分子の機械を光で操る - 玉置信之研究室

分子組織科学特論：講義１
Science of Molecular Organization: Lecture 1
Objective and outline
In the advanced course in Transdiciplinary Life Science, we
deliver various lectures on functional molecules related to life.
We can consider living things as molecular organizations
composed of proteins, nucleonic acids, lipids etc. to function.
Reconstruction of these functions of living things with synthetic
molecules is of worth not only to understand well the functions
of molecules in life but also to develop new soft materials
beneficial to human being. In this course we study functions of
synthesized molecules exhibiting the functions of life through
self-organizing process exemplified by “moving”, “selfreproducing”, “constructing bodies with nano structures”,
“processing data” and “making physical colors”, by means of
introducing up-to-date topics in the field.
Evaluation
Final examination
References
「分子認識と超分子」、早下隆士・築部浩編著、三共出版、２
００７
「マテリアルサイエンス有機化学」、伊与田正彦・横山泰・西長
亨著、東京化学同人、２００６
「超分子化学」、小宮山真ら訳、F. Vogtle著、丸善、１９９５
Files used in this lecture
http://tamaoki.es.hokudai.ac.jp/selfassemble/
Understanding of functions in
life with the molecular level
Science of Molecular
Organization
Construction of highly
functional soft materials
Weak inter-molecular interaction
exemplified by a natural ionophore “Valinomycin”
K+
Structure of
Valinomycin including
K+ indide.
A part of Valinomycin
was removed to show
K+ (yellow).
・Valinomycin is an antibiotic functioning
as a transporter of excess amount of K+
into cells in living body.
・Six carbonyl groups of esters are facing
to K+ to stabilize the complex via iondipole interaction. Alkyl groups face
outside to be stabilized in the hydrophobic
membrane.
Covalent bonds vs. intermolecular interactions
C-O bond
340kJ / mol
1.43 Å
C-C bond
360kJ / mol
1.54 Å
C-H bond
430kJ / mol
1.11 Å
C=C bond
600kJ / mol
1.33 Å
C=O bond
690kJ / mol
1.21 Å
Ion-ion interaction
250 kJ/mol
1/r
Ion-dipole interaction
15 kJ/mol
1/r2
2 kJ/mol
1/r3
Dipole-dipole interaction
van der Waals interaction
0.4-4 kJ/mol
Hydrogen bonding
20 kJ/mol
1/r6
close to covalent bonds
Energy of interaction vs. kinetic energy
determined by the temperature
Kinetic energy of a particle at T K = 3/2kT
298 K, 1mole ⇒ 3/2kT = 3.8 kJ/mol
Ion-ion interaction
250 kJ/mol
Ion-dipole interaction
15 kJ/mol
Dipole-dipole interaction
2 kJ/mol
van der Waals interaction
0.4-4 kJ/mol
Hydrogen bonding
20 kJ/mol
Ion-ion interaction
-
+
とても強い相互作用であり、時には共有結合よりも強い。
引力としても斥力としても働く。
方向性はない。
長距離で働く（１／r）。
媒体の誘電率に強く依存する。
Energy = (k * z1 * z2 * e2) / (r12)
k = 1 / 4πo= Coulomb constant = 9*109Nm2/C2
e = elementary charge = 1.6*10-19C
 = relative dielectric constant of the media
r12 = distance between the charges
Relative dielectric constant
水
81（ただし温度によって大きく変化する）
アルコール
16～31
ダイヤモンド
16.5
ガラス
5.4～9.9
アルミナ
8.5
(Al2O3)
木材
2.5～7.7
雲母
7.0
イオウ
3.6～4.2
石英
3.8
(SiO2)
ゴム
2.0～3.5
アスファルト
2.7
紙
2.0～2.6
パラフィン
2.1～2.5
空気
1.00059
Calculation of the stabilization energy
二つのお互いに異なる電荷を持った分子種が水中で
３nmの距離に近づきコンプレックスを作るとどの程度
のエネルギーの安定化が起こるか？
（水の比誘電率は７８．５とする）
Energy = (k * z1 * z2 * e2) / (r12)
= 9*109 * 1 * -1 * (1.6*10-19)2 / 78.5 * 3 * 10-9
= -2.3 * 10 -28 / 2.4 * 10 -7
= -9.8 * 10-22 J
= -0.59 kJ/mol (-0.14 kcal / mole)
1 nmでは？
Energy = (k * z1 * z2 * e2) / (r12)
= 9*109 * 1 * -1 * (1.6*10-19)2 / 78.5 * 1 * 10-9
= -2.3 * 10 -28 / 0.8 * 10 -7
= -29.4 * 10-22 J
= -1.77 kJ/mol (-0.42 kcal / mole)
クロロホルム中1nmでは？
= 9*109 * 1 * -1 * (1.6*10-19)2 / 4.8 * 1 * 10-9
= -2.3 * 10 -28 / 4.8 * 10-9
= -4.79 * 10-20 J
= -28.8 kJ/mol (-6.89 kcal/mol) -> 8% of a C-C bond
Ion-dipole interaction
・イオン結合に比べて非常に弱い
・引力にも斥力にもなる
・中程度の距離で働く（1/r2）
(距離依存性はイオンの電荷と双
極子の２つの部分電荷との間の２つ
の相互作用の和として計算できる）
Energy = -(k * Q * u * cos/ (r2))
Maximum when = 0 or 180 degrees
Zero when = 90 degrees
u = dipole moment = q * l
l = length of the dipole
q = partial charge on dipole
r = distance from charge to center of dipole
Q = charge on ion
O



Na+
ナトリウムイオンにθ＝０で向かい合っているアセトンが
距離１nm、クロロホルム中に存在するときに働くイオンー双
極子相互作用は？
Energy = -(k * Q * u * cos/ (r2))
= 0の時、 cos=1
= -(k * Q * u / (r2))
= -9*109*1.6*10-19*2.9*3.336*10-30/(r2)
= -1.39*10-38/4.8*(10-9)2
= -2.9*10-21 J
=-1.75 kJ/mol
アセトンの双極子モーメントuは2.9D
(D=3.33564*10-30C・m)
Dipole-dipole interaction
Energy=
-(k*u1*u2/ (r3))(2 cos1 cos2sin1 sin2 cos)
1=2=0の時最大となり、
=2(k*u1*u2/
(r3))
H
H
H
H
Cl
H C Cl
Cl
O
クロロホルム
メタノール
1
O
δδ+
アセトン

2
δ
O
δ+
アセトン
Dipole-dipole interaction
２つのアセトンがクロロホルム中で0.5nm離れてheadtailで配置されていると、
Energy=
=2(k*u1*u2/ (r3))
= -2(9*109*(2.88*3.34*10-30)2/4.8*(0.5*10-9)3)
= -28.08*10-22 J
= -1.68 kJ/mol
0.5 nm
H3C
H3C
O
H3C
O
H3C
Interaction of the induced dipole
分子の分極が関与する相互作用
原子（分子）が外部電場（E)下に置かれると
（ｂ）、電子の軌道は、正電荷から移動し、誘
起双極子モーメントが生じる
イオン－無荷電分子相互作用
＋
δ－
δ＋
誘起
同様のことは永久双極子－無荷電分子間でも可能
E=-A/r5
E=-A/r6
Van der Waals interaction
双極子モーメントを持たない無極性分子の間でも分子間力が存在する。
瞬間的な電子の非対称な配置により小さな双極子が生じるため。
大きな分子ほど（電子の数が多いほど）強い相互作用。
E=-A/r6
δ－
δ＋
δ－
δ＋
瞬間的
（時間平均では電荷の偏りはない）
Hydrogen bonding
水素原子がF, O, N原子など非共有電子対を持つ原子との間でクーロン
力による弱い結合をつくる。一種の双極子－双極子相互作用
結晶中で水の各酸素は別の分子の２つの水素と水素結合をして正四面体構造をとる。
従って１水分子の周りの分子間結合数は４。液体では、動的に水素結合しており平均的な結合数は、３－３．５。
Hydrophobic interaction
疎水性分子が、水中に存在すると水分子は、水素結
合による正四面体の構造を保とうとする結果、図の
ような包接“かご“を作る。
かごを作っている水分子の配列の規則性は、バルク
中の水分子よりも高い。⇒エントロピーの減少⇒低い
溶解性
n-ブタンの水への溶解における自由エネルギー変化
ΔG＝ΔHーTΔS＝－4.3+28.7＝＋24.5ｋJmol-1
２つの疎水性分子が水中で近づいた時、疎水分子を取り囲む規則正しく配列したかごを作る水分
子数が少なくなる。⇒エントロピー的に有利⇒すなわち、疎水性相互作用は、疎水性分子間の結
合エネルギーではなく、水分子の再配列によるエネルギ変化が根源
Importance of the molecular shape in
the intermolecular interactions
Hydrogen bonding: complimentary
base pairs
Van der Waals: melting points of
fatty acids
Fatty Acids
Acid
Name
Structure
Oleic
Linoleic
SATURATED
CH3(CH2)10COOH
CH3(CH2)14COOH
CH3(CH2)16COOH
UNSATURATED
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH
CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6COOH
Linolenic
CH3CH2(CH=CHCH2)3(CH2)6COOH
Lauric
Palmitic
Stearic
Arachidonic CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH
Melting
Point
+44
+63
+70
+16
-5
-11
-50
Ion-dipole : crown ether
cation
diameter（ｐｍ）
crown
diameter（ｐｍ）
Li+
136
12C4
120～150
Na+
190
15C5
170～220
K+
266
18C6
260～320
Cs+
338
21C7
340～430
Structure of amphiphilic molecule and the shape of its assembly
両親媒性化合物の形と集合形態
Supra molecular chemistry
超分子化学
ー定義、歴史、研究例－
超分子化学＝Supramolecular Chemistry
非共有結合性相互作用の研究
非共有結合性相互作用による分子集合体の研究
すなわち、「分子を超えた化学」
１９８７年に、Pedersen, Cram, Lehnがホストーゲスト化学でノーベ
ル賞受賞
その時にLehnが提唱
自然界、生体内の化学では当然のことのように利用されている。
しかし、Lehnの提唱後、ホストーゲスト化学、バイオミメティック
化学、液晶、ゲル、分子ワイヤー形成、分子機械構築などの研
究に大きく発展している。
その他の定義
「望み通りに制御された分子間相互作用の化学」
「一つの分子内の部分的な特性を結びつけたものも超分子化学と呼び得る」
Host-guest chemistry
ホスト分子が形成する場（空孔）の形に適合したゲスト分子（イオン）が非共
有結合を介して取り込まれ、安定な複合体を形成する。ホストの合成、非共
有結合、複合体の機能などに関する化学
Crown ether
１９６７年にCharles J. Pedersenが合成。環サイズに依存して選択的に特定のア
ルカリ金属イオンを取り込み、有機溶媒に可溶とする。induced fit (誘起適合）
O
O
O
O
O
O
Dibenzo-18-Crown-6
様々なサイズのクラウンエーテル
Pedersen, C. J., J. Am. Chem. Soc., 1967, 89, 7017.
Synthesis of crown ether
クラウンエーテル－アルカリ金属イオンコンプレックスの安定化定数
ホストーゲスト会合定数
Ks = [HG]/[H]・[G]
log Ks = 2.2
log Ks = 6.1
Cryptand: クラウンエーテルを３次元に拡張
Jean-Marie Lehn が1968年に開発。
O
O
N
O
O
K+
O
N
O
[2.2.2] Cryptate
log Ks = 9.75
Jean-Marie Lehnの研究の特徴
・ビシクロ骨格を導入して多点認識サイトをホスト分子に導入
・自己組織化の重要性や超分子化学の概念を浸透させる。
supramolecular assembly, 1996
foldmer, 2003
Spherand(スフェランド）：
強固な骨格を有するホストにより３次元でゲストを取り囲
む。Donald J. Cramが1979年概念を提示。
OR
OR
OR
RO
RO
OR
log Ks > 16.8
高い選択性 Li+ > Na+ >> K+
pre-organization
Donald J. Cramの仕事の特徴
• イオンだけでなく分子を選択的に認識して補足する多くのホスト
分子を合成。酵素の触媒能の模倣も目指す。
•”カルセランド“ (carcerand)－合成分子でできた牢獄－の概念を
導入
• Pre-organizationが分子認識に重要であることを示した。
• ホスト分子の応用に関する仕事：ラセミ体の分離。
Cyclodextrin(シクロデキストリン)
・1891年にVilliersによりデンプンの分解物として単離。
・1938年にFreudenbergが、グルコピラノースが結合した環
状構造であること、優れた複合体形成能を有することを明
らかにする。
・水中で疎水相互作用など様々な分子間相互作用が働き、
複合体を安定化する。
・シクロデキストリンはゲストのサイズと形を識別。
Complex of cyclodextrin
・1975年に単結晶X線構造解析を用いて原田一明（産総研研究員）
によって初めて明らかにされる。
K. Harata and H. Uedaira, Nature, 1975, 253, 190.
Calixarene(カリックスアレーン)
O
+
H
H
OH
OH
OH HO
OH
Acidic or Basic
・1944年に、Alois ZinkeとErich
Zieglerがtert-ブチルフェノールを
ホルムアルデヒドと重合させるこ
とで高融点の生成物を得た。
・１９７５年にC. David Gutscheが
４，６，８量体の環状化合物の構
造やコンフォメーションやゲストの
取り込みなどを明らかにした。
・tert-ブチル基を除去後、スルホ
ン酸基を導入して水溶性のカリッ
クスアレーンが新海征治により合
成されている。
自己組織化によって形成されるホスト化合物
ホスト内での選択的な反応
東京大学藤田誠研究室のホームページより
Pre-organized ionophore
・市販の試薬を混合する
だけで合成できる。
・中性の水中でアルカリ金
属イオンを捕捉
・クラウンエーテルより３
桁、クリプタンドより１桁高
いアルカリ金属イオンとの
コンプレックスの安定性。
・分子設計により、Na+と
Li+の識別を高めることも
可能
H. Piotrowski, K. Polborn, G. Hilt, K. Severin, J. Am.
Chem. Soc., 2001, 123, 2699.
Z. Grote, M.-L. Lehaire, R. Scopelliti, K. Severin, J. Am.
Chem. Soc., 2003, 125, 13639.
Pre-organized nanotube
・アミノ酸のd体とl体を交互に含む環状８、
１０量体は、水素結合を介してチューブ状
構造体を形成。
・二分子膜中でイオンチャネルとして働く。
・バクテリアの細胞膜に選択的に挿入され
るナノチューブを抗バクテリア薬として利
用できる。
M. R. Ghadiri, et al., Nature, 1993, 366, 324.
S. Fernandez-Lopez, M. R. Ghadiri et al., Nature, 2001, 412,
Pre-organized capsule
（Cleft分子
自己複製分子
）
J. Rebek and D. Nemes, J. Am. Chem. Soc.,
1986, 108, 5637.
V. Rotello, J. I. Hong, J. Rebek,
J. Am. Chem. Soc., 1991, 113,
9422.
R. Wyler, J. de Mendoza, J. Rebek, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1993, 1699.
Organic zeolite
・化合物１はケトン類を取り込み、水素結合によ
る編み目構造を保持して結晶化する。
・ゲストであるケトンを加熱して除去すると細孔
が残り、ゼオライト（結晶中に微細孔を持つアル
ミノ珪酸塩の総称、細孔内に水分子などを吸着、
触媒作用もある。）のようにベンゼンなどの小分
子を取り込む。
・化合物１はDiels-Alder反応を加速する。
K. Endo, Y. Aoyama, et al., J. Am. Chem. Soc., 1995, 117, 8341; K. Endo, Y. Aoyama, et al., ibid, 1997, 119, 4117.
分子組織体が示すその他の機能
１．動く分子組織体
(moving molecular organization)
２．色づく分子組織体
(coloring molecular organization)
３．ナノを描く分子組織体
(nano-structuring molecular organization)
４．情報を処理する分子組織体
(information-processing molecular organization)
５．複製する分子組織体
(duplicating molecular organization)
１．動く分子組織体
ガラス基板上に固定されたキネシン（モータータン
パク）によって動かされる微小官（タンパクの集合
体）
光化学反応で可逆的に構造変化する“アゾベンゼ
ン”を組み込んだ高分子フィルムによるプラスチッ
クモーター
（東工大、池田富樹、２００８）
２．色づく分子組織体
クジャクの羽
“コレステリック液晶”の構造色
３．ナノを描く分子組織体
生物は分子の自己組織化でナノメーターレベルの精度をもつ
構造体を作っている
合成ＤＮＡの自己組織化でナノメートルの解像
度を有する望みのパターンを形成
人間は微細加工によってナノレベルの解像度で加工をしてい
る
P. W. K. Rothemund, Nature, 2006, 440, 297.
４．情報を処理する分子組織体
人間の頭脳
ＡＮＤの処理を行う蛍光性ホスト化合物
５．複製する分子組織体
DNA
自己複製する人工分子

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