2018 Fiscal Year Research-status Report
Can Metal-Organic Framework be replaced with Ion-Organic Framework?
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18K05259
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| Research Institution | Shiga University of Medical Science |
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Principal Investigator |
古荘 義雄 滋賀医科大学, 医学部, 教授 (00281270)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | イオン有機構造体 / 水素結合 / イオン結合 / 自己組織化 / グアニジン / リン酸 / ポリプレックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、適切な剛直有機配位子と配位方向が規定された金属クラスターの間の錯体形成で得られる周期性の高い結晶性化合物である金属ー有機構造体（Metal-Organic Framework; MOF）が、これまでにない特徴を有する多孔性の自己組織化型材料として注目を集めている。本研究では、MOFの金属錯体の配位結合を、明確な方向性と弱い共有結合に匹敵する強度を合わせもつ水素結合性イオン結合で置き換えて、MOFと同程度に安定な、多孔性で頑強な3次元ネットワーク構造（イオンー有機構造体：Ion-Organic Framework (IOF)）をもつ自己組織化型材料を構築することを目指している。
本年度は、グアニジンとリン酸から形成される水素結合性イオン結合に焦点を当て、汎用性のカチオン性ポリマーであるポリエチレンイミン（PEI）を基盤とする有機分子集合体の構築について検討した。代表的な結果を以下に示す。
（１）PEIと種々のカルボジイミドを混合し、無触媒・無溶媒条件下、40℃で1時間程度攪拌するだけで、N,N'-二置換グアニジノ基を導入できることがわかった。グアニジノ基の導入率は、カルボジイミドの仕込比と反応温度により制御できることもわかった。
（２）N,N'-二置換グアニジノ基で修飾されたPEI（PEI-Gnd）と種々のDNA（例えば、プラスミドDNA）を水溶液中で混合すると、グアニジノ基とリン酸部位間の水素結合性イオン結合により安定な錯体（ポリプレックス）を形成した。PEIそのものもDNAとポリプレックスを形成するが、ある程度の分子量（~25kDa）が必要である。一方、PEI-Gndは分子量2kDa程度でも安定なポリプレックスを形成したことから、グアニジノ基とリン酸からなる水素結合性イオン結合の優位性を示すことができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
グアニジンとリン酸からなる水素結合性イオン結合を利用することで、種々のグアニジノ修飾ポリエチレンイミン（PEI-Gnd）とDNAの有機分子集合体（ポリプレックス）を構築することに成功した。このポリプレックスはグアニジノ基をもたないPEIよりも安定であることから、水素結合性イオン結合を用いる本手法の優位性を示すことができた。また、原料合成の過程で、種々のカルボジイミドとPEIを無触媒・無溶媒条件下で攪拌するだけで、PEIにN,N'-二置換グアニジノ基を導入できることも見いだした。これは環境科学的のみならず合成化学的な観点からも好ましい結果であり、今後の研究進展を加速する要因となり得るものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
現時点までに有機分子集合体の安定性が明らかになっているが、“原子レベル”での精密な3次元構造の制御はまだ達成されていない。今後は、用いるポリマーを精密な立体構造をもつものに変えて有機分子集合体を構築し、その3次元構造のキャラクタゼーションを行なっていく。特にMOFに代わりうるかという観点からは、多孔質の安定な集合体を構築する必要がある。
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