2021 Fiscal Year Annual Research Report
Creative research and development of incoherent nonlinear photoswitchable molecules
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18H05263
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| Research Institution | Aoyama Gakuin University |
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Principal Investigator |
阿部 二朗 青山学院大学, 理工学部, 教授 (70211703)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 洋一 立命館大学, 生命科学部, 准教授 (10722796)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | フォトクロミズム / 光化学 / 非線形応答 / 電子状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近赤外光に応答するフォトクロミック化合物の開発は、光応答材料の発展に必要不可欠な重要な課題である。本研究では、われわれが独自に開発したアリール架橋型イミダゾール二量体を基盤として用いることで、近赤外光に応答するフォトクロミック分子や、照射光強度に対して非線形的な応答を示すフォトクロミック分子の開発を目指している。2021年度には、新たに近赤外光に応答して色が消える近赤外光応答型逆フォトクロミック分子の開発に成功した。さらに、この逆フォトクロミック分子は強い蛍光を発する構造異性体にも光異性化することをみいだした。すなわち、着色した溶液に目視できない近赤外光を照射すると溶液の色が無色になるとともに強い蛍光を発するようになる。このような近赤外光は生体組織透過性が高いために、細胞中に注入して近赤外光照射した箇所のみ蛍光性物質が生じることを利用した細胞内物質移動の可視化に利用することができる。近赤外光励起によるターンオン型蛍光スイッチ分子の創出は、生命科学分野の新しい研究ツールになると期待される。さらに、2020年度に量子化学計算で検討したデュアルヒンジ構造を有するバイフォトクロミック分子を新たに合成し、この分子がcolored-colored（C-C）体、colored-colorless（C-CL）体、colorless-colorless（CL-CL）体の３つの構造異性体間を可逆的に異性化することを見いだした。最安定なC-C体に可視光を照射すると、CL-CL体とC-CL体を生成するが、CL-CL体はC-CL体を経て熱的にC-C体に戻る。CL-CL 体→C-CL体に異性化する反応速度と、C-CL 体→C-C体に異性化する反応速度が異なるために、二つのフォトクロミック部位の構造干渉が照射光強度に非線形的に応答するバイフォトクロミック分子として機能することが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2021年度には近赤外光応答逆フォトクロミック分子を開発する過程で、従来のフォトクロミック分子では困難であった近赤外光励起によるターンオン型蛍光スイッチ分子を偶然見いだした。この新規分子は近赤外光励起により、光や熱に安定な８員環構造を有する無色の構造異性体は生成するが、この構造異性体は青色光励起により強い蛍光を発する。また、連続（CW）紫外光では無色の構造異性体に光異性化するのに対して、同じ波長のナノ秒パルス紫外光を照射すると青色の構造異性体に光異性化するビアリール架橋イミダゾール二量体の開発にも成功した。このような照射光強度に対する非線形光応答は、研究目的である可視光や近赤外光に対して入力光強度に閾値を有する非線形フォトクロミック分子の分子設計指針に通じるものがある。また、新たに開発した１分子内に二つの逆フォトクロミック部位を持つバイフォトクロミック分子でも、励起光強度に非線形的に応答するフォトクロミック反応を確認することができた。これらの研究成果を統合することで、最終年度には当初の目的を達成することができると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
連続（CW）可視光で作動する非線形応答フォトクロミック分子の開発に継続して取り組む。非線形応答フォトクロミック分子とは、照射する可視光の強度が弱い時には色変化が起きず、照射光強度が閾値以上の場合だけ色変化を起こすフォトクロミック分子であり、世界に類を見ない革新的光応答材料となる。研究戦略としては、一分子内に可視光あるいは近赤外光に応答する二つのフォトクロミック部位を有するバイフォトクロミック分子を基軸として非線形応答フォトクロミズムを達成する。2020年度にはデュアルヒンジ構造を有するバイフォトクロミック分子が明瞭な照射光強度依存性を示す段階的二光子フォトクロミズムを示すことを量子化学計算によって予測したが、2021年度にはデュアルヒンジ構造を持つバイフォトクロミック分子の合成に成功し、照射光強度に非線形光応答するフォトクロミズムを示すことを確認した。最終年度である2022年度にはバイフォトクロミック分子を基軸として、インコヒーレント可視光に対して非線形応答するフォトクロミック分子の開発研究を継続する。これまでに合成開発したフォトクロミック分子のフォトクロミック反応に伴う光物性変化を、吸収スペクトルと蛍光スペクトルの同時測定を行うことで、より詳細に検討することを試みる。さらに、立命館大学・小林グループが整備したフェムト秒レーザー分光システムを用いて近赤外応答逆フォトクロミック分子の超高速分光を行い、蛍光性構造異性体に光異性化する反応機構について詳細に検討を行い、測定で得られる光化学反応初期過程の知見を逆フォトクロミック分子の分子設計にフィードバックすることで、より高い光反応効率を示すフォトクロミック分子の開発を目指す。
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