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スポットライトリサーチ

高分子のらせん構造を自在にあやつる -溶媒が支配する右巻き/左巻き構造形成の仕組みを解明-

第143回のスポットライトリサーチは、京都大学大学院工学研究科杉野目研究室長田 裕也 (ながた ゆうや)助教を紹介します。

京大杉野目研究室では、らせん高分子に代表される巨大分子の自在合成や、典型元素の性質を活かした反応開発など多彩な研究が行われています。

今回紹介させていただく長田助教は、らせん高分子に関わる研究を広く行われています。杉野目研究室で以前開発された、らせん高分子のもつ溶媒依存性らせん反転の反転機構について長く探求され、この度その解明に成功されました。成果はJACS誌に掲載され、プレスリリースとして発表されています。

Yuuya Nagata, Tsuyoshi Nishikawa, Michinori Suginome, Sota Sato, Masaaki Sugiyama, Lionel Porcar, Anne Martel, Rintaro Inoue, and Nobuhiro Sato

”Elucidating the Solvent Effect on the Switch of the Helicity of Poly(quinoxaline-2,3-diyl)s: A Conformational Analysis by Small-Angle Neutron Scattering”

J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 2722.  doi: 10.1021/jacs.7b11626

余談ですが、筆者は長田先生と学会で知り合いました。行われている研究がとてもユニークなこともありますが、お人柄も研究に対する姿勢も、先輩研究者としてとても尊敬できる先生です。ぜひ原著論文と合わせて、インタビューをお楽しみください。

Q1. 今回のプレスリリース対象となったのはどんな研究ですか?

我々のグループでは10年ほど前(2009年頃)に、らせん高分子ポリ(キノキサリン-2,3-ジイル)(以降PQXと略します)の溶媒依存性らせん反転を見出しました。例えば、(R)-2-オクチルオキシメチル基を側鎖に有するPQXは、テトラヒドロフラン中では完全な右巻き構造をとり、1,1,2-トリクロロエタン/テトラヒドロフラン混合溶媒中では完全な左巻き構造をとります。

一方でそのメカニズムについては明確な解答を出すことができず、長らくもどかしい思いをしてきました。今回のプレスリリース対象となった研究では、小角中性子散乱実験と計算科学的手法を組み合わせることで、溶液中でのPQXの構造を明らかにすることで溶媒依存性らせん反転の原理解明を行いました。

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

「溶液中の高分子の構造を精度良く決める」というのは、極めてチャレンジングな試みです。例えば、高分子であっても結晶化してしまえば、そのX線回折パターンから構造決定が可能ですが、今回の研究では溶液中の構造決定が目的ですのでこの手法は用いることができません。さらに、溶液中状態での小角X線散乱についても検討しましたが、ハロゲンを含む溶媒を用いた場合には小角散乱に用いる波長領域のX線が全く透過せず、これもまた良い結果を与えないことが分かりました。この様な状況の中、最後の切り札として登場したのが小角中性子線散乱法です。この手法と理論計算を組み合わせることで溶液中での構造を推定することが可能となりました。すなわち、溶液中でPQXが周囲との相互作用を持たないときには側鎖がコンパクトに縮まり左巻き構造をとり、一方で適切な溶媒を用いることで側鎖が外側に引き出された場合には右巻き構造をとることが明らかになりました。この成果はらせん反転の機構に溶媒と高分子の側鎖との相互作用が、深く関わっていることをはっきりと示した初めての結果です。

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか?またそれをどのように乗り越えましたか?

私のバックグラウンドは高分子化学/有機合成化学ですので、本研究プロジェクトの開始当初は毎日が勉強という状態でしたが、京都大学複合原子力化学研究所の 杉山正明 教授、東京大学 大学院理学系研究科・JST, ERATOの 佐藤宗太 特任准教授の大きなお力添えを得て、さらにフランス国 ラウエ・ランジュバン研究所のLionel Porcar 博士、Anne Martel 博士の協力の元に中性子散乱実験を行うことで、極めて高い精度で実験データを取得することができ、ついに溶媒依存性らせん反転の原理解明に繋げることができました。共同研究者の皆さまには深く感謝しております。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか?

今回のような、「学術領域にとらわれない共同研究」を通じて新しいサイエンスを展開したいと思っています。可能ならば、学生さんにもそのような体験を通じて広い視野を身に着けて欲しいと願っています。

Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

Chem-Stationの読者の皆さんは、合成化学にバックグラウンドがある方が多いのではないでしょうか(僕もその一人です)。合成化学者は、新たな化合物を自在に創り出すことができますので、異分野との共同研究に向く素地が十分に備わっていると思います。自分の能力を信じて、分野の境界を恐れずに真っ直ぐに取り組むことで、新しい道が開けてくると考えています。(CERST分子技術新学術領域「動的秩序と機能」の会合は、最先端の異分野融合の場として非常に大きな影響を受けました。関係の皆さまには心より感謝しております。)また杉野目道紀教授には、長年に渡る丁寧なご指導に感謝するとともに、(未だ掌の上だとは思うのですが)僕をこんなに自由に泳がせて頂いていることについても深く感謝致します。

最後に、解析結果の可視化には CueMolのスクリプト機能を活用させて頂きました。また、プレスリリース用イラストの作成においては、いらすとや様「HG創英角ポップ体」の黄金コンビに大変お世話になりました。ここに感謝を申し上げます。

研究者の略歴

名前:長田裕也

所属:京都大学工学研究科 合成・生物化学専攻
有機設計学講座有機設計学分野 杉野目道紀研究室(助教)

研究テーマ:らせん高分子の合成と新機能の開拓

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