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ノーベル賞受賞者F.ストッダート氏が語るシクロデキストリン金属有機物フレームワークとその応用

分析
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γ-シクロデキストリン(γ-CD)とアルカリ金属カチオンからなるシクロデキストリン系有機金属錯体(CD-MOF)は、天然の糖質から大規模に合成できる多孔質で再生可能な食用MOFの一種である。γ-CDは、8つの非対称なα-1,4結合したD-グルコピラノシル残基からなるC8対称の環状オリゴ糖で、内径約1nm、深さ約0.8nmのバケツ型の空洞を有している。γ-CD1当量と水酸化カリウム8当量を水溶液中で結合させ、この水溶液にMeOH(またはEtOH)を数日間かけて蒸気拡散させると、CD-MOF-1が立方体の結晶として得られる。2010年に偶然発見されたこの糖質系MOFは、世界で初めて高結晶性のCD-MOFが得られたものである。単結晶のX線結晶構造解析の結果、空間群I432、単位胞寸法約31×31×31Å3であることがわかった。また,カリウムイオンをルビジウムイオン,セシウムイオンに置き換えることで,CD-MOF-2,CD-MOF-3が得られる。CD-MOFは,(γ-CD)6立方体の拡張体心フレームワークで構成されており,立方体の中心には球状の細孔が存在し,アルカリ金属カチオンが相互に連結して,円筒状や三角状のチャネルを形成している。

過去10年間、CD-MOFは、強固な結晶性と永久的な多孔性、そして優れた生体適合性を示す拡張構造を持つ多孔質フレームワークをベースにした多機能材料の有用なクラスとして登場した。CD-MOFのファミリーには、アルカリ金属カチオン(Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+)やγ-CDおよびその誘導体を含むメタルノードのコレクションが増えてきている。CD-MOFは、その拡張された多孔質フレームワークが、ガス、薬剤、金属ベースのナノクラスターやナノ粒子などのゲスト分子を吸収する能力を持っているため、金属ベースのナノ粒子やゲルの合成のテンプレート、吸着・分離、高反応性の中間体の捕捉、触媒担体、センシング、電気メモリ、ドラッグデリバリーなど、さまざまな分野での応用が期待されている。

本アカウントでは,ノースウェスタン大学の研究室で発見されたCD-MOFのストーリーと,この環境に優しい多孔質材料を科学技術のさまざまな分野で利用する機会について,ノーベル賞受賞者のF. Stoddart氏がまとめている。本記事では、CD-MOFの代表的な合成法を紹介するとともに、その構造的特徴、水環境での安定性を高めるための官能化や化学修飾の概要、そして最後にその応用例をまとめている。

Indranil Roy, J. Fraser Stoddart Cyclodextrin Metal–Organic Frameworks and Their Applications. Accounts of Chemical Research Pub Date : 2021-02-01 , DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00695

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