ロタキサン

ロタキサン (Rotaxane)

ロタキサンは、特異な構造を持つ超分子であり、大環状の分子が棒状の分子によって貫通しています。この構造において、棒の両端にはストッパーと呼ばれる嵩高い部位が付いており、それによりリング分子が軸から外れることが防止されています。存在しない場合や、ストッパーの大きさが不十分なケースでは、ロタキサンとは異なり擬ロタキサン（pseudorotaxane）と区別されます。

ロタキサンの名称はラテン語の「rota」（輪）と「axis」（軸）に由来し、主に有機分子から構成され、超分子化学の重要な研究対象とされています。また、天然物の中にもロタキサン構造を持つものが発見されています。

構造の表現

ロタキサンは、一般的に「[n]ロタキサン」という形で表され、これはリングと軸との合計数を示します。例えば「[2]ロタキサン」は、1個のリングと1個の軸からなる構造を指します。さらに、軸1個と多くのリングから構成される場合には「ポリロタキサン」（polyrotaxane）と呼ばれます。

ロタキサンの環状分子としては、シクロデキストリンやクラウンエーテルなどが使われます。一方、軸分子にはポリエチレングリコールなどが一般的に用いられます。

合成方法

人工的なロタキサンは1967年に初めて合成されました。最初は環状分子に軸状分子が偶然貫通することを目指していましたが、その収率は非常に低く、進展には時間がかかりました。その後、合成化学や超分子化学の発展に伴い、効率的な合成法が開発されてきました。

特に、環状分子と軸状分子の間に相互作用を用いた合成法が発展しています。これにより、複数の分子が適切に配置され、ロタキサン構造が形成されます。主な相互作用には水素結合、疎水性相互作用などがあります。初めてこれらの相互作用を使った合成を行ったのは荻野博であり、ここでの実験からも多くの研究が展開されています。

発展と応用

ロタキサンはさまざまな応用が期待されています。特に、シクロデキストリンを利用したロタキサンの合成は、水溶媒中で疎水性分子を取り込む特性を活かして、多くの研究が進められました。さらに、ポリロタキサンの合成に成功した事例もあります。これにより、ナノ材料としての応用が期待されています。

また、クラウンエーテルを利用した研究も進行中で、カチオン性の軸分子との相互作用を用いた合成が行われています。具体的な応用例としては分子エレベーターや分子モーターなどがあり、これらは分子コンピュータやドラッグデリバリーシステムへの展開が期待されています。

最近では、1991年に発表された分子シャトルの概念が注目されています。このシャトルでは、環状分子が軸状分子上で移動する仕組みが提案され、以降さまざまな研究が進められています。分子モーターに関しては、外部の刺激に応じて動的に環状分子の位置を変更する技術が開発され、実用化に向けた進展が見られています。

ロタキサンは、分子の相対的な位置関係を利用することで、複数の状態を持つことができ、これが新しい技術や材料の開発につながっています。そのため、ロタキサンは今後の研究において興味深いテーマとなるでしょう。

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