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开发离子出入可控的封端分子容器

这一期的spotlight research来自日文版,翻译投稿 张寻

该研究介绍是由由金泽大学理工研究域物质化学系配位化学研究方向,现任秋根茂久研究室助教的酒田阳子老师提供。

秋根实验室着眼于金属和配体间的可逆相互作用,通过精密设计,使大型金属配合物的自发形成以及动态结构变换等切实可行,从而使合成反应有效进行。

论文的第一作者酒田老师成功合成了能够自如控制入射离子的金属配合物。这项研究成果作为一则新闻刊登在了Nature Communication杂志上。

Anion-capped metallohost allows extremely slow guest uptake and on-demand acceleration of guest exchange

Sakata, C. Murata, S. Akine

Nature Communications 2017, 8, 16005. DOI: 10.1038/ncomms16005

关于酒田老师,秋根茂久老师有如下的评论:

“酒田是实验室里最早的成员,一个开朗外向的女性。她在实验室的起步阶段做出了很大的贡献。当我问起对于酒田女士的印象,她在求学期间的导师盐谷光彦说了一句谜一般的话:“精力充沛得过头了。” 虽然她有着过于心直口快的缺点,但却拥有行动派科学家的魅力,能将思考迅速转化为行动。作为研究小组的成员,她认为,在推进研究的同时,向小组成员们分享构思、合成新分子时的喜悦以及发现有趣现象时的感动是极其重要的。可以说,她就是研究室里研究精神的支撑者。这一份研究热情,正在不断地传播给更多的人。今后当我们创造出独特的分子时,我期待这份新的感动可以传承给下一代的研究人员。”

接下来,让我们来看一下本次的研究成果。

Q1关于本次研究的研究对象,请您简要做一下说明。

本次我们针对容器的盖体子进行研究,致力于开发可以自如控制客体进出的分子容器。

迄今为止,人们开发合成了大量以冠醚为代表的人工主体分子,一般人工主体分子与客体分子结合所需要的时间在千分之一秒以内,对于肉眼来说只是一瞬间。同时,本次研究所开发的金属环装配合体主体分子具有冠醚一样的孔隙。如果在其所在容器上下安装阴离子性的盖体,其与客体分子结合的速度就会降低很多(图1)。特别是与镧离子(La3+)结合,差不多要100个小时才能完成。在使用三氟甲基磺酸盐盖体时,容器能够高效地抑制客体的进出。并且,在两个客体(K+, La3+)存在的时候,若把容器的盖体换为乙酸离子,则可以成功地控制客体在理想的时间下进出。(图2)

本研究从“客体结合速度”的速度论观点出发,联系“时间”和“功能”两点进行研究,在此之后让功能分子于必要的时间和空间内活动。为了驱动分子器械,我认为基础技术的发展是十分重要的。

图1 本次研究中所开发的环状金属配合物主体分子。在主体分子中导入了捕捉客体的部位以及盖体子的安装部位。

图2通过换不同的盖体使客体能够按要求进出的“主体·客体系统”。

Q2就本次研究的主题,请您分享一下自己的想法以及讲述一下在实验上付出的努力

说实话,在这个研究开始的时候,我根本没想到对于这个分子的研究可以呈现出现在这么有趣的成果。秋根研究室成立的第一年,甚至有大四学生做的课题,合成的都是相对简单的物质。此时,我们就展开了对这个主体分子的研究。出了成果之后,我们又合成了各种各样的诱导体。甲胺作为轴配体无法进行配位的事情,和这次“主体·客体特性”没有出现的事情一样,都是刚刚才搞清楚。从结果来看,我感觉本次合成的主体分子的性能是十分优良的。在研究室的起步阶段,实验环境不太完善,因此在我毕业设计的一年里,大多数的实验数据是由村田千穗女士提供的,在此表示衷心的感谢。

Q3研究题目中的难点有哪些?后来解决了吗?

在实验方面的话,那就是析出La3+和作为盖体的乙酸离子结合形成的包涵体了。基于本论文“盖体若发生交换,则离子交换的速度增加”这一主张,我们通过大量的数据分析,多次尝试后终于析出了结晶。自研究以来,因为仅有一次析出了真正可供分析的结晶,所以我认为现在的成果只是奇迹的第一步。

实际上最花时间的,是怎样在论文中去表述这次意外且有趣的结果。本次研究的成果的论文中可能会动不动出现“如果给予外部刺激,两个客体就会发生交换”这样武断的话。不过我们确信,这个客体交换装置目前没有什么意外情况出现。在彻底调查了之前的相关论文以及与秋根教授进行多次讨论后,大约花了半年时间,论文才最终成稿。

Q4将来想继续从事化学相关的研究吗

首先,我想继续愉快地搞化学研究。现在我已经获得了超分子化学领域的学位。正是因为有这样的学习背景,所以经常会思考能做什么样的研究,可目前还没有确切的答案。我倒是有兴趣继续做“新分子”,因为最近在新分子、新材料的各个细分领域中都涌现出了大量的研究成果。同时也是因为自己想进行一些力所能及的研究,对未来社会的发展做出自己的贡献。

Q5最后,有什么话想对化学空间的读者说呢?

此次研究可以刊登在化学空间,我们感到非常荣幸。虽然研究和最初时的设想并不吻合,但对我个人来说,这正是研究的乐趣所在。出现预想之外的结果时,我们并没有放弃,反而心里怀着“这也许是世纪大发现”的想法继续乐此不疲地研究。(差不多就是这样吧。。。)

 

最后,对于向本次研究提供宝贵意见和建议的秋根茂久教授致以衷心的感谢。

 

相关链接

 

研究者简历

酒田阳子

所在单位:金泽大学理工研究域物质化学系秋根实验室 助教

研究方向:超分子化学、配位化学

 

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