[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

ロタキサンを用いた機械的刺激に応答する効率的な分子放出

[スポンサーリンク]

軸状分子に複数の積み荷分子をもつロタキサンを用いることで効率的に分子を放出するシステムが報告された。機械的刺激によって活性化されたマクロサイクルが軸上に組み込まれた積み荷分子を押し出すことで分子が放出される。

ロタキサンを用いた分子放出

分子放出システムはドラッグデリバリーやセンサー、触媒等への応用が期待されている。中でも、超音波や圧縮、剪断、引張などの機械的刺激に応答する分子ユニット(メカノフォア)を用いた分子放出システムはここ数年間で特に注目され、研究が進められてきた(図1A)[1]

一般にメカノケミストリーにおける分子放出では、絡まり合ったポリマー鎖によって機械的刺激がメカノフォアに伝達され、メカノフォアから分子が放出される。この際、機械的刺激でポリマー鎖が断裂しやすく、ポリマー鎖の絡まりが解けてしまい、メカノフォアへの刺激の伝達ができなくなる(図1B)。そのため、分子放出率の低さが課題となっていた[1,2]

近年著者らはポリマー鎖にロタキサンを組み込むことで、機械的刺激を加えた際のロタキサンの軸と末端基(ストッパー)間の共有結合の切断が促進されることを明らかにした(図1C)[3]。つまり、ロタキサン構造を用いれば、ポリマー鎖より軸上の共有結合を優先的に切断できる。

今回著者らは、分子放出率の向上を目指し、複数の積み荷分子を有するポリマー鎖をロタキサン構造で連結した分子放出システムを設計した(図1D)。超音波および圧縮によってポリマー鎖が引っ張られ、マクロサイクルが軸上の積み荷分子を押し出すことでretro-Diels–Alder反応が進行し、効率良くマレイミドが放出される。

図1. (A) メカノフォアによる分子放出 (B) メカノフォアの分子放出における問題点 (C) ロタキサンを用いた分子放出 (D) 複数の積み荷分子をもつロタキサンを用いた分子放出

 

“Force-Controlled Release of Small Molecules with a Rotaxane Actuator”
Chen, L.; Nixon, R.; De Bo, G. Nature2024, 628, 320–325. DOI: 10.1038/s41586-024-07154-0

論文著者の紹介

研究者: Guillaume De Bo

研究者の経歴:

2009                                                    Ph.D., University of Louvain, Belgium (Prof. István E. Markó)

2009–2010          Postdoc, University of Louvain, Belgium (Prof. Jean-François Gohy and Prof. Charles-André Fustin)
2011–2012                                       Postdoc, University of Edinburgh, UK (Prof. David A. Leigh)
2012–2015          Research Fellow and Project Manager, University of Manchester, UK (Prof. David A. Leigh)
2016–2023                                       Royal Society University Research Fellow, University of Manchester, UK
2021–2022                                       Senior Lecturer, University of Manchester, UK
2022–                                                  Professor, University of Manchester, UK

研究内容:新規メカノフォアの設計、開発および評価。分子マシンの開発。

論文の概要

設計したロタキサンを用いた分子放出システムの合成を試みた(図2A)。まず、塩基性条件下、大環状分子1とピラーアレーン2およびアリールスルホニルクロリドを反応させてスルホン酸エステル3transを合成した。得られた3transに、積み荷分子をもつカルボン酸4を作用させエステル5とした。最後に、アクリル酸メチルのリビングラジカル重合によりAnを合成した。

合成した分子放出システムAn の効率性を調べるため、アセトニトリル溶液中でAnに超音波処理を施した(図2B)。その結果、主生成物として全ての積み荷分子が放出されたもの(Complete: 71% (n = 1), 22% (n = 5))とポリマー鎖が断裂したもの(In the PMA: 29% (n = 1), <50% (n = 5))が得られ、軸の断裂(In the axle)はほとんど起こらなかった。これは、活性化されたマクロサイクルのほとんどが軸分子の末端まで到達し、全ての積み荷分子を放出できたことを示す。また、バルクでの活性化(圧縮)では分子放出率が30%に達し(n = 1)、既報の機械的刺激による分子放出システムの中で最も高い [1,4]

さらに、積み荷分子が異なる分子放出システム(B1, C1, D1)を合成し、それらの超音波処理により本分子設計において多様な種類の分子を放出できることを明らかにした(図2C)。抗がん剤をペプチドリンカーで結合した嵩高いマレイミド、比較的小さいN-(1-ピレニル)マレイミド、および脱離機構が異なるトリチルカチオンの放出に成功した。B1C1から放出されるマレイミドはそれぞれ医薬品と蛍光標識であり、D1から放出されるトリチルカチオンは有機ルイス酸触媒である。以上の結果は、ロタキサンを用いた分子放出システムが生物医学や材料化学分野へ応用できる可能性を示した。

図2. (A) 積み荷分子を担持したロタキサンの合成 (B) 超音波処理による溶液でのロタキサンの活性化 (C) 積み荷分子適用範囲

以上、ロタキサンを用いて機械的刺激に応答し効率よく分子を放出するシステムが報告された。今後、異なる分子を決まった順番で放出するシステムなど、より複雑な分子放出システムの開発が期待される。

参考文献

  1. (a) Versaw, B. A.; Zeng, T.; Hu, X.; Robb, M. J. Harnessing the Power of Force: Development of Mechanophores for Molecular Release. J. Am. Chem. Soc.2021, 143, 21461–21473. DOI: 10.1021/jacs.1c11868 (b) Larsen, M. B.; Boydston, A. J. “Flex-Activated” Mechanophores: Using Polymer Mechanochemistry To Direct Bond Bending Activation. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 8189–8192. DOI: 10.1021/ja403757p (c) Hu, X.; Zeng, T.; Husic, C. C.; Robb, M. J. Mechanically Triggered Small Molecule Release from a Masked Furfuryl Carbonate. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 15018–15023. DOI: 10.1021/jacs.9b08663 (d) Jayathilaka, P. B.; Molley, T. G.; Huang, Y.; Islam, M. S.; Buche, M. R.; Silberstein, M. N.; Kruzic, J. J.; Kilian, K. A. Force-Mediated Molecule Release from Double Network Hydrogels. Chem. Commun. 2021, 57, 8484–8487. DOI: 10.1039/D1CC02726C
  2. (a) Küng, R.; Göstl, R.; Schmidt, B. M. Release of Molecular Cargo from Polymer Systems by Mechanochemistry. Chem. Eur. J. 2022, 28, e202103860. DOI: 10.1002/chem.202103860 (b) Larsen, M. B.; Boydston, A. J. “Flex-Activated” Mechanophores: Using Polymer Mechanochemistry to Direct Bond Bending Activation. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 8189–8192. DOI: 10.1021/ja403757p (c) Lin, Y.; Kouznetsova, T. B.; Craig, S. L. A Latent Mechanoacid for Time-Stamped Mechanochromism and Chemical Signaling in Polymeric Materials. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 99–103. DOI:  10.1021/jacs.9b12861
  3. (a) Zhang, M.; De Bo, G. Impact of a Mechanical Bond on the Activation of a Mechanophore. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 12724–12727. DOI: 10.1021/jacs.8b08590 (b) Zhang, M.; De Bo, G. Mechanical Susceptibility of a Rotaxane. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 15879–15883. DOI: 10.1021/jacs.9b06960
  4. これまで溶液の超音波処理では最大64% 、バルクの圧縮では最大20%だった。

 

Avatar photo

山口 研究室

投稿者の記事一覧

早稲田大学山口研究室の抄録会からピックアップした研究紹介記事。

関連記事

  1. 植物繊維を叩いてアンモニアをつくろう ~メカノケミカル窒素固定新…
  2. ヒドリド転位型C(sp3)-H結合官能基化を駆使する炭素中員環合…
  3. 水を含み湿度に応答するラメラ構造ポリマー材料の開発
  4. SciFinder Future Leaders in Chem…
  5. 原子状炭素等価体を利用してα,β-不飽和アミドに一炭素挿入する新…
  6. 昇華の反対は?
  7. 赤外光で分子の結合を切る!
  8. 始めよう!3Dプリンターを使った実験器具DIY:3D CADを使…

注目情報

ピックアップ記事

  1. トロスト不斉アリル位アルキル化反応 Trost Asymmetric Allylic Alkylation
  2. 大久野島毒ガス資料館
  3. フルオキセチン(プロザック) / Fluoxetine (Prozac)
  4. プメラー転位 Pummerer Rearrangement
  5. NeoCube 「ネオキューブ」
  6. 小松 徹 Tohru Komatsu
  7. 文具に凝るといふことを化学者もしてみむとてするなり⑮:4Kモニターの巻
  8. MEDCHEM NEWS 35-1 号「創薬の未来を担う若き研究者へのメッセージ」
  9. (–)-Vinigrol短工程不斉合成
  10. 元素・人気記事ランキング・新刊の化学書籍を追加

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2024年7月
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031  

注目情報

最新記事

条件の「前後」も実験条件である【プロセス化学者のつぶやき】

前回まで1. 設定温度と系内の実温度のお話2. 温度値をどう判断するか3. 反応操作をし…

そのpH、“本当にその場所”の値ですか?ニードル式pHセンサーを使ってみた!

突然ですが、「培養の再現性がなんか悪い」「同じ条件のはずなのに結果がズレる」といった経験はあ…

「骨格編集」×「ナノカーボン合成」〜ナノカーボン合成の新戦略を実証〜

第719回のスポットライトリサーチは、名古屋大学大学院工学研究科(忍久保研究室)博士後期課程2年の平…

【書評】立体化学 はじめの一歩

立体化学は,分子の三次元構造を理解するための重要な分野であり,有機化学や…

水のシミュレーション入門 — 水分子を計算機の中でどう”描く”か —

身近なのに、計算機にとって手強い"水"。本記事では、点電荷モデルから機械学習まで、その"描き方"の進…

◆◇◆◇ 第36回フォーラム・イン・ドージン開催のご案内 ◆◇◆◇

同仁化学研究所が熊本から世界へ情報発信するフォーラム・イン・ドージンの開催ご案内です。今年は『な…

『力』による円偏光発光のon/off制御を単一分子レベルで実現

第718回のスポットライトリサーチは、東京科学大学 物質理工学院(相良研究室)博士後期課程2年の野中…

数日かかっていた反応機構解析を、わずか数分に!

機械学習ポテンシャルが変える計算化学の現在近年、DFT計算による反応機構解析は広く行われるよ…

海外ポスドクのオファーをもらう【アメリカで Ph.D. を取る: 進路編】

ポスドクとして海外に留学する場合、希望する研究室の教授に直接連絡を取り、面接などを通して適性を判断さ…

MDで観るトライボロジー 〜原子が擦れるその場をシミュレーション〜

軽くて強いのに摩耗に弱いチタン合金は、航空機や人工関節に広く使われています。原子が擦れ合うその場を分…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP