東大,光と熱で制御するギア分子を開発


東京大学とリガクの研究グループは,二つの回転子のかみ合いを光と熱によって可逆に切り替えることができるギア分子の開発に成功した(ニュースリリース)。

分子機械は,光や熱といった外部からの刺激により,目的に合った一定の制御された動きが可能になる分子群。今回,有機分子と金属イオンが結合した金属錯体を用いて,ナノメートルサイズのギア分子を構築し,”金属イオン上での幾何異性化反応”という金属錯体固有の性質を分子機械の運動制御に適用した。

研究グループは,アザホスファトリプチセンという有機回転子を設計・合成した。この有機回転子では,リン原子が金属錯体を形成することにより,金属イオンとリン原子の間の結合を軸とする回転が可能になる。

研究では,二当量の有機回転子と塩化白金酸塩とを反応させ,白金イオンに有機回転子と塩化物イオンがそれぞれ二つずつ結合した白金錯体を合成した。この白金錯体の構造や運動の詳細は,各種の核磁気共鳴分光測定,質量分析,X線単結晶構造解析などにより明らかにした。

ギア分子の構造をX線単結晶構造解析した結果,合成した直後の分子は二つの回転子が隣り合ったcis体と呼ばれる構造をとっている。cis体の錯体は二つの回転子が錯体分子内で互いにかみ合った構造をとっており,二つの回転子がかみ合っている”オン”の状態であるとみなすことができる。

次に,このcis錯体に紫外光を照射すると,白金中心の幾何異性化が起こり,回転子が向かい合わせになったtrans体と呼ばれる構造に切り替わることが明らかとなった。このtrans体では,二つの回転子が互いに離れて位置することから,回転運動のかみ合いが起こらない“オフ”の状態とみなすことができる。

トルエン/ジクロロエタン溶媒中でこの切り替え操作を行なったところ,紫外光の照射によりcis:trans=19:81となり,trans体が主たる成分に変換した。次にこの溶液を100°Cで加熱したところ,cis:trans=78:22と,cis体が主たる成分になり,光による“オン→オフ”と熱による“オフ→オン”の切り替えを可逆的に行なえた。この切り替え操作は,再現性良く繰り返し行なうことができた。

この研究で開発した手法は,金属錯体の特性を活かした分子機械の新しい構造モチーフと制御方法を提案するもの。また,この手法は薬品を系中に加えることなく制御が可能であるため,モーターやブレーキといった,これまでに開発されてきた分子機械と組み合わせることで,より複雑な分子機械の開発も期待できるという。

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