Nanoporous Structures and Membranes Utilizing Shape-persistent Macrocycles for Aquatic Functional Materials

• Project Area: Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
• Project/Area Number: 20H05216
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 河野 慎一郎 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (10508584)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 大環状化合物 / ナノ空間 / 超分子化学 / 分子認識 / 物質輸送 / 液晶 / 分離膜 / 物質移動

Outline of Research at the Start

本研究では，サイズや形状を厳密に定義できる分子レベルのナノ空間（0.5 nm ~ 2.5 nm）をもつ大環状化合物の自己組織化によって形成する多孔性物質や超分子ナノチューブ、およびそれらの自己組織化による分離膜を構築する。サイズと形状が均一な大環状化合物からなるカラムナー液晶や分子チューブ構造の内側に構築したナノチャネル構造を利用して，環境汚染の原因となる有機塩素化系分子の特異的吸着や，水の浄化を目的とした特異的物質輸送するイオン分離膜の評価を行うことを目的とする。これらの液晶性大環状化合物が形成する自己組織構造の中のナノ空間を利用した特異的な吸着挙動および物質輸送能を詳細に検討する。

Outline of Annual Research Achievements

以下に、本研究計画において得られた研究成果を示す。
1.らせん状金属錯体型フォルダマーを用いたナノ空間をもつ液晶組織の構築：フォルダマーなどの複雑な分子構造を液晶組織の分子骨格に組み込んだ場合、その集合体中の分子構造を解析する手段は極めて限定される。本研究では、高輝度光科学研究センターの池本博士との共同研究により、集光性が高く、高輝度をもつシンクロトロン放射光を線源とした赤外分光測定(SPring-8, BL43IR)により、配向したカラムナー組織構造内部の配向したらせん状分子構造の評価を行い、金属錯体からなる液晶組織中で集積した分子の局所構造に関する解析を行った (Chem. Commun. 2022, 58, 3274, selected as an inside front cover）。
２. 大環状化合物を用いた二次元多孔性結晶の構築と機能性分子の配列：本研究では、希薄溶液のキャスト法により、大環状化合物がAu(111)基板の上で自己集合し、二次元周期的な構造を形成することを見出した。超高真空条件下における走査型トンネル顕微鏡（STM）観察により、大環状化合物がAu(111)基板上で約4.1 nmの周期で二次元結晶を構築していることが明らかとなった。さらに、超高真空条件下、この二次元多孔性結晶の上にフラーレンC60を真空蒸着することにより、その周期的に並んだ「孔」にフラーレンを捕捉させることで、フラーレンを二次元周期的に配列させることに成功した。驚いたことに、このフラーレンの周期構造は約200 °Cの高温や大気下でもその周期構造を維持することが明らかとなった (J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 6749, selected as a supplementary cover）。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Mesogenic discrete metallofoldamer for columnar liquid crystal (2022)
  • Author(s): Kawano Shin-ichiro、Narita Kazutaka、Ikemoto Yuka、Sasaki Ako、Tanaka Kentaro
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 58 Issue: 20 Pages: 3274-3277
  • DOI: 10.1039/d2cc00310d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermally Stable Array of Discrete C₆₀s on a Two-Dimensional Crystalline Adlayer of Macrocycles both in Vacuo and under Ambient Pressure (2022)
  • Author(s): Kawano Shin-ichiro、Nakaya Masato、Saitow Masaaki、Ishiguro Atsuki、Yanai Takeshi、Onoe Jun、Tanaka Kentaro
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 15 Pages: 6749-6758
  • DOI: 10.1021/jacs.1c13610
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metalloporphyrins substituted with N-carbazolyl groups quadruply at meso positions (2021)
  • Author(s): Kawano Shin-ichiro、Kawada Sae、Matsubuchi Atsuya、Tanaka Kentaro
  • Journal Title: Journal of Porphyrins and Phthalocyanines Volume: 26 Issue: 02 Pages: 140-146
  • DOI: 10.1142/s1088424621501170
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 巨大環状化合物をメソゲンとしたカラムナー液晶による流動性ナノ空間の構築 (2021)
  • Author(s): 河野 慎一郎，田中健太郎
  • Journal Title: 液晶 Volume: 25 Pages: 40-45
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Light‐Harvesting/Charge‐Separation Model with Energy Gradient Made of Assemblies of meta ‐Pyridyl Zinc Porphyrins (2020)
  • Author(s): Otsuki Joe、Okumura Takumi、Sugawa Kosuke、Kawano Shin‐ichiro、Tanaka Kentaro、Hirao Takehiro、Haino Takeharu、Lee Yu Jin、Kang Seongsoo、Kim Dongho
  • Journal Title: Chemistry ? A European Journal Volume: 27 Issue: 12 Pages: 4053-4063
  • DOI: 10.1002/chem.202003327
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure and dynamics of a chiral cubanoid complex composed of lithium and salphen (2020)
  • Author(s): Kawano Shin-ichiro、Tomita Kyohei、Tanaka Kentaro
  • Journal Title: Inorganica Chimica Acta Volume: 512 Pages: 119894-119894
  • DOI: 10.1016/j.ica.2020.119894
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 液晶の中にナノ空間を創る (2020)
  • Author(s): 河野 慎一郎, 田中健太郎
  • Journal Title: 高分子 Volume: 69 Pages: 390-391
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Generation of a Monomerically Dispersed C60 Monolayer Templated by a Two-Dimensional Crystal of Macrocycles (2022)
  • Author(s): Shin-ichiro Kawano, Masato Nakaya, Atsuki Ishiguro, Masaaki Saitow, Takeshi Yanai, Jun Onoe, Kentaro Tanaka
  • Organizer: The 102nd CSJ Annual Meeting (2022)
• [Presentation] 8つのコラニュレンをもつ大環状金属錯体型分子レセプターによるフラーレンの包接 (2022)
  • Author(s): 小林 侑太, 河野 慎一郎, 田中 健太郎
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会 (2022)
• [Presentation] 大環状メソゲンカラムナー液晶内部に生成した孤立ナノ空間の Xe ガスをプローブとした 129Xe-NMR 解析 (2021)
  • Author(s): 河野慎一郎, 瀧貴大, 吉水広明, 田中健太郎
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] 129Xe NMR Structural Analysis of Continuous Porosity of Columnar Liquid Crystal Composed of Stacked Macrocycles (2021)
  • Author(s): Shin-ichiro Kawano, Takahiro Taki, Hiroaki Yoshimizu, Kentaro Tanaka
  • Organizer: The 101st CSJ Annual Meeting (2021)
• [Presentation] ８つのコラニュレンをもつ大環状金属錯体型フラーレンレセプター (2021)
  • Author(s): 小林 侑太, 河野 慎一郎, 田中 健太郎
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会 (2021)
• [Presentation] テトラ(N－カルバゾリル)ポルフィリンを基にした含窒素π拡張ポルフィリンの合成とその電子構造 (2021)
  • Author(s): 松渕敦也, 河野 慎一郎, 田中 健太郎
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会 (2021)
• [Presentation] 129Xe NMR Structural Analysis of Continuous Porosity of Columnar Liquid Crystal Composed of Stacked Macrocycles (2021)
  • Author(s): Shin-ichiro Kawano, Takahiro Taki, Hiroaki Yoshimizu, Kentaro Tanaka
  • Organizer: The 101st CSJ Annual Meeting
• [Presentation] テトラ(N－カルバゾリル)ポルフィリンを基にした含窒素π拡張ポルフィリンの合成とその電子構造 (2021)
  • Author(s): 松渕 敦也・河野 慎一郎・田中 健太郎
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] 8つのコラニュレンをもつ大環状金属錯体型フラーレンレセプター (2021)
  • Author(s): 小林 侑太・河野 慎一郎・田中 健太郎
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] A metallomacrocycle tethering eight corannulenes and the host_guest interaction with C60 (2021)
  • Author(s): Yuta Kobayashi, Shin-ichiro Kawano, Kentaro Tanaka
  • Organizer: The 4th IRCCS International Symposium: 'Multidimensional control over material structure and function'
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] リチウムイオンを内包したカラムナー液晶性大環状化合物の配向制御 (2020)
  • Author(s): 河野慎一郎、冨田恭平、吉尾正史、田中健太郎
  • Organizer: 2020年日本液晶学会オンライン研究発表会
• [Presentation] メソ位をカルバゾールで修飾したポルフィリンを基にした縮環型p拡張ポルフィリンの合成とその電子構造 (2020)
  • Author(s): 松渕 敦也・河野 慎一郎・田中 健太郎
  • Organizer: 錯体化学会 第70回討論会
• [Book] ＮＭＲによる有機材料分析とその試料前処理、データ解釈 (2021)
  • Author(s): 執筆者:59名、技術情報協会
  • Total Pages: 676
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861048609
• [Remarks] 単分子メモリの実現に期待、名大がフラーレンC60を思い通りに整列する技術を開発
  • URL: https://news.mynavi.jp/techplus/article/20220331-2308719/
• [Remarks] 「分子の落とし穴」を作り、電極基板の上にサッカーボール分子C60を整列させた！！
  • URL: https://research-er.jp/articles/view/109230
• [Remarks]
  • URL: http://supra.chem.nagoya-u.ac.jp/TanakaLab/Dr.S.Kawano.html
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/7000016501
• [Remarks] ResearchGate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Shinichiro-Kawano