安全安心で快適な社会を支えるIoT基盤技術に関する研究
コロナ禍をきっかけに、世界中の人々の生活スタイルが変化しつつあります。その中で重要な役割を果たすのが通信システムです。我々はネットワークそのものが、ユーザの利用形態、無線環境など様々な状態を理解し、状況に応じて最適なネットワーク利用形態をユーザに提供する究極に便利なネットワークインフラストラクチャの創造を目指しています。
分子を組み合わせてナノレベルの機械部品を操作する ～インターロック超分子を用いた分子マシンの実現にむけて～
ロタキサンやカテナンなどに代表されるインターロック分子は、分子間に生じる超分子相互作用を介して互いに絡み合い固定化した興味深い構造を有しています。これまでに、近年の有機分子合成技術を多用して、多種類のインターロック分子の合成に成功しています。そこで我々は、このインターロック分子の特徴的な動的挙動や３次元構造を有効利用して、分子マシンとして実社会での応用を実現すべく、ナノレベルの機械部品となる分子設計とその開発研究を行っています。
【現状の問題点】
これまでに多くの研究者が多種類のインターロック超分子を合成し，現在も新たな超分子の合成に挑戦し続けていますが，今後の応用展開や社会での実用化への実現を見据えたとき，高効率合成の達成やカスタムメイド型分子設計に対応する必要があります。さらには，環状分子や軸状分子などの各分子部品の組み合わせ方法や多様性，分子間相互作用の選択性を向上しなければなりません。
しかしながら，現在のインターロック超分子合成法では，イオン性分子の利用や，のちに除去の必要な添加物である金属カチオンやハロゲン化物アニオンによるテンプレートの利用が主となっており，インターロック超分子の構造には多くの制限が存在することが課題となっています。
その一方で，非イオン性分子を部品に利用し，水素結合やπ－π相互作用，疎水性相互作用などの分子間相互作用を用いたインターロック超分子の合成方法も発展していますが，アミド，パラコート，ポリエチレングリコール，シクロデキストリンなど数種類に限定されているのが現状です。
pH駆動型分子スイッチの分子構造
pH駆動型分子シャトルの分子構造
pH駆動型分子ローターの分子構造
【現在進行中のプロジェクト】
ビスアミド型骨格を持つ大環状化合物と中性フェナントロリン誘導体を軸状分子として使用することで効率的に錯形成し，ストッパー部位を両末端に導入して合成しました。さらに，このロタキサンに酸/塩基を添加すると環状分子が軸状分子に存在する2か所のいずれかのステーション間でスイッチングすることに成功しました。 (分子スイッチ型)
つぎに，フェナントロリン部位に対して第二ステーションを一つだけ導入した非対称型軸状分子を設計し，一方向への往復移動に制御したロタキサンを合成しました。さらに外部刺激として酸を添加したところ，環状分子がアンモニウムステーションに移動し，続けて塩基を添加すると，軸状成分の中和反応に伴って環状分子が再びフェナントロリンステーションに戻ることを確認しました。（分子シャトル型）
また，当研究室ではπ共役フェナントロリン誘導体をダンベル分子に用いたクリッピング法によるロタキサン合成にも成功しました。このロタキサンにおいて，外部刺激として酸を添加したところ，輪状分子の回転運動を施すことに成功しました。（分子ローター型）
【今後の展開】
上記のとおり，pH駆動型ロタキサンの合成に成功しましたので，現在は，他の外部刺激に応答するマルチ駆動型ロタキサンの合成に取り組んでいます。
我々の研究グループでは，右図に示す通り，
１）分子設計（デザイン）
２）分子の組み合わせ（アッセンブリー）
３）分子の操作（オペレーション）
をキーワードに，ナノレベルの分子機械部品を構築していきます。
論文
「Template-Free Synthesis of a Phenanthroline-Containing [2]Rotaxane: A Reversible pH-Controllable Molecular Switch」(2019)『Symmetry』11p.1137.
「Chiral Bicyclic Imidazole-Catalyzed Direct Enantioselective C-Acylation for the Synthesis of 2-Oxindoles Bearing a Quaternary Stereocenter」(2019)『Asian Journal of Organic Chemistry』8(7)p.1024-1028.
「Formation of a pseudorotaxane, capable of sensing cations via dethreading molecular motion, from a cryptand and bipyridinium salts」(2014)『J. Incl. Phenom. Mol. Recognit. Chem.』78p.137-144.
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