳 宙 ・野口絵里子

SubstituentEffectontheSolid-StatePhotochemistryofCinnamicAcidDerivatives

KunioSUGIYAMA ，HiroshiTAKAYANAGI andErikoNOGUCHI

Thoughthephoto-andtopo-chemistriesofcinnamicacidanditsderivativesarewell-known,their

substituenteffectsonthesolid-statereactionhavebeennearlyneglected.Thereforewetriedto

examinetherelationshipbetweentheirsubstituentsonthephenylringandthesolid-statephotochemical

behavior,sinceitisparticularlyimportantfromthestandpointofthecrystal-engineering.Thevarious

crystalsmainlyrecrystallizedfromEtOHsolutionswereirradiatedbyUVlightandeitherhead-to-tail

(h-t)orhead-head(h-h)dimerwasexclusivelyobtainedinthecaseofthephotoreactivecrystalswith

afewexceptionsofpolymorphiccrystals.

Adetailedcomparisonofthereactionproductsfromthesolid-statephotochemistrywiththeprop-

ertiesofthesubstituentsshowsthattheelectron-donatingcharactermainlyinfluencestheformationof

thecrystals.Moreover,theresultsofMO,MM calculationsandX-raycrystallographyanalyses

suggestthat,inthecaseoftheelectron-donatingsubstituents,theelectrostatic-interactionorOH/π

hydrogenbondbetweentheπorbitalofabenzeneringandthatofacarboxylgrouppreferentiallyleads

totheh-ttypestackingofthecinnamicacidderivativestoyieldtheh-tdimer.Ontheotherhand,in

thecasefortheelectron-withdrawingsubstituents,theh-htypestackingispredominantandyieldsthe

correspondingdimer.

キーワード：ケイ皮酸誘導体，置換基効果，固相光化学，結晶多形

日本大学生産工学部応用分子化学科

ユーサンガスケット株式会社

日本大学大学院生産工学研究科工業化学専攻

論 文 日本大学生産工学部研究報告Ａ200 年 ６ 月 第 36巻 第 １ 号

化反応 ，およびクマリンの光二量化反応 などが詳

しく研究されている。ケイ皮酸類の固相光反応について

はSchmidtらにより広範な研究がなされている。しか

しながら，ケイ皮酸誘導体のベンゼン環上の置換基効果

については明確な結論が得られているとは言い難い状況

である。むしろ，置換基と反応結果には関係がないとさ

れている場合もあり ，系統的な置換基効果についてジ

クロロベンゼン環を有する化合物 以外ほとんど研究さ

れていない。固相反応において，置換基効果が認められ

るか否かは結晶工学的にも重要な問題である。そこで，

まずケイ皮酸類の置換基効果を調べるため，ケイ皮酸の

フェニル基上に種々の置換基を導入し，再結晶により結

晶を作成した化合物を合成し，検討を行った。ケイ皮酸

類の結晶多形については未解明である場合が多いた

め ，結晶多形によって二量化反応を制御することを

期待し，ケイ皮酸誘導体を異なる方法で結晶化を行い，

光化学反応を行った。

２．実験

光反応原料であるケイ皮酸誘導体は置換ベンズアルデ

ヒドとマロン酸を出発原料とし，混合アルドール縮合の

一種であるKnoevenagel縮合により合成した。冷却管を

取り付け，遮光した200mlナス型フラスコにベンズアル

デヒド0.05molとマロン酸0.05molを入れ，触媒とし

て３-メチルピリジン0.05molを加え，沸騰水浴にて加

熱を行った。反応終了後，室温まで冷却し，６Ｎの塩酸

を加え酸性にし，結晶を析出させた。氷冷し，吸引ろ過

を行い試料を得た。その後通常エタノールにて再結晶を

行い，光反応原料を得た。

ケイ皮酸誘導体の光反応は，結晶をシャーレ上に薄く

広げ，Pyrexジャケット付き100-w高圧水銀灯を用いて

通常８時間光照射を行った。生成物の同定はNMRの特

徴的なパターンにより行った。反応後，エタノールから

再結晶することにより生成物を単離精製した。

100-w高圧水銀灯はウシオ電機株式会社製UM-102

を用いた。 H-NMRの測定は日本ブルカー株式会社製

のBRUKERAVANCE-400S，または日本電子製JNM

-EX90を用い，結晶構造の解析は理学電機株式会社製の

R-AXISRAPIDを用いて測定を行った。分子軌道計算

は富士通株式会社製WinMOPACのPM3法により構

造最適化を行った。分子力学計算はHypercube社製

HyperChemのMM＋及び富士通株式会社製のMAS-

PHYCを用いた。以下に各光反応生成物の主要なデータ

を示す。

1a：Cinnamicacid

Yield：50.6％；mp：136.0-138.0℃ (lit., mp：

132℃)； H-NMR (Acetone-d；400MHz)：δ 6.54

(1H,d,J＝16.0Hz,CH＝),7.43-7.71(6H,m,Ar

-HandCH＝),10.78(1H,br,COOH)

2a：2c,4t-Diphenylcyclobutane-1r,3t-dicarboxylic

acid

Yield：43.9％；mp：279.0-281.0℃ (lit., mp：

276-280℃)； H-NMR (Acetone-d；400MHz)：δ

3.97(2H,dd,J ＝10.2Hz,J ’＝6.7Hz,CH),

4.45(2H,dd,J ＝10.2Hz,J ’＝6.7Hz,CH),

7.64-7.79(10H,m,Ar-H),10.63(2H,br,COOH)

3a：3t,4t-Diphenyl-1r,2c-cyclobutanedicarboxylic

acid

Yield：50.4％；mp：200.0-202.0℃； H-NMR

(Acetone-d；400MHz)：δ3.94(2H,d,J ＝6.0

Hz, CH), 4.38 (2H, d, J ＝6.0Hz, CH),

7.41-7.70(10H,m,Ar-H),10.79(2H,br,COOH)

1b：2-Methoxycinnamicacid

Yield：66.4％；mp：182.0-184.0℃ (lit., mp：

180℃)； H-NMR (Acetone-d；400MHz)：δ 3.93

(3H,s,CH),6.55(1H,d,J＝16.3Hz,CH＝),

6.91-7.72(4H,m,Ar-H),8.00(1H,d,J＝16.3

Hz,CH＝),10.65(1H,br,COOH)

2b：2c,4t-Bis(2-methoxyphenyl)cyclobutane-1r,

3t-dicarboxylicacid

Yield：88.1％；mp：267.0-269.0℃ (lit., mp：

264-265℃)； H-NMR (Acetone-d；400MHz)：δ

3.84(6H,s,CH),3.98(2H,dd,J ＝10.0Hz,

J ’＝7.6Hz,CH),4.61(2H,dd,J ＝10.2Hz,

J ’＝7.4Hz,CH),6.68-7.92(8H,m, Ar-H),

10.49(2H,br,COOH)

1c：2-Chlorocinnamicacid

Yield：74.9％；mp：209.0-213.0℃ (lit.,20) mp：

210.5-211.5℃)； H-NMR (Acetone-d；400

MHz)：δ 6.59 (1H, d, J＝16.0Hz, CH＝),

7.40-7.54(3H,m,Ar-H),7.89-7.92(1H,m,Ar

-H),8.08(1H,d,J＝16.2Hz,CH＝),10.89(1H,

br,COOH)

3c：3t,4t-Bis(2-chlorophenyl)-1r,2c-

cyclobutanedicarboxylicacid

Yield：3.9％；mp：198.0-203.7℃ (lit., mp：

200-204℃)； H-NMR (Acetone-d；90MHz)：δ

3.99-4.03(2H,d,J ＝6.2Hz,CH),4.89-4.94(2

H,d,J ＝6.2Hz,CH),7.018-7.441(8H,m,Ar

光反応にて得られた環化二量体において，四員環プロトンはAA’BB’型のパターンであるため一次解析は不可能

であるが，近似値として括弧内にJ値を示した。水のピークと重なってカルボキシルプロトンのピーク位置が確

認できないものがあった。

50

-H)

2d：2c,4t-Bis(2-hydroxy)cyclobutane-1r,3t-

dicarboxylicacid

Yield：58.5％；mp：252.5-254.5℃； H-NMR

(Acetone-d；400MHz)：δ4.12(2H,dd,J ＝10.2

Hz,J ’＝7.6Hz,CH),4.85(2H,dd,J ＝ 10.2

Hz,J ’＝7.6Hz,CH),6.84-7.50(8H,m,Ar-H),

10.54(2H,br,COOH)

1e：2-Fluorocinnamicacid

Yield：18.6％；mp：169.0-183.0℃； H-NMR

(Acetone-d；400MHz)：δ 6.62(1H,d,J＝16.2

Hz,CH＝),7.21-7.84(5H,m,Ar-H andCH＝),

10.92(1H,br,COOH)

3e： 3t,4t-Bis(2-fluorophenyl)-1r,2c-

cyclobutanedicarboxylicacid

Yield：64.6％；mp：162.0-163.0℃； H-NMR

(Acetone-d；400MHz)：δ4.05(2H,d,J ＝6.4

Hz, CH), 4.64 (2H, d, J ＝6.4Hz, CH),

6.82-7.86(8H,m,Ar-H),11.01(2H,br,COOH)

1f：2-Nitrocinnamicacid

Yield：59.2％；mp：245.0-246.0℃ (lit., mp：

245℃)； H-NMR (Acetone-d；400MHz)：δ 6.31

(2H,s,Ar-H),6.47(1H,d,J＝16.2Hz,CH＝),

7.48(1H,s,Ar-H),7.59(1H,s,Ar-H),8.03(1

H,d,J＝15.3Hz,CH＝),11.01(1H,br,COOH)

3f： 3t,4t-Bis(2-nitrophenyl)-1r,2c-

cyclobutanedicarboxylicacid

Yield：63.6％；mp：250.0-252.0℃ (lit., mp：

253-254℃)； H-NMR (Acetone-d；400MHz)：δ

4.11(2H,d,J ＝6.4Hz,CH),5.02(2H,d,J ＝

6.4Hz,CH),7.39-8.16(8H,m,Ar-H)

1g：2-Carboxycinnamicacid

Yield：39.1％；mp：190.0-191.0℃ (lit., mp：

190-192℃)； H-NMR (Acetone-d；90MHz)：δ

5.93(1H,d,J＝12.9Hz,CH＝),7.53-7.92(5H,

m,Ar-HandCH＝)

1h：2-Ethoxycinnamicacid

Yield：56.0％；mp：191.0-195.0℃； H-NMR

(Acetone-d；400MHz)：δ1.45(3H,t,CH),4.17

(2H,m,CH),5.59(1H,d,J＝16.2Hz,CH＝),

6.61-7.68(4H,m,Ar-H),8.01(1H,d,J＝16.2

Hz,CH＝),10.70(1H,br,COOH)

2h：2c,4t-Bis(2-ethoxy)cyclobutane-1r,3t-

dicarboxylicacid

Yield：8.9％；mp：283.0-287.0℃ (lit., mp：

285-287℃)； H-NMR (DMF-d；400MHz)：δ

1.08-1.12(6H,t,CH),3.98(2H,dd,J ＝8.0

Hz,J ’＝7.6Hz,CH),4.00-4.01(4H,m,CH),

4.59(2H,dd,J ＝8.0Hz,J ’＝7.6Hz,CH),

6.93-7.35(8H,m,Ar-H),10.29(2H,br,COOH)

1i：4-Methoxycinnamicacid

Yield：45.6％；mp：181.0-182.0℃ (lit., mp：

170-171℃)； H-NMR (Acetone-d；90MHz)：δ

3.86(3H,s,CHO),6.37(1H,d,J＝16.4Hz,

CH＝),6.94-7.04(2H,m,Ar-H),7.54-7.72(3H,

m,Ar-HandCH＝)

1j：4-Methylcinnamicacid

Yield：35.2％；mp：197.0-199.0℃ (lit., mp：

197-198℃)； H-NMR (Acetone-d；400MHz)：δ

2.06(3H,m,CH),6.48(1H,d,J＝16.0Hz,

CH＝),6.65(1H,d,J＝16.0Hz,CH＝),7.28(2H,

d,J＝7.9Hz,Ar-H),7.58(2H,d,J＝8.1Hz,Ar

-H),10.69(1H,br,COOH)

2j：2c,4t-Bis(4-methyl)cyclobutane-1r,3t-

dicarboxylicacid

Yield：27.6％；mp：282.0-284.0℃ (lit., mp：

281-282℃)； H-NMR (Acetone-d；90MHz)：δ

2.78(6H,s,CH),3.82(2H,dd,J ＝10.6Hz,

J ’＝8.9Hz,CH),4.26(2H,dd,J ＝10.6Hz,

J ’＝8.9Hz,CH),7.18(4H,d,J＝7.5Hz,Ar-H),

7.35(4H,d,J＝7.9Hz,Ar-H)

1k：4-Bromocinnamicacid

Yield：52.5％；mp：255.0-256.0℃ (lit., mp：

253℃)； H-NMR (Acetone-d；400MHz)：δ 6.58

(1H,d,J＝16.0Hz,CH＝),7.63(2H,d,J＝8.6

Hz,Ar-H),7.65(1H,d,J＝15.9Hz,CH＝),7.66

(2H,d,J＝8.5Hz,Ar-H),10.86(1H,br,COOH)

3k：3t,4t-Bis(4-bromophenyl)-1r,2c-cyclo-

butanedicarboxylicacid

Yield：24.3％；mp：217.0-220.0℃ (lit., mp：

219-220℃)； H-NMR (Acetone-d；90MHz)：δ

4.00(2H,d,J ＝6.2Hz,CH),4.90(2H,d,J ＝

6.2Hz,CH),7.20(4H,d,J＝4.9Hz,Ar-H),7.64

(4H,d,J＝4.0Hz,Ar-H),10.98(2H,br,COOH)

1l：4-Nitrocinnamicacid

Yield：52.9％；mp：204.0-206.0℃ (lit., mp：

217-218℃)； H-NMR (Acetone-d；90MHz)：δ

6.74(1H,d,J＝15.8Hz,CH＝),7.69-8.35(5H,

m,Ar-HandCH＝)

3l：3t,4t-Bis(4-nitorophenyl)-1r,2c-cyclo-

butanedicarboxylicacid

Yield：7.8％；mp：158.5-160.5℃； H-NMR

(Acetone-d；90MHz)：δ 4.12(2H,d,J ＝7.6

Hz,CH),4.65(2H,d,J ＝6.6Hz,CH),7.46(4

H,d,J＝8.8Hz,Ar-H),8.02(4H,d,J＝8.8Hz,

Ar-H),11.35(2H,br,COOH)

51

1m：4-Hydroxycinnamicacid

Yield：29.8％；mp：223.0-226.0℃ (lit., mp：

226℃)； H-NMR(Acetone-d；90MHz)：δ6.24(1

H,d,J＝15.9Hz,CH＝),6.94-7.85(2H,m,Ar

-H),7.51-7.71(3H,m,Ar-HandCH＝),8.94(1

H,s,OH)

1n：4-Ethoxycinnamicacid

Yield：44.1％；mp：195.0-197.0℃； H-NMR

(Acetone-d；400MHz)：δ1.38(3H,t,CH),4.11

(2H,m,CH),6.37(1H,d,J＝15.9Hz,CH＝),

6.97-6.99(2H,m,Ar-H),7.61-7.71(3H,m,Ar

-HandCH＝),10.54(1H,br,COOH)

1o：4-Isopropylcinnamicacid

Yield：25.5％；mp：112.0-114.0℃； H-NMR

(Acetone-d；90MHz)：δ1.24(9H,d,CH),2.98

(1H,m,CH),7.28-7.43(3H, m, Ar-H and

CH＝),7.78-8.01(3H,m,Ar-HandCH＝)

1p：4-Dimethylaminocinnamicacid

Yield：40.3％；mp：221.0-224.0℃ (lit., mp：

216℃)； H-NMR(Acetone-d；90MHz)：δ3.04(6

H,m,CH),6.23(1H,d,J＝14.8Hz,CH＝),

6.70-7.50(5H,m,Ar-HandCH＝)

1q：4-Aminocinnamicacid

Yield：52.9％；mp：175.0-177.0℃ (lit., mp：

173-175℃)； H-NMR (Acetone-d；90MHz)：δ

6.22(2H,m,Ar-H),6.84(1H,d,J＝16.4Hz,

CH＝),7.35-7.68(3H,m,Ar-HandCH＝)

1r：4-Methylthiocinnamicacid

Yield：20.2％；mp：175.0.0-177.8℃ (lit., mp：

170-171℃)； H-NMR (Acetone-d；400MHz)：δ

2.54(3H,s,SCH),6.22(2H,m,Ar-H),6.49(1

H,d,J＝16.0Hz,CH＝),7.32(2H,d,J＝8.8Hz,

Ar-H),7.64(2H,d,Ar-H),7.64(1H,d,J＝16.7

Hz,CH＝),10.71(1H,br,COOH)

2r：2c,4t-Bis(4-methylthio)cyclobutane-1r,3t-

dicarboxylicacid

Yield：88.9％；mp：249.5-253.5℃； H-NMR

(Acetone-d；400MHz)：δ 2.48(6H,s,SCH),

3.95(2H,dd,J ＝10.4Hz,J ’＝8.0HzCH),4.39

(2H,dd,J ＝10.4Hz,J ’＝7.2Hz,CH),7.23(4

H,d,J＝8.4Hz,Ar-H),7.36(4H,d,J＝8.3Hz,

Ar-H),10.61(2H,br,COOH)

3r：3t,4t-Bis(4-methylthiophenyl)-1r,2c-

cyclobutanedicarboxylicacid

Yield：95.2％；mp：100.0-106.0℃； H-NMR

(Acetone-d；400MHz)：δ 2.39(6H,s,SCH),

3.89(2H,d,J ＝6.2Hz,CH),4.33(2H,d,J ＝

6.0Hz,CH),7.05(8H,s,Ar-H)

1s：4-Cyanocinnamicacid

Yield：76.8％；mp：245.0.0-249.0℃ (lit., mp：

256-256.5℃)； H-NMR (Acetone-d；400MHz)：δ

6.71(1H,d,J＝16.0Hz,CH＝),7.73(1H,d,J＝

16.1Hz,CH＝),7.85(2H,d,J＝8.5Hz,Ar-H),

7.92(2H,d,J＝8.4Hz,Ar-H),11.02(1H,br,

COOH)

3s：3t,4t-Bis(4-cyanophenyl)-1r,2c-

cyclobutanedicarboxylicacid

Yield：27.6％；mp：257.9-259.0℃； H-NMR

(Acetone-d；90MHz)：δ 4.06(2H,d,J ＝6.7

Hz,CH),4.56(2H,d,J ＝6.7Hz,CH),7.35(4

H,d,J＝8.8Hz,Ar-H),7.55(4H,d,J＝10.2Hz,

Ar-H)

1t：4-Trifluoromethylcinnamicacid

Yield：97.3％；mp：202.0-205.0℃； H-NMR

(Acetone-d；400MHz)：δ 6.69(1H,d,J＝16.0

Hz,CH＝),7.75(1H,d,J＝16.2Hz,CH＝),7.79

(2H,d,J＝8.2Hz,Ar-H),7.93(2H,d,J＝8.1

Hz,Ar-H),10.98(1H,br,COOH)

3t：3t,4t-Bis(4-trifluoromethylphenyl)-1r,2c-

cyclobutanedicarboxylicacid

Yield：90.3％；mp：198.0-200.0℃； H-NMR

(Acetone-d；400MHz)：δ4.06(2H,d,J ＝6.4

Hz,CH),4.58(2H,d,J ＝6.3Hz,CH),7.40(4

H,d,J＝8.2Hz,Ar-H),7.47(4H,d,J＝8.2Hz,

Ar-H),11.06(2H,br,COOH)

1u：4-Phenylcinnamicacid

Yield：28.3％；mp：226.4-228.7℃ (lit., mp：

223-224℃)； H-NMR (Acetone-d；400MHz)：δ

6.59(1H,d,J＝16.0Hz,CH＝),6.61-7.81(10H,

m,Ar-HandCH＝),10.79(1H,br,COOH)

3u：3t,4t-Bis(4-phenylphenyl)-1r,2c-

cyclobutanedicarboxylicacid

Yield：12.4％；mp：199.8-205.0℃； H-NMR

(Acetone-d；400MHz)：δ4.00(2H,d,J ＝6.7

Hz, CH), 4.47 (2H, d, J ＝6.3Hz, CH),

7.36-7.82(18H,m,Ar-H)

1v：4-Fluorolcinnamicacid

Yield：51.2％；mp：185.0-188.0℃； H-NMR

(Acetone-d；90MHz)：δ 6.49(1H,d＝16.2Hz,

CH＝),7.11-7.34(2H,m,Ar-H),7.59-7.84(3H,

m,Ar-HandCH＝)

3v：3t,4t-Bis(4-fluorophenyl)-1r,2c-

cyclobutanedicarboxylicacid

Yield：18.2％；mp：180.4-187.2℃； H-NMR

(Acetone-d；90MHz)：δ 3.93(2H,d,J ＝6.6

Hz, CH), 4.38 (2H, d, J ＝6.7Hz, CH),

52

6.79-7.31(8H,m,Ar-H)

1w：4-Carboxycinnamicacid

Yield：47.6％；mp：318.0-320.0℃； H-NMR

(Acetone-d；90MHz)：δ6.72(1H,d,J＝15.8Hz,

CH＝),7.63-8.49(5H,m,Ar-HandCH＝)

3w：3t,4t-Bis(4-carboxyphenyl)-1r,2c-

cyclobutanedicarboxylicacid

Yield：9.2％；mp：313.0-315.0℃； H-NMR

(Acetone-d；90MHz)：δ 4.46(2H,d,J ＝8.0

Hz, CH), 4.55 (2H, d, J ＝8.0Hz, CH),

7.23-7.85(8H,m,Ar-H)

３．実験結果および 察

3.1 光化学反応

固相光化学反応は分子の空間配列のみに依存し，電子

的効果や立体効果にはほとんど影響を受けない場合が多

い.固相におけるケイ皮酸類の二量化については基質の

結晶状態における分子の並び方により生成物の立体構造

が決定されることがSchmidtらによって明らかにされ

ている。固相光化学はトポ化学因子といわれる効果によ

り支配され，固相における反応は原子または分子の移動

が最小になるように起こるとされている 。このことは，

生成物の立体構造から原料のモノマー分子間の最近接配

置が推定できることを示している。

ケイ皮酸およびその置換体は，α型，β型，γ型の三種

の結晶形がある。光照射すると励起されたケイ皮酸の分

子がその近傍の分子と結晶における立体配置を保持した

まま反応し，［２＋２］環化付加生成物を形成する

（Fig.1）。α型からはh-t型の生成物であるα-トルキ

シル酸およびその置換体が，β型からはh-h型の生成物

β-トルキシン酸が生成することが明らかになってお

り ，γ型においては光二量化せず，反応が進行しない

とされている。さらに，結晶格子内における最近接分子

の二重結合間の距離については4.2Å以下の場合に反応

が進行し，その距離が4.7Å以上の場合は反応が進行し

ないとされている。それぞれその結晶内の立体配置を保

持したまま光二量化するため，α-トルキシル酸とβ-ト

ルキシン酸を選択的に得ることができる。

種々のケイ皮酸誘導体の結晶を同じ条件下で光照射し

たところ，特別な場合を除いて光反応が進行する場合に

はh-tまたはh-h型の二量体の一方のみが選択的に生

成した。結果をTable1に示す。23種のケイ皮酸誘導体

をエタノール溶液からの再結晶により結晶を作成し光照

射を行って，1a，1b，1d，1h，1j，1rからはh-t型の生

成物が，1c，1e，1f，1k，1l，1s，1t，1u，1v，1wから

はh-h型の生成物が得られた。

また，結晶化の方法により生成物の立体構造が変化す

る可能性の検討を行うため，昇華法により結晶化したケ

イ皮酸誘導体の光照射を行ったところ，1aについてはエ

タノールからの再結晶の場合のh-t型二量体ではなく、

h-h型二量体が生成することが見出された。1rをエタ

ノールを用いて再結晶を行った場合にはh-t型二量体が

得られるが，昇華法による結晶からはh-h型二量体が得

られ，無置換のケイ皮酸と同様に結晶多形の存在が明ら

かになった。また，1aおよび1rを水から再結晶を行った

場合，h-h型二量体が生成物として得られた。水から再結

晶して得られる結晶を48時間室温で放置後，光照射した

ところ無置換のケイ皮酸およびp-SCH体ともh-t型と

h-h型の二量体の混合物がそれぞれh-t：h-h＝1：

0.1（for1a），h-t：h-h＝1：4.4（for1r）の割合で得ら

れ，これらの結晶が不安定型であることが判明した

（Fig.2，3）。1hはエタノールを用いた結晶化法では

h-t型の光反応生成物が得られるが，水を用いて再結晶

を行った場合，反応が進行しなかった 。以上の様に水を

用いた再結晶により結晶形が変化する場合があることが

明らかになった。

3.2 四員環生成物の H-NMRパターン

生成物の特定は四員環プロトンの H-NMRの特徴的

な分裂パターンから判定した。光反応により得られた環

Fig.1 Schematicsolid-statephotochemistryofcin-

namicacidderivatives.

53

Table1．Photochemicalreactionofcinnamicacidderivatives

Substituent Crystallization ProductsReactiontime mp Yield

min ℃ ％

H(1a)

o-CHO(1b)

o-Cl(1c)

o-OH(1d)

o-F(1e)

o-NO(1f)

o-COOH(1g)

o-CHO(1h)

p-CHO(1i)

p-CH(1j)

p-Br(1k)

p-NO(1l)

p-OH(1m)

p-CHO(1n)

p-(CH)CH(1o)

p-(CH)N(1p)

p-NH(1q)

p-SCH(1r)

p-CN(1s)

p-CF(1t)

p-Ph(1u)

p-F(1v)

p-COOH(1w)

fromEtOHsoln.

bysublimationfromHOsoln.

fromEtOHsoln.

bysublimationfromHOsoln.

fromEtOHsoln.

bysublimationfromEtOHsoln.

bysublimationfromHOsoln.

fromEtOHsoln.

h-t(2a)

h-h(3a)

h-h(3a)

h-t(2b)

h-h(3c)

h-t(2d)

h-h(3e)

h-h(3f)-

h-t(2h)----

h-t(2j)

h-h(3k)

h-h(3l)-----

h-t(2r)

h-h(3r)

h-h(3r)

h-h(3s)

h-h(3t)

h-h(3u)

h-h(3v)

h-h(3w)

48048048048048048048048060048048048048048048048048048028804803600480480480480480480600480480

279.0-281.0191.0-193.0200.0-202.0267.0-269.0198.0-203.7252.5-254.5162.0-163.0250.0-252.0

-283.0-287.0

----

282.0-284.0217.0-220.0158.5-160.5

-----

249.5-253.5170.0-172.0180.0-184.0257.0-259.0198.0-200.0199.8-205.0180.4-187.2313.0-315.0

43.979.850.488.13.958.864.663.6-8.9----27.624.37.8-----88.996.095.227.690.312.418.29.2

Fig.2 Photochemicalreactionpolymorphiccrystals

of1aobtainedfromdifferentsolvents.

Fig.3 Photochemicalreactionpolymorphiccrystals

of1robtainedfromdifferentsolvents.

54

化二量体は，約４～６ppmにシクロブタン環のプロトン

に特有のNMRパターンが現れる。この特徴的なプロト

ンの分裂パターンはAA’BB’型で，いずれも対称的であ

る 。Fig.4-aはh-t型二量体に，Fig.4-bはh-h型二量

体に対応する。

3.3 光反応原料の単結晶Ｘ線構造解析

光反応結果と光反応原料の結晶構造とは前述のように

密接な関係があるので，ケイ皮酸誘導体についてＸ線結

晶構造解析を行った。代表的なケイ皮酸誘導体のＸ線構

造解析結果を以下に示す。

1a：Crystal Dimensions：0.20×0.20×0.10mm,

LatticeParameters：a＝5.637⑴Å,b＝17.996⑶Å,

c＝7.724⑴Å,β＝96.771⑸°,V＝778.0⑵Å ,Space

Group：P2/n(#14),Residuals：R1：0.075。カルボ

キシル基同士の水素結合の距離は2.64Åであり，最近接

の二重結合間の距離は3.68Åで，h-t型の結晶構造で

あった（Fig.5）。

1b：Crystal Dimensions：0.40×0.30×0.40mm,

Lattice Parameters：a＝7.1736⑺Å, b＝17.6830

⑷Å, c＝7.9511⑴Å, β＝115.045⑺°, V＝913.8

⑴Å ,SpaceGroup：P2/a(#14),Residuals：R1：

0.067。水素結合の距離は2.64Å，最近接の二重結合間の

距離は4.15Å，h-t型の結晶構造であった（Fig.6）。

1d：Crystal Dimensions：0.40×0.30×0.10mm,

LatticeParameters：a＝8.7886⑻Å,b＝5.4988⑷Å,

c＝16.274⑴Å,β＝94.002⑵°,V＝784.6⑴Å ,Space

Group：P2/c(#14),Residuals：R1：0.056。水素結

合の距離は2.66Å，最近接の二重結合間の距離は

3.66Å，h-t型の結晶構造であった（Fig.7）。

1k：Crystal Dimensions：0.20×0.18×0.10mm,

LatticeParameters：a＝6.8627⑻Å,b＝3.9205⑷Å,

Fig.5 ViewofthecrystalpackingandORTEPfor

1aatthefinalstageofR＝0.075.Thedouble-

bondseparationsbetweennearest-neighborsare

3.68Å.

Fig.6 ViewofthecrystalpackingandORTEPfor

1batthefinalstageofR＝0.067.Thedouble-

bondseparationsbetweennearest-neighborsare

4.15Å.

Fig.4-a TypicalNMRpatternofcyclobutanepro-

tonsinthecaseoftheh-tdimer(2a).

Fig.4-b TypicalNMRpatternofcyclobutanepro-

tonsinthecaseoftheh-tdimer(3a).

55

c＝31.540⑶Å,β＝89.800⑷°,V＝848.6⑵Å ,Space

Group：P2/n(#14),Residuals：R1：0.061。カルボ

キシル基同士の水素結合の距離は2.62Åであり，最近接

の二重結合間の距離は3.92Åで，h-h型の結晶構造で

あった（Fig.8）。

1r：h-t型の結晶の場合CrystalDimensions：0.70×

0.25×0.53mm, Lattice Parameters：a＝7.8294

⑺Å,b＝11.969⑵Å,c＝5.4668⑻Å,α＝98.281⑹°,

β＝98.321⑸°,γ＝105.714⑷°,V＝478.8⑴Å ,Space

Group：P1(#2),Residuals：R1：0.045。水素結合の

距離は2.63Å，最近接の二重結合間の距離は3.67Åで

あった（Fig.9）。また，h-h型の結晶の場合若干精度は

劣るが，CrystalDimensions：0.60×0.40×0.25mm,

Fig.7 ViewofthecrystalpackingandORTEPfor

1datthefinalstageofR＝0.056.Thedouble-

bondseparationsbetweennearest-neighborsare

3.66Å.

Fig.8 ViewofthecrystalpackingandORTEPfor

1katthefinalstageofR＝0.061.Thedouble-

bondseparationsbetweennearest-neighborsare

3.92Å.

Fig.9 ViewofthecrystalpackingandORTEPfor

1rinthecaseoftheh-htypecrystalatthefinal

stageofR＝0.045.Thedouble-bondseparations

betweennearest-neighborsare3.67Å.

Fig.10 ViewofthecrystalpackingandORTEPfor

1rinthecaseoftheh-htypecrystalatthefinal

stageofR＝0.085.

56

LatticeParameters：a＝13.970⑶Å,b＝14.898⑶Å,

c＝9.292⑴Å,α＝91.520⑹°,β＝104.524⑼°,.γ＝

80.608⑼°,V＝1846.9⑹Å ,SpaceGroup：P1(#1),

Residuals：R1：0.085であった（Fig.10）。

3.4 ケイ皮酸誘導体クラスターの分子力学計算

分子軌道計算の場合と同様に結晶の最小単位としての

分子の相互作用を検討するため，最初に２分子系で構造

最適化を行った。Table2にh-tにケイ皮酸誘導体二分

子を重ねた構造で構造最適化を行った場合の結果を示

し，Table3にh-hにケイ皮酸誘導体二分子を重ねた構

造の構造最適化を行った場合の結果を示した。h-t型に

２分子を並べて構造最適化を行った場合，エネルギーに

ついてはh-h型よりも低くなっている。しかしながら，

二重結合間の距離の平 は5.064Åであり，h-h型の平

である3.668Åよりも遠くなるという結果が得られ

た。h-h型に配置して構造最適化を行った場合について

は，エネルギーはh-t型よりも高くなるが，二重結合間の

距離は近くなるという結果が得られた。つまり，二重結

合間の距離に関してはh-h型の方が現実の結晶の状態

に近くなることが明らかになった。しかしながら，２分

子系では結晶の状況を正しく表すことができないため，

より結晶の状況に近づくと えられるので，次にケイ皮

酸10分子のクラスターで計算を行った。h-t型の結晶に

おいては，ケイ皮酸分子同士の水素結合ペアーがずれて

スタッキングする傾向が見られるため，h-t型のクラス

ターの場合には初期構造として類似のスタッキングを採

用し，構造最適化を行った。構造最適化が完了した段階

で，o-OHケイ皮酸分子の場合には５対がh-t型に並ぶ

（Fig.11）。反応でh-t型の生成物を与えるo-OH体で

は最近接の二重結合間の距離が3.67Åとなり，２分子で

計算した場合である4.91Åよりもはるかに二重結合間

が近づくという結果が得られた。また，これはＸ線構造

解析の値である3.66Åともよい対応を示している。一方

h-h型の生成物を与えるo-Br体についても同様のモデ

ルで計算すると二重結合間の距離が4.1Å程度とo-OH

体の二重結合間の距離である3.67Åよりも遠くなるこ

とが明らかになった（Fig.12）。他の置換基においても類

似の結果が得られた。

これらのことより，特に分子間相互作用等によりh-t

型配置が有利なものは最近接分子がh-t型配置の結晶を

形成し，そうでない物についてはh-h型になると えら

れる。

3.5 分子軌道法による置換基効果の検討

この固相光化学反応において置換基効果の有無の検討

を行うため，分子軌道計算を行う前に，まず実験的な置

換基の指標としてHammettの置換基定数 と反応結

Fig.11 A clusterincluding 10moleculesofo-

hydroxycinnamicacidanddouble-bondsepara-

tionscalculatedbyMM＋.

3.5403.6293.5503.5543.6873.8423.9663.6803.5853.5703.5303.882

-13.222-1.763-8.303-7.358-14.907-6.776-14.400-14.462-14.841-7.428-15.797-13.887

1a1b1c1d1e1i1k1m1vo-Brp-Etp-Cl

Table3．Doublebondseparationinanh-hpairof

cinnamicacidfromMM＋ calculation

SubstituentEnergy doublebondseparation

kcal/mol Å

4.8015.4254.6184.9084.6596.2974.6035.2624.6344.6206.3324.613

-14.597-3.636-9.168-9.236-12.216-7.987-15.497-14.262-15.826-8.235-17.141-15.641

1a1b1c1d1e1i1k1m1vo-Brp-Etp-Cl

Åkcal/mol

doublebondseparationEnergySubstituent

Table2．Doublebondseparationinanh-tpairof

cinnamicacidfromMM＋ calculation

Fig.12 A clusterincluding 10moleculesofo-

bromocinnamicacidanddouble-bondsepara-

tionscalculatedbyMM＋.

57

果との比較を行った。Fig.13に示すように横軸にHam-

mettの置換基定数の順に置換基を置き，反応の型との比

較を行った。光反応が進む場合においては置換基定数の

小さいところではh-t型，大きいところではh-h型とい

う傾向が認められた。これは，置換基が電子供与性では

h-t型，電子吸引性ではh-h型という関係である。

しかしながらHammett則では適用範囲が狭いので，

WinMOPACを用いてPM3分子軌道計算を行い，置換

ケイ皮酸の構造最適化を行い，反応指数を求めた（Fig.

14）。Hammettの置換基定数の場合と同様に置換基効果

について，HOMO，LUMO，CH＝の炭素とカルボキシ

ル基の二重結合酸素の電荷，また，CH＝の炭素，カルボ

キシル基の二重結合酸素のHOMOおよびLUMOの電

子密度，ベンゼン環上のおのおのの炭素のHOMOの電

子密度等に対する光反応の結果（生成物の型）との対応

の検討を行ったところ，カルボキシル基の二重結合酸素

の電荷において特に良い相関が見られた。これは，マイ

ナス性が大きいところではh-t型，小さいところではh

-h型の光反応生成物という対応関係を示しており，電荷

が一定値を越えるとh-h型の二量体が生成する傾向が

認められた。このことはトポ化学則からモノマー結晶中

での最近接分子同士の配置に対応していると えられ，

置換基の電子供与性，電子吸引性との関連を強く示唆す

る結果であると えられる。カルボキシル基の炭素につ

いてもほぼ同様の結果が得られ，実際に最近接の配置を

決定しているのは炭素の電荷であると えられる。これ

より，h-t型の生成物を与える結晶においてはベンゼン

環のδ-性とカルボキシル基δ＋性が大きいことにより

カルボキシル基とベンゼン環のπ電子との相互作用が

強くなりh-t型のスタッキングを有利にしていることが

強く示唆される。また，ジクロロ体はh-h型配置をとり

やすいという傾向があるが，ほとんど置換基効果に対す

る検討はなされていない。本研究では電子吸引性の置換

基を持つ範疇に属するジクロロ体はh-h型をとる傾向

にあるという結論になり，矛盾しない。また，結晶多形

を持つ1a，1rではカルボキシル基の電荷の大きさが典

型的なh-t型とh-h型の中間領域に位置することが認

められた。このような場合に結晶多形をとる可能性が高

くなると えられる。

3.6 ケイ皮酸誘導体のスタッキングの検討

カルボキシル基の二重結合の酸素の電荷と生成物の型

との対応が非常に良いことに注目し，Ｘ線結晶解析の結

果と比較検討を行った。代表的な例として無置換のケイ

皮酸のＸ線構造解析の結果をFig.15に示した。最近接

のスタッキングはh-t型で，最近接二重結合間の距離も

4.2Åより近接しており，カルボキシル基がベンゼン環と

重なる位置にスタッキングしている。最近接の二重結合

間の距離は3.68Åであるのに対し，カルボキシル基の二

重結合酸素とベンゼン環の炭素の最近接の距離は

3.76Åである。カルボキシル基の炭素とベンゼン環の炭

素の最近接の距離は3.42Åであり，最近接の二重結合間

の距離よりもカルボキシル基-ベンゼン環の炭素間の方

が近い値となっている。Table4にカルボキシル基とベ

ンゼン環がなす平面との距離を示した。h-t型の生成物

を与える場合には，他の置換体も同様にカルボキシル基

とベンゼン環は接近している。これらはPauling の炭

素，ベンゼン環のvanderWaals半径の和3.40Åから

えても近い値である。

Fig.13 RelationofreactiontypetoHammettsub-

stituentconstants(σ).

Fig.14 Relationofreactiontypetochargeonoxy-

gen(C＝O)ofcarboxylgroup.Forpolymor-

phiccrystals,theh-tformisstablerthanthe

h-hone. Fig.15 Separationofcinnamicacidpair.

58

４．まとめ

ケイ皮酸誘導体の固相光化学反応における置換基効果

を分子軌道法，およびＸ線結晶解析法などを用いて検討

を行った結果，以下のことが明らかとなった。

種々のケイ皮酸誘導体を光反応することにより，光反

応が進行する場合にはh-t型またはh-h型のいずれか

一方が生成し，結晶多形が存在することが判明した無置

換のケイ皮酸，p-SCH体では通常h-t型の生成物が得

られるが，水を用いて再結晶を行った場合にはh-h型の

二量体が生成した。水が結晶形を変化させる場合がある

という興味ある知見が得られた。

Hammettの置換基定数と反応結果の比較を行ったと

ころ非常に良い相関が見られ，さらに，分子軌道計算で

は特にカルボキシル基の二重結合の酸素電荷において生

成物の型との相関が認められた。これは置換基の電子供

与性，電子吸引性との関連を強く示唆する結果である。

また，カルボキシル基の二重結合の電荷の大きさが典型

的なh-t型とh-h型の中間に位置する置換基の場合に，

結晶多形をとる可能性が高くなると えられる。

電子供与性の置換基の場合，ケイ皮酸誘導体のベンゼ

ン環のπ軌道とカルボキシル基のπ軌道の静電的相互

作用またはOH/π水素結合によりh-t型のスタッキン

グが有利になり，h-t型の二量体が生成すると えられ

る。一方，この相互作用が小さい電子吸引性の置換基の

場合にはh-hのスタッキングが有利になり対応する生

成物が得られていると えられる。

５．謝辞

本研究を行うにあたり11年度私立大学研究設備補助

金により導入したIPワイゼンベルグ単結晶自動Ｘ線構

造解析装置R-AXISRAPID，および，計算センターに

導入されたMASPHYCを利用しました。関係各位に深

く感謝の意を表します。

参 文献

１)H.L.Carrell,G.R.Desiraju,Chem.Mater.,6,

1994,1282.

２)S.Kanao,S.Kashino,M.Haisa,ActaCrystal-

logr.,Sect.C(Cr.Str.Comm.),46,1990,2436.

３)I.Csoregh,M.Czugler,A.Kalman,E.Weber,

M.Hecker,Bull.Chem.Soc.Jpn.,64,1991,2539.

４)V.Enkelmann, G.Wegner, K.Novak K.B.

Wagener,J.Am.Chem.Soc.,115,1993,10390.

５)H.Ihmels,Eur.J.Org.Chem.,7,1999,1595.

６)K.Takagi,S.Shibata,S.Oguri,Y.Sawaki,Y.

Suzuoki,T.Segi,Chem.Lett.,12,1993,2103.

７)G.W.Griffin,A.F.Vellturo,K.Furukawa,J.

Am.Chem.Soc.,83,1961,2725.

８)Y.Ito,H.Hosomi,S.Ohba,Tetrahedron,56,

2000,6833.

９)T.Ishigami,T.Murata,T.Endo,Bull.Chem.

Soc.Jpn.,49,1976,3578.

10)G.Lem,N.A.Kaprinidis,D.I.Schuster,N.D.

Ghatlia,N.J.Turro,J.Am.Chem.Soc.,115,

1993,7009.

11)H.Usami,K.Takagi,Y.Sawaki,Chem.Lett.,

8,1992,1405.

12)K.Tanaka,E.Mochizuki,N.Yasui,Y.Kai,I.

Miyahara,K.Hirotsu,K.Toda,Tetrahedron,

56,2000,6853.

13)M.D.Cohen, G.M.J.Schmidt, J.Chem.Soc.,

1964,1996.

14)M.D.Cohen,G.M.J.Schmidt,F.I.Sonntag,J.

Chem.Soc.,1964,2000.

15)G.R.Desiraju,“OrganicSolidStateChemistry”,

ELSEVIER SCIENCE PUBLISHING COM-

PANYINC.,NewYork,1987.

16)R.S.Gopalan,G.V.Kulkarni,Indian.J.Agric.

sci.,113,2001,307.

17)K.D.M.Harris,I.L.J.Patterson,J.Chem.Soc.

PerkinTrans.2,1994,1201.

18)A.V.Dombrovskii,B.S.Fedorov,Zh.V.Belits-

kaya, Otd.Obshch.Tekh.Khim.1967, 1967,

173.

19)J.Klein, E.D.Bergmann, J.Am.Chem.Soc.,

79,1957,3452.

20)G.H.Cleland,J.Org.Chem.,26,1961,3362.

21)E.Boyland, D.Manson, J.Chem.Soc., 1957,

4689.

22)V.M.Rodionov, A.A.Dudinskaya, V.G.

2.64Å

2.64Å

2.66Å

2.63Å

Hydrogenbond

separation

(O-O)

3.31Å

3.28Å

3.43Å

3.12Å

3.43Å

3.23Å

3.34Å

3.36Å

3.68Å

4.15Å

3.66Å

3.67Å

h-t

h-t

h-t

h-t

1a

1b

1d

1r

Table4．Crystallographicaldistanceofcinnamicacid

derivatives

SubstrateProductsDoublebond

separation

Separationbetweenbenzene

ringandcarboxylgroup

fromC from＝O

59

Avramenko, N.N.Suvorov, Zhur.Obshchei

Khim.,28,1958,2242.

23)J.J.Carroll, W.L.Nobles, J.Am.Pharm.

Assoc.,46,1957,72.

24)V.R.Dani,K.S.Nargund,J.KarnatakUniv.,

4,1959,26.

25)M.J.D.Brand, B.Fleet, J.Electroanal.Chem.

Interfacial.Electrochem.,16,1968,341.

26)V.R.Skvarchenko, D.Ts.Tsybikova, R.Ya.

Levina, Moscow,Zhur.ObshcheiKhim.,31,

1961,1819.

27)G.M.J.Schmidt,J.Chem.Soc.,1964,2014.

28)L.H.Klemm,K.W.Gopinath,T.J.Dooley,C.

E.Klopfenstein,J.Org.Chem.,31,1966,3003.

29)D.G.Farnum, A.Mostashari, J.Org.Photo.

Syn.,1,1979,103.

30) S.K.D.Mudigonda,A.R.P.S.Jagarlapudi,R.

D.Gautam, J.Chem.Soc.,Chem.Commum.,

1991,1702.

31)A.V.Willi,Can.J.Chem.,44,1966,1889.

32)J.F.Bunnett, Angew.Chem.Intern.ed.Engl.,

1,1962,225.

33)L.Pauling,“TheNatureoftheChemicalBond”,

3rdEd.,CornellUniv.Press,1960.

（Ｈ14.12.10受理）

60