2018 Fiscal Year Annual Research Report
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17H06173
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
内山 真伸 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 教授 (00271916)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澤田 大介 岡山大学, 医歯薬学総合研究科, 教授 (00338691)
村中 厚哉 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (20374902)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | π分子 / 光応答分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
π共役系有機分子は、光を利活用する物質科学・生命科学において、重要な基本電子構造を有する分子群である。しかし現在でもπ共役系化合物の合成・置換基導入、ならびに機能（吸光発光特性、量子収率、熱安定性など）の制御には大きな制限があり、生命科学・物質科学への展開が阻まれている。本研究では、代表者らがこれまで培ってきた有機合成化学・理論化学・分光学・元素化学を結集し、光を利活用するための新奇π共役系有機化合物の提案と設計・合成法の開発、多様化、ならびに電子と構造・機能の自在制御を目指している。本研究を通じて、物質と生命を光でつなぐ分子技術に挑んでいる。
[π共役系有機分子をつくる]では、「芳香環を繋ぐ 」「不活性結合の活性化」「π結合へのホウ素、ケイ素、炭素導入」「常温常圧での C2 発生とナノカーボン合成 」「電荷シフト結合の活性化」などを開発した。
[π共役系有機分子で光を操る]では、「近赤外有機色素 」「円偏光発光分子」「新たな吸光発光分子」などの開発に成功した。
[π共役系有機分子を応用する・活用する]では、外部環境を認識する分子の開発に取り組み、「極性」「キラリティー」「pH 」 に応答する分子を開発し、「近赤外光に応答する光音響プローブの開発」にも成功した。
複数の論文が SYNFACTS などに掲載されるなど高い学術的評価を得ており、多くの新たな科学へと繋がると期待されている。本研究は、これまで勘や経験に頼ってきた合成化学に、理論計算という「予言性」を組み合わせることで、分子・形・反応・機能を生み出そうとするものであり、独自性の極めて高いものである。こうして確立した「実験と理論を両輪とする研究手法」により、当初全く予想していなかった研究成果にも恵まれている。
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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
各課題において順調に研究が進展しており関連分野も含め多くの重要な知見が得られている。いくつかの研究においては当初全く予想していなかった研究成果にも恵まれいる。
[π共役系有機分子をつくる]プロジェクトにおいて開発した反応は、そのほとんどが当初の目的を超える意外性と有用性を備えた「ものづくり」の道具となることが判明した。これらの新反応を基盤に、光を利活用するための機能性π共役系有機分子創製に繋げていきたい。
[π共役系有機分子で光を操る]プロジェクトで開発した分子は、紫外・可視・近赤外領域の吸収・発光分子として広く光を活用できるツールとなりそうである。また、「極性」 「キラリティー」 「pH」 などの外部環境に応答する吸光発光分子の開発にも成功しており、様々な応用が期待できる。この間に開発した「反応経路探索法」は理論研究としての学術的な価値と同時に、こうした励起状態の分子設計にも有効であることが判明しつつあり、今後の光利活用分子や光物性の解析に応用が期待される。
[π共役系有機分子を応用する・活用する]プロジェクトでは、独自に開発した光利活用分子の性質を利用してバイオイメージングで生体組織の深部まで可視化したり、キラリティーを感知するシステムの構築にも成功している。組織透過性の高い近赤外光を吸収して熱に変える光音響プローブの開発にも成功している。これらの光利活用分子は現在様々な分野での応用研究に期待が持たれており、今後明らかにしていきたい。
以上の研究の過程で、意外な成果も数多く得られている。「天然物の複雑生合成経路の解明」や「光による新たな分子活性化機構の発見」 さらには「心筋細胞を増殖させる分子 」 など予想外の発見が得られている。これらは当初の計画にはなかった全く予想外の研究成果であり、現在新たな医薬品開発への展開、光反応の開発、新分野の開拓を目指し、研究を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、治療・診断・光活用材料などの応用を見据えて、各技術の要求する物性と我々の新奇π共役系化合物の接点を見出し、代表者らがこ れまで培ってきた有機合成化学・理論化学・分光学・元素化学を結集し、光と構造、物性の自在制御を目指す。特にこれまでに多くの知見を有 するフタロシアニンやポルフィリン、ローダミン系の色素を中心に理論化学支援によるテーラーメード設計を行い、化合物の安定性を損なわな いように、LUMO準位を下げることによって狭いHOMO-LUMOギャップを持つような分子を設計・合成する。さらに、周辺置換基、中心金属などを 利用して物性(光電変換材料、近赤外蛍光色素など)に適した性質を付与すると同時に、新たな近赤外色素設計に向けて理論的・物理化学的な アプローチを試みる。芳香属性の起源などに着目しながら、経験と勘に頼っていた従来の合成化学的手法に加えて、積極的に量子化学計算を用 いることで、特定の機能を持たせた近赤外色素を合理的に設計する独自の分子設計法を開発する。
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