大阪大学大学院基礎工学研究科の岡田武蔵さん（博士前期課程2年）、桶谷龍成助教、久木一朗教授、同大学院工学研究科の髙司健太郎さん（博士前期課程2年）、重光孟講師、木田敏之教授、大阪公立大学大学院理学研究科の中嶋琢也教授らの研究グループは、キラルなフェノチアジン誘導体のアキラル結晶が、分子のキラリティを反転しつつ単結晶性を維持したままキラル結晶へ構造転移する現象を発見しました(図1)。この現象は溶媒を必要とせず、完全に結晶中で進行する新たなキラル対称性の破れ現象となります。

これまで化学分野における非平衡開放系のキラル対称性の破れ現象は、優先富化とビエドマ熟成が知られていました。いずれも溶液中の現象であり、大量の溶媒分子と少量の溶質分子が複雑に入り乱れるため、キラル対称性の破れの完全なモデル化は困難でした。

今回、研究グループは、分子内でキラリティが容易に反転するフェノチアジン誘導体を利用して、アキラル結晶からキラル結晶へ構造転移する第三のキラル対称性の破れ現象を発見しました。この現象は従来のものとは異なり、完全に1つの結晶中で進行する極めてシンプルな現象であるため、キラル対称性の破れの原理やその先にある、生命のホモキラリティの謎を解明する手がかりになります。また類似の現象を示すものとして塩素酸ナトリウムが知られていますが、こちらは構成要素にキラリティをもたない点で本系とは異なります。本研究では単一の分子にキラリティがあることから、分子レベルでのキラル対称性の破れ現象の理解に貢献できる成果です。

本研究成果は、英国王立化学会の「Chemical Science」に、8月19日（火）１８時（日本時間）に公開されました。

図1. 本研究で使用した分子の構造（上）と分子内でキラリティが反転することで起こる、アキラル結晶からキラル結晶への構造転移（下）のモデル図。

キラル化合物は通常、鏡像の関係にある右手型の分子と左手型の分子がペアとなって存在しています。しかし、地球上の生命体を構成するアミノ酸や糖はキラル化合物であるにも関わらず、生体内には片方の分子しか存在していません。これを「生命のホモキラリティ」といい、その理由や原因は多くの科学者によって長年研究されてきましたが、いまだ解明されていません。
これまで、化学分野において、キラル化合物がペアの状態から片方だけの状態に変化する「キラル対称性の破れ現象」が２種類報告されてきました。この現象の原理を解明することで、生命のホモキラリティの理解に近づくと考えられています。しかし、いずれも溶液中の現象であり、溶液中では少量のキラル分子と多量の溶媒分子が常に激しく運動しており複雑に入り乱れるため、キラル対称性の破れがなぜ起こるのか、どのように起こるのかという原理の解明には至りませんでした。

研究グループは、アキラル結晶とキラル結晶が報告されており、分子のキラリティが容易に反転する有機分子「フェノチアジン誘導体」に着目し、結晶間の構造転移について熱分析やX線回折法などの方法で詳細に調べました。その結果、準安定なアキラル結晶から安定なキラル結晶に結晶性を維持したまま構造転移することを発見しました。この現象は結晶中で、キラル分子がペアの状態から片方の状態に自発的に変化する、単結晶中で進行する新たなキラル対称性の破れ現象となります。従来の現象では右手型と左手型のどちらに対称性が破れるかは完全にランダムでした。今回の研究内容ではさらに、右手型もしくは左手型のどちらのキラル結晶に構造転移するかを、種結晶を使用することで制御することにも成功しました。

図2. ①実際の構造転移の様子と、②X線回折法の結果から考えられる構造転移のメカニズムのモデル図。

準安定なアキラル結晶から安定なキラル結晶に結晶性を維持したまま構造転移することは従来のものとは異なり、対象のキラル分子以外に溶媒や不純物を必要とせず、完全に1つの結晶中で進行する極めてシンプルな現象です。さらに、結晶であるためX線回折法などにより構造転移に伴う分子の運動を可視化することができます。そのため、この現象をモデル化することでキラル対称性の破れ現象の原理やその先にある、生命のホモキラリティの謎を解明する手がかりなると考えています。さらにキラル結晶への構造転移に伴い、円偏光発光（CPL）特性も発現するため、構造転移をトリガーとするターンオン型の円偏光発光材料としての実用化も期待されます。

本研究成果は、2025年8月19日（火）１８時（日本時間）に英国王立化学会の「Chemical Science」（オンライン）に掲載されました。Chemical Science誌はオープンアクセス誌のためどなたでもアクセスできます。

タイトル：“Spontaneous chiral symmetry breaking in a single crystal”
著者名：Ryusei Oketani, Musashi Okada, Ichiro Hisaki, Takaji Kentaro, Hajime Shigemitsu, Toshiyuki Kida, Takuya Nakashima
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1039/D5SC02623G

なお、本研究は、JSPS科研費（23K13708, 23H04593, 22H05134, 24K01468, 25H01626, 25K01728）、ＪＳＴ ACT-X（JPMJAX22A2）の一環、第一三共はばたく次世代プログラム、池谷科学技術振興財団、大阪大学大学院基礎工学研究科未来ラボシステムの支援等により実施されました。研究データの一部は文部科学省先端研究基盤共用促進事業（コアファシリティ構築支援プログラム）JPMXS0441200024で共用された機器を利用して得られました。奈良先端科学技術大学院大学の河合壮教授にはCPL測定の検討でご協力いただきました。

桶谷龍成助教
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/54f6e046257bccb0.html

久木一朗教授
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/c28a75d2da696069.html