医薬品など極性分子の構造解析を可能にする新たな結晶スポンジを開発~親水的な細孔環境で配位結合と水素結合を組み合わせた効率的な分子補捉を実現~

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2025-09-08 東京科学大学

東京科学大学と慶應義塾大学の研究チームは、医薬品分子に多く含まれる求核性化合物の構造解析を可能にする新規金属有機構造体(MOF)を開発した。従来の結晶スポンジ法では、求核性化合物がMOF中の金属イオンと強く反応し構造解析が困難だった。本研究では親水的な細孔を持つMOFを設計し、配位結合と水素結合を組み合わせることで分子を安定的に捕捉。ニコチン、キニーネ、アバカビルなど12種の求核性化合物の構造決定に成功した。さらに、MOFとゲスト分子の間に4種類の新しい相互作用パターンを確認し、従来困難だった極性化合物の解析が可能となった。本成果により、微量しか得られない天然物や医薬品代謝物、不純物の構造解明が迅速かつ高精度に行えるようになり、創薬研究の加速や新薬開発への応用が期待される。研究成果はJACS誌に掲載された。

医薬品など極性分子の構造解析を可能にする新たな結晶スポンジを開発~親水的な細孔環境で配位結合と水素結合を組み合わせた効率的な分子補捉を実現~
図1. 開発されたMOFにより解析された求核性化合物の構造式と観測された電子密度マップ。電子密度により化合物の構造を判定できる。

<関連情報>

金属有機構造体における相乗的な配位と水素結合による求核性化合物の構造解明 Structural Elucidation of Nucleophilic Compounds through Synergistic Coordination and Hydrogen Bonding in a Metal–Organic Framework

Tomoki Nakagawa,Yuki Wada,Bun Chan,Taichi Baba,Kengo Hanaya,Yuta Koseki,Ryuji Asano,Katsuyuki Aoki,Pavel M. Usov,and Masaki Kawano
Journal of the American Chemical Society  Published July 31, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c07192

Abstract

This study presents the development of a novel metal–organic framework (MOF) denoted as APF-80, suitable for the structural analysis of nucleophilic compounds that have traditionally been challenging to analyze using the crystalline sponge method. It was synthesized using a new mixed-substituent hexaazaphenalene ligand (344-TPHAP) featuring both 3-pyridyl and 4-pyridyl groups. This framework demonstrated remarkable stability toward nucleophilic molecules, which could be captured inside the pores through a synergistic combination of coordination and hydrogen-bonding interactions. APF-80 was successfully applied to determine the structures of 12 bioactive molecules, including naturally occurring alkaloids and pharmaceutical compounds. The host–guest interaction modes observed inside the resulting structures were classified into five distinct types. Binding energy calculations revealed that the guest site energies positively correlated with the crystallographic occupancies and the corresponding interaction types. This multimodal capture mechanism enabled the precise structural analysis of nucleophilic compounds under mild conditions, expanding the scope of molecules that can be analyzed by the crystalline sponge method.

有機化学・薬学
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