2018 Fiscal Year Annual Research Report
Chemistry of Adaptable Space
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18H05262
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
北川 進 京都大学, 高等研究院, 特別教授 (20140303)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
細野 暢彦 東京大学, 新領域創成科学研究科, 講師 (00612160)
土方 優 北海道大学, 化学反応創成研究拠点, 特任准教授 (70622562)
日下 心平 名古屋大学, 工学研究科, 特任助教 (80749995)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 多孔性配位高分子 / 結晶工学 / ナノ空間化学 / 錯体化学 / 適応機能 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生物は様々な環境の変化に対し自らを適応させる。この自発的適応機能を化学の視点で捉えれば、例えば分子シグナルの授受や細胞膜内外の物質移動といったナノレベルの多重な機能を協同的に連携作用させて応答を行う「流れ」の確立にある。その機能実現にはダイナミックなナノ空間が重要な役割をしている。本課題では、生物の受容、検出、移送、変換などの基本操作を材料化学的な空間素子として設計し、それらを連携させた空間にエンコードして多様な環境変化に応答する新しい概念の多孔性物質を創出することを目指す。そのためには、１．動的PCPの結晶界面の観察手法を開発し、PCPのゲストに対する振る舞いについての理解を深める、２．空間ドメインの接合および融合技術の開発、３．異なる細孔径を非対称的に有するアシンメトリックなPCP単結晶の合成法の確立が特に重要な課題となる。
本研究では次の3つにテーマを分けて集中的に取り組む。1. 動的ナノ空間および界面による情報の受容と変換、2. 空間ドメインの有機的複合・融合化、3. 計算化学による連携機能の統括的理解と設計
本年度は、それぞれの課題について顕著な成果が複数得られた。特にPCP結晶界面の直接観察（Nat. Chem., 2019）や、動的PCPによるゲスト分子の拡散コントロール（Science, 2019）といった本課題を遂行するにあたり柱となる研究内容が大きく進展した。また、PCPドメインの融合技術についても進展があり、高分子との複合化による物質分離膜の開発に成功した（Chem. Lett., 2019）。計算化学的な課題においては、PCPの局所的な構造変化に注目し、そのローカルな構造変化が細孔空間内の静電場に及ぼす影響に注目し理論計算を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は申請書で掲げた複数の技術的課題について顕著な成果が得られた。これまで実観測が困難であったPCPの柔軟な構造変形について原子間力顕微鏡を用いた画期的観察手法を開発し、ゲスト分子に対するPCP結晶表面の特殊な外環境適応能力が明らかにされた（Nature Chem）。一方、PCP細孔内での物質輸送法開発についても成果が得られた。細孔内における物質拡散の制御がひとつの大きな課題であったが、新たに動的分子をモジュールとしてPCP内に組み込む方法を開発し、これによりゲスト分子の拡散を温度により精密に制御することができるようになった（Science）。空間ドメインの有機的な複合化手法についても新しい方法論の開拓が進み、PCP/高分子複合体による新しい膜分離材料の合成にも成功した（Chem. Lett.）。以上から、本年度は複数の大きな課題について予想以上に進展が得られたと評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に得られた技術的ブレークスルーを基礎に研究を展開する。特に、物質の変換および計算化学によるメカニズム考察に力を入れる。PCP細孔内の物質移動、反応および変換に関して、X線構造解析と計算化学を駆使して本質的かつ基礎的な知見を得る予定である。また、申請書に掲げた溶融PCPの開発とそれを利用した空間接合技術についての研究を加速する。
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