2025年ノーベル化学賞は、「新しいタイプの結晶構造ーMOFの開発」へ

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ケムステニュース

2025年ノーベル化学賞は、「新しいタイプの結晶構造ーMOFの開発」へ

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2025年のノーベル化学賞は、北川進（日本・京都大学）、リチャード・ロブソン（オーストラリア・メルボルン大学）、そしてオマー・ヤギー（アメリカ・カリフォルニア大学バークレー校）の3名に授与されました。
受賞理由は、金属有機構造体（Metal–Organic Frameworks, MOF) の開発です。

MOFは、金属イオンと有機配位子が結合して形成する配位高分子（coordination polymer）型の多孔性結晶 (多孔性配位性高分子、PCP とも呼ばれる) であり、その内部には分子が自由に出入りできる“空間（孔）”が存在します。従来の固体が「原子やイオンが密に詰まった構造」をもつのに対し、MOFは「結晶内に空間がある人工構造体」という新しい概念を提示しました。
この内部空間を利用することで、ガスの分離・吸着・貯蔵、触媒反応の場、さらには環境汚染物質の除去など、さまざまな応用が可能となります。
今回の受賞は、MOFが材料科学・エネルギー化学・環境科学といった幅広い分野に及ぼす影響の大きさを反映したものであり、まさに「化学の新しい建築学（architecture of matter）」と呼ぶにふさわしい成果です。
賞金総額は1100万スウェーデンクローナ（約1.4億円）で、3名が等分で受け取ります。

今回の受賞は、研究者の間でも「大本命」とされていました。
ケムステ（Chem-Station）もこの分野を有力候補として予想しており、北川進、オマー・ヤギー両氏の受賞を的中させました。
MOF研究は大学レベルの基礎科学として非常に活発であると同時に、MOF技術を核としたスタートアップ企業や産業応用も近年急速に広がっており、時代を象徴する受賞といえるでしょう。

今回の受賞の概略

石器、青銅、鉄器、ガラス、そしてプラスチックーこれらの固体材料は、古来より人類の文明を象徴する道具であると同時に、科学技術の発展の象徴でもありました。
ここでいう固体とは、気体・液体・固体という物質の三態のうちの一つであり、高校の化学でも学ぶように、原子やイオンが密に詰まった安定した状態を指します。
今回のノーベル化学賞で受賞対象となった金属有機構造体（metal–organic frameworks, 通称 MOF）は、こうした従来の固体とは大きく異なります。
その特徴は主に次の二点にあります。
① 構造を分子レベルで設計できる自由度が高いこと、
② 固体内部に分子が出入りできる空間（細孔）を有すること
です。
MOFは、金属イオンと有機分子を組み合わせて構築される結晶性の多孔体であり、その内部空間を利用してガスの吸着や分離、触媒反応など、さまざまな応用が期待されています。ケムステでも、これまでにもMOFに関する多数の解説記事を掲載してきました。
本稿では、それらを適宜参照しながら、上記の二つの観点に沿って、今回の受賞者3名がどのような貢献を果たしたのかを紹介していきます。

3 次元構造体の合成: リチャード・ロブソン

今回の受賞対象となった MOF の以前にも、少数ではあるものの固体内部に分子が出入りできる固体は存在していました。例えば消臭や浄水に利用される活性炭です。しかし活性炭内の構造は設計して作られたものとは程遠く、その原子構造の配列が一意に決まるものではありませんでした。

1980年代後半、リチャード・ロブソン博士は、
「選び抜いた分子ブロックを用いて、幾何学的に予測可能な三次元構造を構築する」という
大胆な試みに着手しました。
たとえば、炭素原子からなるダイヤモンドは、各炭素原子が四本の手（共有結合）を四面体方向に伸ばし、規則正しい三次元格子を形成しています（下図参照）。

一方で、銅(I) や 亜鉛(II) などの金属イオンも、四つの有機分子と四面体方向に結合して安定な錯体を形成することが知られています。
ここで、もし金属と結合できる部位を四面体方向に4つもつ有機分子（配位子）と、四面体配位を好む金属イオンを混ぜ合わせたらどうなるでしょうか。有機配位子が金属イオンを“橋掛け（bridging）”することで、ダイヤモンドと類似した三次元ネットワーク構造をもつ固体が形成されると考えられます。
さらに、有機配位子が大きいため、その内部には分子が出入りできる広い空間（細孔）をもつ構造体が生じる可能性があります。
この仮説を実際に検証し、実験的に証明したのがロブソン博士です。
彼は1989年、銅(I)イオン（Cu⁺）とテトラニトリル化合物（tetranitrile compound）を組み合わせ、予想通りダイヤモンド型の三次元ネットワーク構造をもつ結晶を合成することに成功しました。

ロブソンらによって報告された有機金属錯体（出展：ノーベル財団）

この成果は、既存の固体構造から着想を得たうえで、「複数の金属結合部位をもつ比較的剛直な有機配位子で金属を連結し、人工的に三次元構造体を構築する」という新しい概念を提示した点で画期的でした。
さらにロブソン博士は、長い有機配位子によって生じた固体内部の空間には、分子やイオンが出入りできると考え、実際にイオン交換ができることを実験的に示しました。
この発見こそが、後に世界的に発展することになる金属有機構造体（MOF）研究の原点となったのです。

気体の吸着の実証: 北川進

ロブソン博士が合成した構造体材料には、内部に溶媒分子が含まれていました。
彼は、「加熱して真空引きを行い、溶媒分子を除去した後でも、その三次元構造を保持できる固体が実現できるだろう」と予測していました。しかし、初期に得られた構造体は比較的脆弱で、内部の溶媒分子を取り除くと構造が崩壊してしまいました。
自然界の原理として「真空は嫌われる」――つまり、空間があるとそこに何かが入り込もうとする――ため、空洞を保ったまま安定な固体を得ることは当時きわめて難しかったのです。
この限界を打破するために登場したのが、北川進博士（京都大学）でした。
北川博士は、建築における「ほぞとほぞ穴」のように、金属イオンと有機配位子が噛み合う構造を設計するという新しい発想で新しい構造体を報告しました。

ほぞ穴とほぞ（出典:wikipedia）

その代表的研究が、以下の論文です：

Kondo, M.; Yoshitomi, T.; Matsuzaka, H.; Kitagawa, S.; Seki, K. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 1725–1727. DOI: 10.1002/anie.199717251

北川博士らにより報告されたほぞとほぞ穴の概念を示した配位性高分子.（出展：ノーベル財団）

この構造体は、合成直後には内部の空隙が水分子で満たされた状態でした。北川博士は、その水を除去しても結晶構造が維持されること、さらに内部空間に窒素ガスや二酸化炭素ガスが侵入して吸着されることを実験的に実証しました。
これにより、気体を吸着・放出できる“呼吸する固体”という新しい概念が確立されました。時系列はいったん前後しますが、北川博士はさらに気体の吸着や外部にともなって構造が変化する構造体も報告しました。これは、構造体の内部に溶媒や気体が満たされているときは内部空間が開いていますが、それらを取り除くと構造体の骨格の原子のつながりを保ったまま孔が閉じるというタイプの MOF です。
この成果は、MOFが「多孔性機能材料」として注目されるきっかけとなり、分離、貯蔵、触媒など多岐にわたる応用の基盤を築きました。

構造体設計の新概念の提唱：オマー・ヤギー

北川博士によって、三次元構造体が気体を吸着できることが示されましたが、それでもなお、溶媒除去後にも安定に構造を保つ材料は限られていました。
これまでの構造体では、金属イオン1個を節点（ノード）として用いており、その配位数や配向によってネットワークの幾何学が制約されていました。

そこでオマー・ヤギー博士（カリフォルニア大学バークレー校）は、節点として単一の金属イオンではなく、複数の金属原子からなるクラスター（多核金属ユニット）を利用するという新しい設計思想を打ち立てました。ヤギー博士は、こうした多核金属クラスターを用いることで、単一金属イオンを用いた場合よりも構造的に強固で、かつ多様な連結様式をもつネットワークが構築できると考えました。

特に、クラスターを用いることで、ネットワークの成長方向が単一金属の配位幾何（四面体・八面体など）に限定されず、クラスター特有の連結パターンをもつ新しいトポロジーが実現可能になると予想しました。

具体的には、4つの亜鉛原子（Zn）からなるクラスターを八面体構造に見立てて「構造のつなぎ目（ノード）」とし、この八面体をp-ベンゼンジカルボン酸（テレフタル酸）を用いて連続的に連結することで、立方体様の三次元構造体が形成されると設計しました。そして実際に、その構造を持つ結晶性多孔体の合成に成功しました。

MOF-5 の構造素子となった四核亜鉛クラスター. 亜鉛イオン（Zn²⁺）が安息香酸や酢酸と結合すると、図に示すような八面体状のクラスターを形成します。

金属有機構造体（metal–organic framework; MOF, モフ) の合成.

この代表的成果が、後に「MOF-5」として知られる、MOF研究の象徴的物質です。

この研究は以下の論文にまとめられています (関連記事: MOF-5: MOF の火付け役であり MOF の代名詞)：

Li, H.; Eddaoudi, M.; O’Keeffe, M.; Yaghi, O. M. Design and Synthesis of an Exceptionally Stable and Highly Porous Metal-Organic Framework. Nature 1999, 402, 276–279. DOI: 10.1038/46248.

ヤギー博士は構造体の節目に使う金属クラスターを**二次構造素子（secondary building unit, SBU）と名づけ、SBUを有機配位子で連結して剛直な三次元構造体を構築するという新しい設計概念を提唱しました。SBU の概念を示した MOF-5 は、これまでの配位性三次元構造体よりも堅牢です。300 ºC 加熱真空引きによって溶媒を除いたあともその構造を保っており、完全に溶媒が除かれた後の結晶に対しても単結晶 X 線回折により分析できます。そして、その構造が加熱真空引きの前後で変わらないことも確かめられました。

SBU の概念は、剛直な多孔性構造体の合理的な設計を可能にし、それ以降たくさんの MOF が合成されました。例えば、配位子の長さを変えることで、孔の大きさを変えたり、SBU を変えたり配位子が SBU を繋ぐ方向を変えることで様々な孔の大きさを持つ、様々な構造を持った MOF が合成、報告されるようになりました。

ヤギー博士はこれらの成果を基にMOF設計の理論的基盤である「レティキュラー合成（reticular synthesis）」の概念を提唱し、さらに、彼はこの一連の化合物群に対して、金属–有機構造体 metal–organic framework の頭文字をとって MOF (モフ）という愛称を与えました。そして MOF の合成を“分子を自在に組み上げる建築学”へと昇華させました。

この思想は今日のMOF研究の中心的枠組みとなり、エネルギー貯蔵、二酸化炭素回収、水素吸着、医療材料などへの応用へと発展しています。

応用可能性: 水捕集, 二酸化炭素回収, 天然ガス貯蔵など

上述のように固体内部に空間を持った材料を合成することは、逆に考えると「空間を設計すること」とも考えられます。特定の大きさの気体だけが出入りできるような小さな空間を作ることはもちろん、タンパク質のような比較的大きな分子を取り込むような空間をもつ構造体も報告されています。特に気体の吸着には多くの可能性を秘めています。

例えば乾燥地域の空気中から水を回収することで水不足の解決に貢献する技術や、工場の排ガスから排出される二酸化炭素あるいは空気中の二酸化炭素を回収する技術 (direct air capture; DAC)、さらに天然ガスや水素を貯蔵する技術などが実用化に向けて動き出しています。

北川先生の研究室から発足したスタートアップ「Atomis」では、次世代構造体材料を利用して大容量の天然ガスを内部に圧縮する容器 CubiTan® を開発しています。 CubiTan® は、都市ガスのパイプラインの制御が難しい地域において、ガスの輸送と貯蔵の問題を解決できると期待されています (関連記事: MOF の実用化のはなし【京大発のスタートアップ Atomis を訪問して】)。

また、結晶性の化合物は内部の原子配列を単結晶 X 線構造解析によって分析できるという特徴を利用して、結晶の内部に構造が複雑な天然物などを取り込み、そして構造体化合物の結晶内で単結晶 X 線構造解析を行うことで構造決定する技術 “結晶スポンジ法” も東京大学の藤田誠博士によって開発されました。この結晶スポンジ法は、医薬の設計に貢献すると期待されています。

まとめ

固体内部で気体を取り込むことができる材料は、現代の人間社会が直面する水不足、地球温暖化、エネルギー問題などの解決につながると期待されています。石器、青銅基、鉄器、プラスチックと発展してきた人類の材料史のなかで、MOF は次世代を象徴する材料といえるでしょう。以前からノーベル化学賞の本命と呼ばれる分野だけあり、納得の受賞です。