[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. PACIFICHEM2010に参加してきました!Final!
  2. Ti触媒、結合切って繋げて二刀流!!アルコールの脱ラセミ化反応
  3. 水から電子を取り出す実力派触媒の登場!
  4. 光を吸わないはずの重原子化合物でも光反応が進行するのはなぜか?
  5. 有機合成化学協会誌2024年11月号:英文特集号
  6. 【書籍】機器分析ハンドブック2 高分子・分離分析編
  7. 134回日本薬学会年会ケムステ付設展示会キャンペーン!
  8. 光C-Hザンチル化を起点とするLate-Stage変換法

注目情報

ピックアップ記事

  1. 有機化学1000本ノック【反応機構編】
  2. 東芝:新型リチウムイオン電池を開発 60倍の速さで充電
  3. 光エネルギーによって二酸化炭素を変換する光触媒の開発
  4. アザ-ウィティッヒ反応 Aza-Wittig Reaction
  5. AI解析プラットフォーム Multi-Sigmaとは?
  6. デービーメダル―受賞者一覧
  7. 第18回「化学の職人」を目指すー京都大学 笹森貴裕准教授
  8. 有機合成化学協会誌2024年10月号:炭素-水素結合変換反応・脱芳香族的官能基化・ピクロトキサン型セスキテルペン・近赤外光反応制御・Benzimidazoline
  9. 日本化学会、論文無料公開へ新方式
  10. ジアゾメタン diazomethane

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

CIPイノベーション共創プログラム「有機電解合成の今:最新技術動向と化学品製造への応用の可能性」

日本化学会第106春季年会(2026)で開催されるシンポジウムの一つに、CIPセッション「有機電解合…

CIPイノベーション共創プログラム「世界を変えるバイオベンチャーの新たな戦略」

日本化学会第106春季年会(2026)で開催されるシンポジウムの一つに、CIPセッション「世界を変え…

年会特別企画「XAFSと化学:錯体, 触媒からリュウグウまで –放射光ことはじめ」

放射光施設を利用したX線吸収分光法(XAFS)は、物質の電子状態や局所構造を元素選択的に明らかにでき…

超公聴会 2026 で発表します!!【YouTube 配信】

超公聴会は、今年度博士号を取得する大学院生が公聴会の内容を持ち寄ってオンライン上で発表する会です。主…

日本化学会 第104春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part II

さて、Part Iに引き続きPart II!年会をさらに盛り上げる企画として、2011年より…

凍結乾燥の常識を覆す!マイクロ波導入による乾燥時間短縮と効率化

「凍結乾燥は時間がかかるもの」と諦めていませんか?医薬品や食品、新素材開発において、品質を維…

日本化学会 第104春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part I

まだ寒い日が続いておりますが、あっという間に3月になりました。今年も日本化学会春季年会の季節です。…

アムホテリシンBのはなし 70年前に開発された奇跡の抗真菌薬

Tshozoです。以前から自身の体調不良を記事にしているのですが、昨今流行りのAIには産み出せな…

反応操作をしなくても、化合物は変化する【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温度を測ること…

ジチオカーバメートラジカル触媒のデザイン〜三重項ビラジカルの新たな触媒機能を発見〜

第698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(大井研究室)博士後期課程1年の川口…

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