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”, “self-reproducing”, “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、２００７

「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/

Science of Molecular

Organization

Understanding of functions in

life with the molecular level

Construction of highly

functional soft materials

K+

Weak inter-molecular interaction

exemplified by a natural ionophore “Valinomycin”

Structure of

Valinomycin including

K+ inside.

・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 ion-

dipole interaction. Alkyl groups face

outside to be stabilized in the hydrophobic

membrane.

A part of Valinomycin

was removed to show

K+ (yellow).

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

Covalent bonds vs. intermolecular interactions

Ion-ion interaction 250 kJ/mol 1/r

Ion-dipole interaction 15 kJ/mol 1/r2

Dipole-dipole interaction 2 kJ/mol 1/r3

van der Waals interaction 0.4-4 kJ/mol 1/r6

Hydrogen bonding 20 kJ/mol 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 / 4πo= Coulomb constant = 9*109Nm2/C2

e = elementary charge = 1.6*10-19C

= relative dielectric constant of the media

r12 = distance between the charges

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

(Al2O3)

8.5

木材 2.5～7.7

雲母 7.0

イオウ 3.6～4.2

石英

(SiO2)

3.8

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

Relative dielectric constant

二つのお互いに異なる電荷を持った分子種が水中で3.0nm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)

= 9.0*109 * 1 * -1 * (1.6*10-19)2 / 78.5 * 3.0 * 10-9

= -2.3 * 10 -28 / 2.4 * 10 -7

= -9.8 * 10-22 J

= -0.59 kJ/mol (-0.14 kcal / mole)

Calculation of the stabilization energy

1.0 nmでは？

クロロホルム中1nmでは？

Energy = (k * z1 * z2 * e2) / (r12)

= 9.0*109 * 1 * -1 * (1.6*10-19)2 / 78.5 * 1.0 * 10-9

= -2.3 * 10 -28 / 0.8 * 10 -7

= -29.4 * 10-22 J

= -1.8 kJ/mol (-0.42 kcal / mole)

= 9.0*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

= -29 kJ/mol (-6.9 kcal/mol) -> 8% of a C-C bond

Ion-dipole interaction

O

Na+

・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

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))

= -9.0*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

=-1.8 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 cos1cos2sin1sin2cos)

1=2=0の時最大となり、

=2(k*u1*u2/ (r3))

H

H

H

O

H

C

ClCl

ClH

メタノール クロロホルム

O O1 2δ- δ-

δ+ δ+

アセトン アセトン

Dipole-dipole interaction

２つのアセトンがクロロホルム中で0.50 nm離れてhead-

tailで配置されていると、

Energy=

=2(k*u1*u2/ (r3))

= -2(9.0*109*(2.88*3.34*10-30)2/4.8*(0.50*10-9)3)

= -28.08*10-22 J

= -1.7 kJ/mol

H3C

O

H3C

H3C

O

H3C

0.5 nm

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

Interaction of the induced dipole

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

Fatty Acids

Acid Structure

Melting

Name Point SATURATED

Lauric CH3(CH2)10COOH +44

Palmitic CH3(CH2)14COOH +63

Stearic CH3(CH2)16COOH +70

UNSATURATED

Oleic CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH +16

Linoleic CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6COOH -5

Linolenic CH3CH2(CH=CHCH2)3(CH2)6COOH -11

Arachidonic CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH -50

Van der Waals: melting points of fatty acids

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

両親媒性化合物の形と集合形態

Structure of amphiphilic molecule and the shape of its assembly

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

O

O

O

O

O

O

Dibenzo-18-Crown-6

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）

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

log Ks = 2.2

log Ks = 6.1

ホストーゲスト会合定数

Ks = [HG]/[H]・[G]

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。

N

O

O

O

O

N

O

O

[2.2.2] Cryptate

K+

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。

foldmer, 2003 supramolecular assembly, 1996

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。

ORRO

ROOR

OR

OR

高い選択性 Li+ > Na+ >> K+

pre-organization

log Ks > 16.8

• 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。

Donald J. Cramの仕事の特徴

・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。

Cyclodextrin(シクロデキストリン)

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.

・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。

OH

+H H

O

OH

HO

OH

OH

Acidic or Basic

Calixarene(カリックスアレーン)

自己組織化によって形成されるホスト化合物

東京大学藤田誠研究室のホームページより

ホスト内での選択的な反応

・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

Pre-organized ionophore

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, 452.

J. Rebek and D. Nemes, J. Am. Chem. Soc.,

1986, 108, 5637.

Pre-organized capsule

（Cleft分子 自己複製分子 ）

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

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

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

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