[Introduction]

Molecular machinery, which allows rotational or translational motion based on reversible state-to-stateexchanges between a few structural isomers, has attracted increasing attention, and a number of excellentexamples have been reported so far. However, it is still in an early phase and therefore it is necessary to addressimportant factors in terms of controlling each motional device such as type (rotation or translation), rate,direction, position, and timing. In the next stage, cooperative motional transformation between multiple devicesshould be a significant cornerstone in the development of complex nano-mechanical systems.

This study has focused on establishing a molecular crank mechanism, which enables motion transformationbetween rotation and translation by means of metal-mediated self-assembly and molecular interlocking.

[Design and Synthesis of a Molecular Crank Mechanism]

A crank mechanism is oftenused to link rotational andtranslational parts to directlytransform the two motions. Torealize this motional correlation atthe molecular levels, ametal-mediated molecular ballbearing and a rotaxane werecombined as a rotational and atranslational parts, respectively, as shown in Fig. 1.

As a rotational part, molecularball bearing was used, in whichthree Ag(I) ions are put between atris-monodentate disk-shaped ligandwith three oxazoline rings and a hexa-monodentate disk-shaped ligand with six thiazole rings. These two rotors can rotate relative to each otherthrough ligand exchange and flipping processes with the helix inversion. Both ligands can be easilychemically-modified to tether some functional parts.

As for a translational part, a rotaxane, in which an axle part and a ring part are mechanically interlocked,was attached to the molecular ball bearing. That is, an axle molecule with a terminal bulky stopper is linked withone of the six thiazole rings of the hexa-monodentate ligand, while this axle part is intramolecularly threadedthrough a macrocyclic crown ether which is attached to one of the three phenyl rings of the tris-monodentateligand. Here the rotaxane applied a type of secondary ammonium-templated crown ether so that a possibleinteraction between the crown ether and the ammonium cation on the axle part could control translationalmotions within the rotaxane.

The molecular crank mechanism was synthesized according to a scheme shown in Figs. 2 and 3 startingfrom ring 2 and axle 3. Axle 3 was protonated and mixed with ring 2 in CH2Cl2, and then atrifluoromethanesulfonic acid anhydride derivative as the stopper was added to the mixture to obtain end-cappedammonium rotaxane, H4.2.X (X is a mixture of NTf2- and OTf-) in 39% yield (Fig. 2c). The position of thecrown ether in the ammonium rotaxane was fixed around the cationic ammonium moiety through electrostaticinteractions. This was proven by the fact that the signals of the benzylic protons (h, i) adjacent to the positively- charged ammonium group was shifted downfield while the signals of the crown ether protons (M, O, P, Q, R, S)showed upfield shift with splitting in the 1H NMR spectra. The generated rotaxane has a planar-chirality and istherefore in the racemic form.

Next, the ammonium group of ammonium rotaxane H4・2+ was neutralized by triethylamine, and thenconverted into an acetamide form with acetic anhydride (Fig. 2d). In the resulting N-acetyl rotaxane 1・2, theinteractions between the crown ether and the ammonium moieties become negligibly-small, and therefore thecrown ether ring starts migrating along the rigid phenylene-ethynylene oligomer axle. As a result, 1H NMRsignals of the ring and the axle shifted individually, and the ring signals coalesced again.

Molecular crank [Ag31・2]3+ was synthesized by titration of N-acetyl rotaxane 1・2 with Ag(I) ions (up to 4.5equiv) in methanol-d4. Its 1H NMR spectra showed the downfield shift of the signals for coordination sites ofhexa-monodentate ligand (a, c) and tris-monodentate ligand (A, B, F, G, H). This indicates the efficientcomplexation of the rotational part with Ag(I) ions (Fig. 3d). ESI-TOF mass spectrum also established theformation of molecular crank ([Ag31・2(OH)(H2O)]2+: m/z = 1360.7). The rotational part was stable even at lowconcentrations probably due to the interlocked structure.

[Rotational and Translational Motions in the Molecular Crank Mechanism]

Intramolecular motional correlation was examined by variable temperature (VT)-1H NMR spectroscopy. 1HNMR spectrum of molecular crank [Ag31・2]3+ at 233 K showed the split signals of thiazole ring (a, c) ofhexa-monodentate ligand, whereas these signals were not split at 293 K (Figs. 3c, d). The rate of ligandexchange between the neighboring thiazole rings appears to be slower than the NMR timescale at relatively lowtemperatures in view of the individual observation of the signals for protons of coordinating andnon-coordinating thiazole rings. In contrast, at 333 K, signals became sharper and highly symmetric, suggestingthat each part of [Ag31・2]3+ can move more smoothly (Fig. 3e).

Similarly in the case of the translational part of [Ag31・2]3+, the sharpness of the signals for the axle and thecrown ether parts highly depends ontemperature, suggesting that the axle part can move back and forth throughthe cavity of crown ether-based macrocycle. Notably, the chemical shifts (r, s, t, u) for the bulky stopper at theaxle end was proven to be susceptible to how far the crown ether part is located on the axle. In a model rotaxanewith a very short axle, the ring locates close to the stopper all the time, as observed in the strong shielding andupshielding effects of the ring (Fig. 3a). In contrast, the ammonium rotaxane H4・2+ in which the ring is fixedaround the ammonium cation showed quite different chemical shifts from the short rotaxane (Fig. 3f). Incomparison of the differences in the chemical shifts, all the stopper's signals for N-acetyl rotaxane 1・2 showsinglet signals whose chemical shifts are between those of the short N-acetyl rotaxane and the ammoniumrotaxane (Fig. 3b). This indicates that the crown ether part of N-acetyl rotaxane 1・2 runs over a wide range of theaxle faster than NMR timescale. However, the chemical shifts of the stopper in the molecular crank [Ag31・2]3+are close to those of ammonium rotaxane, indicating that the crown ether part is mostly kept far from the stopper(Fig. 3d). Therefore, the rotational part in motion restricts the operating range of the crown ether part along theaxle.

To clarify the intramolecular interactions between the rotational and translational motions, the Ag(I)complex of ammonium rotaxane, [Ag3・H4・2]4+, as a constrained model was examined by VT-1H NMRspectroscopy. As mentioned above, the macrocycle is located around the ammonium group of the axle so that thesignals of movable parts were broadened from 213 to 333 K due to the relatively slow and restricted motions onthe NMR timescale (Fig. 3g). On the other hand, the corresponding signals of Ag(I) complex of N-acetylrotaxane, [Ag31・2]3+, showed no significant broadening even at low temperatures (Fig. 3d), indicating that bothrotational and translational motions take place simultaneously although the translational motion of the axle isrestricted by the motion of the rotational part. Thus, the mobility of the crown ether part on the axle has closerelationship with the rotation behavior.

[Conclusion]

In this study, a metal-mediated molecular crankmechanism has been synthesized which consists of arotational and a translational parts within a molecule.The detailed 1H NMR study revealed that the rotationalpart restricts the range of translational motion of the axlethrough the cavity of crown ether part in the rotaxanestructure. Moreover, when the position of the crownether is fixed on the axle through electrostaticinteractions, the rate of rotation becomes extremely slow.Thus, the rotational and translational parts in themolecule crank mechanism dominantly interact with oneanother. Such a molecule would provide a clue to atransformation and transmission of regulation of motionsat the molecular level.

Fig. 1 (a) Schematic illustration of a molecular crank mechanism. (b) Chemicalstructure of a synthetic molecular crank developed in this study.

Fig. 2 Synthetic scheme of N-acetyl rotaxane (1・2) and 1H NMR spectra of (a) free ring 2, (b) free axle 3, (c) ammonium rotaxane H4・2・X,and (d) N-acetyl rotaxane 1・2 in CDCl3 at 293 K.

Fig 3. 1H NMR spectra of (a) short N-acetyl rotaxane, (b) N-acetyl rotaxane, (c) molecular crank Ag31・23+ at 333 K, (d) 293 K, (e) 233 K,(f) ammonium rotaxane, and (g) Ag(I) complex of ammonium rotaxane in CD3OD. [1・2] = 3.9 mM.

Fig 4. Schematic illustration of a possible motion in themolecular crank mechanism.

マクロの世界の機械は、特定の運動モードにより、対象物を運んだり、力を加えて変形したり、物理的な仕事を行うことが可能である。近年、ナノメートルサイズの「分子機械」の合成と機能化に関する多くの研究がなされてきた。実際に働く分子機械を構築するためには、分子機械の生み出す運動の種類、方向、速度、位置やタイミングを精密に制御する必要がある。マクロな機械や生体内の分子機械においては、様々な動作部品や制御装置を組み合わせることで、運動様式の種類、方向、速度などを望みの形に変換し、位置やタイミングを制御することが可能である。これらの運動のメカニズムは、分子レベルのアプローチを行う上で様々なヒントを与える。本研究では、未だかつて実現されていなかった分子レベルの回転運動と並進運動の相互変換に着目した。具体的には、マクロな機械部品であるクランク機構に着目し、クランク型の分子を設計・合成した。分子クランクの構造および運動機能について、各種分光法により解析し、分子内の回転運動と並進運動の相関について議論した。

本論文は全4章から成り、第1章においてはマクロな人工機械や生体分子機械と既存の分子運動素子を比較することにより、複数の運動部品の連携による運動変換について考察し、本研究の目的および研究計画の概要を述べた。

第2章においては、分子クランクのコンセプト、デザインおよび合成について述べた。クランク機構とはピストンエンジン等に見られるように、回転部位と並進部位がコネクションロッドにより直接連結されることで、一回転と一往復が対応して回転/並進の相互変換を行う機械部品である。分子クランクのデザインとして、回転運動部位には三つの銀イオンと二枚のディスク状配位子から成るサンドイッチ型の分子ボールベアリング錯体を、並進運動部位にはダンベル型の分子が環状のクラウンエーテル分子に貫通したロタキサンを用いることにした。デザイン1~3までの3種類の分子構造に基づき検討を行い、ロタキサンの貫入構造の合成法、二種類の運動の伝達効率を高めるための各運動部位の連結方法、NMR分光法を用いた運動解析の簡便化などの観点から、デザイン3による分子クランク[Ag31・2]3+が最も優れたものと判断し、その合成を達成した。この分子クランクは、NMRのシグナルの解析が比較的容易で、詳細な運動解析が可能であった。

第3章では、この分子クランクの分子内運動相関について議論した。合成した分子クランク[Ag31・2]3+において、回転運動部位と並進運動部位が連動しているかどうかを調べるため、NMR測定を用いた運動解析を行った。温度可変NMR測定では、回転運動部位と並進運動部位ともに温度依存性を示し、分子内の回転および並進運動が示唆された。また、それぞれの運動部位の運動速度は、それぞれの部位の切り抜き構造である単独の回転運動部位および並進運動部位のモデル分子と比較すると、両運動の速度がそれぞれ遅くなったことから、二つの運動部位が連結されたことによる効果が明らかになった。続いて、ロタキサン上の並進運動の範囲を調べると、切り抜き構造である並進運動モデル分子の場合は、ダンベル型軸分子の末端まで自由に運動していたのに対し、分子クランクの場合は、並進運動の範囲が制限され、回転部位の運動により末端のダンベル部位から遠い範囲のみに運動が制限されていることがわかった。このことから、回転運動部位の形成が並進運動範囲に大きく影響していることが明らかとなった。さらに、環状分子とダンベル型分子の間にイオン・双極子相互作用部位を導入することで、並進運動を抑制した場合、回転運動も極度に遅くなり抑制されていることが明らかとなった。これらの結果から、並進運動部位の可動性が回転運動の誘起にも必須であることがわかり、これらの異なる二つの運動の相関が明らかとなった。

第4章では、本論文の総括と、今後の展望が述べられている。

以上のように、本博士論文では、回転および並進という異なる二種類の運動モードを一つの分子の中に導入した分子クランクの合成法を確立し、分子内の二つの分子運動を相関させることに成功した。このような運動変換素子の構築は、分子機械の新しい運動モードの発現を可能とし、今後の機能性分子システムの大きな発展を促し、理学の発展に大いに貢献するものである。よって、博士(理学)取得を目的とする学術研究として十分な意義を有する。なお、本論文における各章の研究は他の複数の研究者との共同研究によるものであるが、論文提出者が主体となって実験、解析および考察を行ったものであり、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(理学)の学位を受けるのに十分な資格を有するものと認める。