2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of new molecular function through the incorporation of boron-nitrogen bonding into non-benzenoid-type aromatic frameworks
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20J22568
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
菓子田 惇輝 東京工業大学, 物質理工学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 元素置換 / 非ベンゼノイド / 燐光 / OLED / ホウ素窒素含有 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和3年度は、前年度に合成を達成し、高い最低励起三重項エネルギーを有することを見いだしたB4N4-ペンタレン誘導体の性質に関する研究を推進した。合成と構造解析の詳細、ならびにこの化合物をホスト材料として組み込んだ有機EL素子の作製と素子性能を取りまとめた学術論文を執筆し、筆頭著者として国際的な学術誌に発表した（J. Kashida et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 23812）。上記検討の過程で、B4N4-ペンタレン誘導体をホスト材料として用いる上で、電子移動度と比較して、ホール移動度が著しく低いことがデバイス性能を向上させるための次の課題であることが明らかになった。そこで、薄膜状態におけるキャリア輸送特性の改善を目指し、B4N4環の両端が炭素π共役系で拡張された複数の新規誘導体を設計した。多くの合成条件検討の結果、これらの新規誘導体を効率的に得るための合成ルートを確立した。その成果は第48回有機典型元素討論会および第102日本化学会春季年会で口頭発表を行い、それぞれ最優秀講演賞および学生講演賞を受賞した。
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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
本研究では、非ベンゼノイド型π共役化合物の炭素-炭素結合を、等電子的かつ分極したホウ素-窒素結合で置き換えたBN置換化合物の構造と性質を探求することを目的としている。昨年度は、独自に開発したB4N4-ペンタレン誘導体が、有機EL素子のホスト材料として有用であることを示し、得られた成果を国際的一流誌に報告した。素子特性を検討するなかで、薄膜状態でのキャリア輸送特性を改善する必要性が明らかになり、この解決に向けて、B4N4環の両端を炭素π共役系で拡張した新規誘導体を設計し、それらの合成ルートを確立することにも成功した。新規π拡張型誘導体の一つは、B4N4-ペンタレン誘導体と同様に最低励起三重項状態のエネルギーが比較的高いことが示され、優れたホスト材料として機能することが期待できる。現在、共同研究者との協働により、新規π拡張型誘導体を組み込んだ有機EL素子の作製について検討している。本研究は、分子レベルの構造-物性相関の段階を経て、素子特性の改善を目指した凝集状態における物性検討に研究の軸足を移しており、当初の計画以上に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度は、前年度までに合成したπ拡張型B4N4-ペンタレンのさらなる誘導化を図る。具体的には、凝集状態において既存の誘導体よりも強い分子間相互作用を発現させるための分子デザインを探求する。これまでの誘導体では、B4N4環を速度論的に保護して加水分解を防ぐために、環上に立体的に嵩高いメシチル基を導入していた。ホウ素原子を縮環構造に組み込む平面固定化のアプローチにより、嵩高い置換基を用いない場合でも、化学的安定性の高いB4N4-ペンタレン誘導体が得られると期待できる。このような新規誘導体は、これまで合成した誘導体の凝集状態では発現しないπ-スタッキング構造を形成することも期待できる。その際、B-N結合に生じる分極構造がπ-スタッキングのジオメトリーを決定し、ひいてはキャリア輸送特性に大きく影響することを想定している。前年度までに確立したπ拡張型B4N4-ペンタレンの合成手法を応用し、アザボリン誘導体を経由した計5段階の合成ルートを計画している。合成した化合物については、単結晶X線結晶構造解析により分子構造およびパッキング構造の詳細を明らかにするとともに、種々の含ホウ素化合物、含窒素化合物との共結晶の作製を検討し、BN置換π共役系が関わる分子間相互作用の特徴を明らかにする。さらに、それらの基底状態および励起状態の構造と性質について、過渡吸収スペクトルなどの分光測定と理論計算により詳細に検討する予定である。
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