Theoretical studies on optical activities of helical polymers based on localized orbitals under the periodic boundary condition
Project/Area Number |
19K05392
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
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Research Institution | Tokyo Denki University |
Principal Investigator |
畠中 正志 東京電機大学, 工学部, 研究員 (40772778)
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Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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Keywords | らせん高分子 / 光学活性 / 量子化学 / 分子軌道 / 円二色性 / 量子化学計算 / 局在化軌道 / 周期的境界条件 / ワニエ関数 / 結晶 / 旋光強度 / 光学分割 |
Outline of Research at the Start |
近年、らせん構造をもつ高分子の精密な合成法が確立されてきており、そのらせん構造に由来する光学活性を利用した光学異性体の分割、光学材料、触媒など様々な分野での応用が期待されている。そこで本研究では、らせん高分子の光学活性を理論的に求めるための原理を定式化し、定量的な数値計算も可能になるようにプログラム開発を行う。また、実際にらせん高分子を合成して光学活性の評価を行い、理論計算と比較検討する。光学活性と光学分割能(光学異性体の分離能)の関係を模索し、光学活性の基礎物理化学として新しい視点を得たい。
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Outline of Annual Research Achievements |
本研究はコロナ感染症により期間延長が認められており、本年度はその一年目に該当する。 本研究はらせん高分子の光学活性を局在化軌道の方法を用いて理論的に導出し、実験的にその妥当性を検証することを目的としているが、理論的には前年度までに定式化と論文発表を終え、高分子の場合のみならず、3次元結晶で異方性がある場合にまで発展的に理論構築が進んでいる。一方、当該理論で予測された光学活性はすでによく確立された実験結果、たとえば、らせんポリアセチレンの円二色性スペクトルと非常に良好な一致を示し、その妥当性が検証されつつある。本理論はポリアセチレンのような共役系のみならず、非共役系の高分子にも適用可能であるはずだが、非共役系の高分子に関しては実験結果が乏しいため、本年度は実験的に非共役系のらせん高分子を合成して、その光学活性を測定・検討することにした。その結果、アクリル酸を鋳型重合させて選択的に左巻きのポリアクリル酸を合成することができ、その結晶構造解析と光学活性の測定に成功した。これは本研究の遂行にあたって貴重なデータであるのみならず、らせん高分子の構造化学的研究として基礎的かつ重要な意味をもっており、すでに年度末には論文投稿した。現在、実験結果をさらに補完するデータを取得している。また、らせん高分子の光学活性におけるサイズ効果の研究を平行して進めており、旋光強度の重合度依存性において興味深い法則が得られた。これはらせん高分子の光学活性が残基の局所構造と全体のらせん構造の寄与に分けられることを証明するもので、当該分野における基礎的な知見と考えられる。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究はらせん高分子の光学活性を局在化軌道の方法を用いて理論的に導出してその妥当性を検証することを目的として進めてきたが、理論的にははじめの3年間で当初の目的であった理論の定式化が完成しており、実験結果との一致が良好に認められた。さらに、高分子の場合のみならず、異方性がある3次元結晶の場合の定式化を終え、理論の深化と発展につながった。本年度は、実験的にらせん構造のポリアクリル酸の合成と結晶構造解析、光学活性測定に成功しており、現在、対外発表の最終段階にある。また、らせん高分子の光学活性のサイズ効果の研究において、光学活性が残基の局所構造とらせん構造の寄与に分けられることを示したが、これは本研究の応用としてきわめて興味深い結果と言える。以上の進捗状況に鑑み、本研究は当初の計画以上に発展していると考えられ、当該分野における基礎的な知見の確立に理論・実験の両面から寄与するものと考える。
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Strategy for Future Research Activity |
本研究は理論と実験の両面から、らせん高分子の光学活性を解析することを目的としてきたが、理論の構築に関しては当初の目的のみならず、3次元結晶の場合にまで理論が拡張され、実験との整合性も良好であって、おおむねその研究目的を達成したと考えられる。現在は実験的に非共役系のらせん高分子を合成してその光学活性を測定しているが、本研究に関しては期間がさらに1年延長が認められたので、可能であれば振動円二色性の測定など、新しい測定方法を取り入れた解析を実施し、光学活性の研究方法における選択肢の幅を広げたいと考えている。2023年度は延長期間も含めて本研究の最終年度にあたり、論文発表の完遂、これまでの研究結果を補完するデータの取得に充てる予定である。
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Report
(4 results)
Research Products
(12 results)