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ナノグラフェンのエッジ状態の解明を指向した縮合多環芳香族化合物の設計・合成・物性

Research Project

Project/Area Number 11J00189
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Organic chemistry
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

小西 彬仁  大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2011 – 2012
Project Status Completed (Fiscal Year 2012)
Budget Amount *help
¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000)
Fiscal Year 2012: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Keywordsグラフェンナノリボン / エッジ状態 / アンテン類 / ペリアセン / 縮合多環芳香族化合物
Research Abstract

まず、ナノグラフェンのエッジ状態の起因について知見を得るべく、クォーターアンテンの物性評価を行った。クォーターアンテンは4つのアントラセン環がペリ位方向へ縮環した分子である。X線単結晶構造解析にて明確になったその分子構造は、これまでに合成してきたビスアンテン・ターアンテンと比較して、確かに基底状態における開殻性の増大を支持するものであり、エッジ上に強く不対電子が局在化するのに妥当な骨格を有していた。磁化率測定から、S-Tギャップが他のアンテン類と比較して格段に減少していることが明らかとなった。室温近傍で大きな磁化を持つ化合物であることが明らかとなり、不対電子の強いエッジ上での誘起ならびに局在化をつよく示唆する結果となった。さらに、吸収スペクトルの解析から、第一励起状態が二電子励起状態であることを示唆する結果が得られ、二光子吸収測定から実験的にその遷移の帰属を行った。二電子励起蔵体の安定化はエッジ状態に由来する電子の局在化に由来するものと考えられる。一連の研究を通じて、アンテン類の系の伸張に伴う基底電子構造の変化を明確にした。段階的な系の伸張に伴い、エッジ状態の性質が顕在化していく挙動が捉えられた。クォーターアンテンという"分子"でエッジ状態の発現が明確に捉えられたことは、GNRsのエッジ状態についてより精緻な理解、ならびに将来の応用に対しその設計指針を与えるものと期待される。
つづいて、アンテン類の改良合成法の開発ならびに化学反応性について評価を行った。先の研究からアンテン類は本質的にエッジ状態を有するナノグラフェンの分子セグメントであることが明らかとなった。酸化剤・ルイス酸・ブレンステッド酸を組みあわせた改良Sholl反応で1段階でアンテンが合成できるようになった。さらに、そのBay領域における付加環化反応を利用して、π共役系を伸張させることが出来た。これらの合成法は多彩な構造・大きさを有するペリアセン類の合成法へ展開出来ると期待される。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

アンテン類を簡便に合成し、その分子構造・物性を明確にし、エッジ状態の要因ならびにその性質を分子レベルで解明できたため。

Strategy for Future Research Activity

最小のポリアセンであるアンテンを用いることで、実験的にグラフェンナノリボンの電子構造を明らかにすることが出来た。残るは、より現実系に近い分子の合成と評価である。実際のグラフェンナノリボンでは、マルチスピンの誘起が予測されている。この基底状態を分子レベルでも発現させるために、種々の形状・大きさのペリアセン類を合成・評価する必要がある。

Report

(2 results)
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2013 2012 2011 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (7 results) Book (1 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Synthesis and Characterization of Quarteranthene : Elucidating the Characteristics of the Edge State of Graphene Nanoribbons at the Molecular Level2013

    • Author(s)
      Akihito Konishi
    • Journal Title

      Journal of American Chemical Society

      Volume: 135 Issue: 4 Pages: 1430-1437

    • DOI

      10.1021/ja309599m

    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Facile Synthesis and Lateral π-Expansion of Bisanthenes2013

    • Author(s)
      Akihito Konishi
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 42(掲載決定)

    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] アラインを用りたπ拡張ビスアンテン類の合成とその物性2013

    • Author(s)
      小西 彬仁
    • Organizer
      日本化学会 第93春季年会
    • Place of Presentation
      立命館大学草津キャンパス(滋賀)
    • Year and Date
      2013-03-22
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Elucidation of the Edge State at the Molecular Level : Synthesis and Magnetic Properties of Zigzag-Edged Graphene Nanoribbon Molecules2012

    • Author(s)
      小西 彬仁
    • Organizer
      8^<th> Handai Nanoscience and Nanotechnology International Symposium
    • Place of Presentation
      大阪大学吹田キャンパス(大阪)
    • Year and Date
      2012-12-11
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] アンテン類の合成と分子スケールでのエッジ状態の解明2012

    • Author(s)
      小西 彬仁
    • Organizer
      第2回CSJフェスタ
    • Place of Presentation
      柬工大大岡山キャンパス(東京)
    • Year and Date
      2012-10-16
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] 分子スケールでのエッジ状態の発現とその物性2012

    • Author(s)
      小西 彬仁
    • Organizer
      第23回 基礎有機化学討論会
    • Place of Presentation
      京都テルサ(京都)
    • Year and Date
      2012-09-19
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] グラフェンナノリボンを指向したアンテン類の合成と物性2012

    • Author(s)
      小西彬仁
    • Organizer
      日本化学会第92春季年会
    • Place of Presentation
      慶応大学日吉キャンパス(神奈川)(発表確定)
    • Year and Date
      2012-03-28
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] クォーターアンテンの合成と物性2011

    • Author(s)
      小西彬仁
    • Organizer
      第22回基礎有機化学討論会
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場(茨城)
    • Year and Date
      2011-09-21
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] The Singlet Open-shell Character of Anthenes : Synthesis and Characterization of Quarteranthene2011

    • Author(s)
      小西彬仁
    • Organizer
      14^<th> International Symposium on Novel Aromatic Compounds
    • Place of Presentation
      Eugene, Oregon, USA
    • Year and Date
      2011-07-26
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Book] Physics and Chemistry of Graphene : Graphene to Nanographene2012

    • Author(s)
      小西彬仁(共著)
    • Publisher
      Pan Stanford Publishing(未定)(発行確定)
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Remarks]

    • URL

      http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/kubo/Start.htm

    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Remarks]

    • URL

      http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/kubo/Start.html

    • Related Report
      2011 Annual Research Report

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Published: 2011-12-12   Modified: 2024-03-26  

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