2020 Fiscal Year Annual Research Report
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19H02701
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
瀬川 泰知 分子科学研究所, 生命・錯体分子科学研究領域, 准教授 (60570794)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ジグザグ型 / カーボンナノベルト / 湾曲ナノグラフェン / シクロイプチセン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
特異なトポロジーをもつ芳香族化合物の創製を目的として研究を行っている。本年度は新たな筒状トポロジー化合物である「ジグザグ型カーボンナノベルト」の合成に成功した。カーボンナノベルトはカーボンナノチューブの部分構造であり、筒状構造に由来するπ電子の性質や、カーボンナノチューブの選択的合成を実現する種として有望な化合物である。一方で筒状構造に由来する高いひずみエネルギーによって合成は困難であった。アームチェア型カーボンナノベルトは２０１７年に研究代表者らのグループが、キラル型は２０１９年に他の研究グループが合成に成功しているが、これらと構造的な類似性の低いジグザグ型の合成は依然として困難であった。今回代表者らは、酸素架橋部位を折れ曲がりユニットとして用いる戦略によって筒状前駆体分子を合成し、最後に還元反応によって酸素原子を取り除くことでジグザグ型カーボンナノベルトの合成に成功した。単離およびＸ線結晶構造解析による構造決定にも成功し、カーボンナノチューブの筒状構造をもった分子であることを明らかにした。
次に、鞍状に湾曲したナノグラフェンの一次元ナノファイバー化およびその電子回折による構造決定を行った。２０１３年に研究代表者らが報告した「ワープドナノグラフェン」は、複数の７員環に由来する負曲率をもつため高い溶解性を有している。今回この構造を改変し、分子同士がπ-πスタックできる湾曲ナノグラフェンを合成したところ、自己集合し一次元ナノファイバーを形成することがわかった。構造は電子回折によって決定し、強固な二重らせん構造によって安定化されたファイバーであることを明らかにした。
その他に、アームチェア型カーボンナノベルトを出発物質に用いたシクロイプチセン類の一段階合成、ヘリセン部位を有するカーボンナノベルトのひずみエネルギー算出法の開発を行った。
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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
今年度合成に成功した「ジグザグ型カーボンナノベルト」は、最も早く理論的に提唱されたにも関わらず最後まで合成されなった最難関のカーボンナノベルトである。合成は困難であり数年を要すると思われたが、革新的な合成手法によって当初の計画よりも早く合成を完了することができ、世界初の例として国際論文誌に掲載することができた。さらに、アームチェア型カーボンナノベルトを出発物質として用いたシクロイプチセン類の合成についても、十分な安定性と溶解性があったため当初の計画よりも少量の化合物で十分な構造決定および物性測定を完結でき、結果として予定より前倒しで論文発表を行うことができた。さらに、湾曲ナノグラフェンの一次元ナノファイバー化については、既存の手法であるＸ線結晶構造解析に適さない微小結晶であったために長い時間を要したが、電子回折を用いた結晶構造解析を適用することで構造解析に成功した。
これらの成果は当初の計画以上の進展である。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、カーボンナノベルトにメビウスの輪のトポロジーを付与した化合物の合成と性質解明研究を行う。カーボンナノベルトはsp2炭素が二重に輪を形成していることから、ひねりを加えることができる。筒状ひずみに加えてひねりによるひずみが加わるため合成は非常に挑戦的だが、もし合成に成功すれば有機合成化学の歴史に残る成果となる。これまで研究代表者らが開発してきたひずみエネルギー算出法を効果的に使用することで、合成可能性の高いメビウスカーボンナノベルトと対応する前駆体候補化合物を特定し、最短経路で合成を行う。メビウストポロジーに由来するキラリティが生じることから、合成・単離したメビウスカーボンナノベルトはキラル分割や円二色性スペクトル測定によってトポロジカルキラリティの精査を行う。
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