Gas-crystal phase reaction of organic vapochromic crystals and elucidation of the mechanism by powder crystallography

• Project Area: Soft Crystals: Science and Photofunctions of Easy-Responsive Systems with Felxibility and Higher-Ordering
• Project/Area Number: 20H04661
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 植草 秀裕 東京工業大学, 理学院, 准教授 (60242260)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: ベイポクロミズム / フォトクロミズム / 単結晶構造解析 / NSAID / ナトリウム塩 / 脱水和 / 粉末結晶解析 / 固相反応 / 結晶構造解析 / サリチリデンアニリン / 結晶相気相反応 / 結晶構造 / 粉末結晶構造解析 / 酸塩基反応

Outline of Research at the Start

結晶構造科学によるベイポクロミズムの原理を構築し、それに基づいたベイポクロミズム有機結晶を創製するため、結晶合成および三次元の詳細な分子構造・結晶構造変化の解明を中心に研究展開する。本研究では、気相-結晶相反応を利用し気体分子を結晶内に取り込むことで、結晶構造、および結晶中の分子の電子状態変化を誘起し、それらにより結晶が色変化するという原理に注目し、ベイポクロミズム有機結晶の創製・解明を行う。特に、蒸気による結晶転移で単結晶が崩壊しても結晶解析が可能である、粉末結晶解析法を駆使して研究を推進することは大きな特徴である。

Outline of Annual Research Achievements

有機結晶に代表される分子性結晶は、結晶外部の環境変化により自在に構造／物性変化し「ソフトな結晶」として注目されている。結晶構造変化に対応した独特の物性変化や機能発現を用いて、他の手法では検出できない環境変化の「センサー物質」が設計可能である。本研究では、結晶構造科学によるベイポクロミズムの原理を構築し、それに基づいたベイポクロミズム有機結晶を創製するため、結晶合成および三次元の詳細な分子構造・結晶構造変化の解明を中心に研究展開する。特に気相-結晶相反応を利用し気体分子を結晶内に取り込むことで、結晶構造、および結晶中の分子の電子状態変化を誘起し、それらにより結晶が色変化するという原理に注目し、ベイポクロミズム有機結晶の創製・解明を行う。蒸気による結晶転移で単結晶が崩壊しても粉末結晶解析法を駆使して結晶構造を明らかにして研究を推進することは大きな特徴である。
第1年目は、結晶-ガスの酸・塩基反応系について研究を行った。フォトクロミック化合物であるサリチリデンアニリン類でカルボキシ基を持つ誘導体結晶が水性アンモニア蒸気と反応しアンモニア分子を取り込むことでフォトクロミック特性が出現・消失することを見いだし、２段階のアンモニア分子取り込みを結晶構造変化から明らかにした。
第2年目は、結晶-ガスの反応系では結晶から分子の出入りが起きることに興味を持ち、モデル系として水和物結晶からの脱水和・再水和現象をターゲットとした。特に一連のカルボン酸ナトリウム塩水和物結晶が特有のナトリウム陽イオン・カルボキシレート・水の配位構造を持つことを明らかにし、加熱により２段階の脱水和を示す様子を単結晶構造解析、および熱分析結果の測度論解析により解明した。
本研究により目的とする結晶-ガス反応を利用したクロミズム系の確立と構造解析による機構解明を行うという成果を得た。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Bandung Institute of Technology/Universitas Andalas(インドネシア)
• [Int'l Joint Research] AstraZeneca plc(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] Bandung Institute of Technology(インドネシア)
• [Journal Article] Dehydration and Rehydration Mechanisms of Pharmaceutical Crystals: Classification Of Hydrates by Activation Energy (2022)
  • Author(s): Takahashi Michiko、Uekusa Hidehiro
  • Journal Title: Journal of Pharmaceutical Sciences Volume: 111 Issue: 3 Pages: 618-627
  • DOI: 10.1016/j.xphs.2021.10.033
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intracrystalline Kinetics Analyzed by Real-Time Monitoring of a 1,2-Dioxetane Chemiluminescence Reaction in a Single Crystal (2022)
  • Author(s): Matsuhashi Chihiro、Fujisawa Hiroki、Ryu Meguya、Tsujii Tetsuya、Morikawa Junko、Oyama Hironaga、Uekusa Hidehiro、Maki Shojiro、Hirano Takashi
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 95 Issue: 3 Pages: 413-420
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210445
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Solid-State Dehydration Mechanism of Diclofenac Sodium Salt Hydrates (2021)
  • Author(s): Oyama Hironaga、Miyamoto Takashi、Sekine Akiko、Nugrahani Ilma、Uekusa Hidehiro
  • Journal Title: Crystals Volume: 11 Issue: 4 Pages: 412-412
  • DOI: 10.3390/cryst11040412
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal Structures of Antiarrhythmic Drug Disopyramide and Its Salt with Phthalic Acid (2021)
  • Author(s): Tamboli Majid Ismail、Okamoto Yushi、Utsumi Yohei、Furuishi Takayuki、Wang Siran、Umeda Daiki、Putra Okky Dwichandra、Fukuzawa Kaori、Uekusa Hidehiro、Yonemochi Etsuo
  • Journal Title: Crystals Volume: 11 Issue: 4 Pages: 379-379
  • DOI: 10.3390/cryst11040379
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] New Sodium Mefenamate ? Nicotinamide Multicomponent Crystal Development to Modulate Solubility and Dissolution: Preparation, Structural, and Performance Study (2021)
  • Author(s): Nugrahani Ilma、Fisandra Felicia、Horikawa Ayano、Uekusa Hidehiro
  • Journal Title: Journal of Pharmaceutical Sciences Volume: 110 Issue: 9 Pages: 3246-3260
  • DOI: 10.1016/j.xphs.2021.05.022
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Two-step crystal?crystal phase transformation of N-salicylidene-p-aminobenzoic acid by gas?solid reaction with aqua?ammonia vapour (2021)
  • Author(s): Sugiyama Haruki、Uekusa Hidehiro
  • Journal Title: Acta Crystallographica Section C Structural Chemistry Volume: 77 Issue: 1 Pages: 56-60
  • DOI: 10.1107/s2053229620016411
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal Structure and Chromic Properties of an Iron(II) Complex Salt of a <i>N</i>-Salicylideneaniline Derivative (2020)
  • Author(s): SUGIYAMA Haruki、UEKUSA Hidehiro
  • Journal Title: X-ray Structure Analysis Online Volume: 36 Issue: 0 Pages: 31-32
  • DOI: 10.2116/xraystruct.36.31
  • NAID: 130007886539
  • ISSN: 1883-3578
  • Year and Date: 2020-08-10
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enantioselective Synthesis of Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH)‐Based Planar Chiral Bent Cyclophanes by Rhodium‐Catalyzed [2+2+2] Cycloaddition (2020)
  • Author(s): Aida Yukimasa、Nogami Juntaro、Sugiyama Haruki、Uekusa Hidehiro、Tanaka Ken
  • Journal Title: Chemistry - A European Journal Volume: 26 Issue: 55 Pages: 12579-12588
  • DOI: 10.1002/chem.202001450
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Salt Cocrystal of Diclofenac Sodium-L-Proline: Structural, Pseudopolymorphism, and Pharmaceutics Performance Study (2020)
  • Author(s): Nugrahani Ilma、Kumalasari Rizka A.、Auli Winni N.、Horikawa Ayano、Uekusa Hidehiro
  • Journal Title: Pharmaceutics Volume: 12 Issue: 7 Pages: 690-690
  • DOI: 10.3390/pharmaceutics12070690
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Relationship between Crystal Structure, Crystal Morphology, and Mechanochromic Luminescence of Triphenylimidazolylbenzothiadiazole Derivatives (2020)
  • Author(s): Suguru Ito, Sayaka Nagai, Takashi Ubukata, Takuya Ueno, Hidehiro Uekusa
  • Journal Title: Crystal Growth & Design Volume: － Issue: 7 Pages: 4443-4453
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.0c00253
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Mechanism elucidation of Stepwise dehydration of pharmaceutical hydrate crystals by structure determination from powder diffraction data (2021)
  • Author(s): Hidehiro Uekusa, Akiko Egami, Hironaga Oyama, Akiko Sekine
  • Organizer: IUCr 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pharmaceutical Multi-component crystals: concept and application (2021)
  • Author(s): Hidehiro UEKUSA
  • Organizer: ICCSCP 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Crystal structure and property relationship of pharmaceutical co-crystals (2021)
  • Author(s): Hidehiro UEKUSA
  • Organizer: Pacifichem 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pharmaceutical Co-crystals - Crystal Structure and Property Relationship - (2020)
  • Author(s): Hidehiro Uekusa
  • Organizer: The 1st International Conference on Pharmaceutical Sciences and Pharmacy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Crystal Structure Analysis of Stereoisomers of Loxoprofen NSAID (2020)
  • Author(s): Hironaga Oyana, Akiko Sekine, Hidehiro Uekusa
  • Organizer: Molecular Chirality Asia 2020
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.chemistry.titech.ac.jp/~uekusa/