ゆっくりとした分子の動きを利用してイオンに応答した分子の左右反転の仕組みを解明

2026-07-07 分子科学研究所

金沢大学ナノ生命科学研究所(WPI-NanoLSI)、自然科学研究機構 分子科学研究所、総合研究大学院大学の共同研究グループは、イオンの結合によって分子の右巻き・左巻きが切り替わる「キラリティー反転」の詳細な仕組みを世界で初めて解明した。研究では、三重らせん型の閉じたカゴ構造(メタロクリプタンド)を独自に設計し、セシウムイオン(Cs⁺)が内部へ数時間かけてゆっくり取り込まれる性質を利用することで、通常は瞬時に進行して観測できない構造変化を時間分解して解析した。その結果、右巻き(P体)と左巻き(M体)の変換は、従来考えられてきた「ゲスト結合後に構造が変化する誘導適合機構」ではなく、少数存在するM体が先にCs⁺を取り込み、その後に平衡が移動する「配座選択機構」に従うことを速度論解析と理論計算の両面から実証した。また、対アニオンが右巻き構造を安定化し、イオン取り込みによって左右の安定性が逆転する分子レベルの起源も明らかにした。本成果は、分子の応答速度を設計・制御できることを示すものであり、分子機械、情報記録材料、化学センサー、スマート材料などの刺激応答性ナノデバイスの開発や、生体分子の分子認識機構の理解に貢献すると期待される。

ゆっくりとした分子の動きを利用してイオンに応答した分子の左右反転の仕組みを解明
図1 一般的なゲスト結合を「インプット」とした右巻き(P体)・左巻き(M体)の反転。ゲスト分子やイオンが速やかに結合し、それと同時に瞬時に左右反転が起こっているように観測される。途中の過程を明らかにするのは困難であり、あまり解明されてこなかった。

<関連情報>

閉じたカゴ構造を持つ三重らせん型メタロクリプタンドにおける遅いキラリティー反転と遅いゲスト取り込みの連動機構 Interplay between Slow Chirality Inversion and Slow Guest Uptake in a Triple-Helical Closed-Cage Metallocryptand

Sk Asif Ikbal,Masahiro Ehara,and Shigehisa Akine
Journal of the American Chemical Society  Published June: 29, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c09090

Abstract

Intelligent responsive materials are important components for molecular machines and memory devices. However, the mechanism of guest-induced chirality inversion remains elusive because guest binding is typically too fast to resolve the process. To address this challenge, it is necessary to develop a system in which chirality inversion and guest uptake occur on comparable, slow time scales. Here, we report a triple-helical closed-cage cobalt(III) metallocryptand incorporating three bridging 1,7-heptanediamine (hpda) ligands, which creates a closed-cage architecture that significantly slows guest uptake/release. X-ray crystallography revealed the formation of a (P,R6) diastereomer with a right-handed triple-helical structure. In solution, a dynamic equilibrium between the (P,R6) and (M,R6) diastereomers was observed with slow interconversion (t1/2(app) = 20 min). Upon addition of CsCl, the P/M chirality was gradually inverted from a P-abundant state to an M-abundant state over several hours, associated with slow Cs+ uptake. The closed-cage design with bridging hpda ligands significantly slowed both Cs+ uptake and P/M interconversion, allowing the two processes to proceed on comparable, slow time scales. Kinetic analysis based on a four-species reversible model revealed that Cs+ is preferentially taken up in the less abundant M form, whereas P form does not directly bind Cs+ but instead contributes to uptake after PM isomerization. The M form binds Cs+ more strongly than the P form, thus driving the PM chirality inversion through this M-form-mediated pathway. In contrast, addition of Cl shifted the equilibrium toward the more P-favored mixture by interacting with Cl at the peripheral binding pocket, highlighting its opposite stereodynamic effect relative to Cs+. These findings demonstrate that cage closure modulates both the timing and sequence of events during the pathway of guest-induced chirality inversion, and provide a kinetic platform for probing guest effects on stereodynamic equilibria. We also anticipate that the strategies used here can be applied to the rational design of other smart molecular architectures.

0502有機化学製品
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