ホウ素π電子系の化学：平面固定化により拓く新機能

• 研究課題/領域番号: 18H05261
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 大区分E
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 山口 茂弘 名古屋大学, 物質科学国際研究センター(WPI), 教授 (60260618)
• 研究期間 (年度): 2018-06-11 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 193,700千円 (直接経費: 149,000千円、間接経費: 44,700千円); 2022年度: 29,900千円 (直接経費: 23,000千円、間接経費: 6,900千円); 2021年度: 34,580千円 (直接経費: 26,600千円、間接経費: 7,980千円); 2020年度: 37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円); 2019年度: 39,910千円 (直接経費: 30,700千円、間接経費: 9,210千円); 2018年度: 51,350千円 (直接経費: 39,500千円、間接経費: 11,850千円)
• キーワード: ホウ素 / π電子系 / 近赤外蛍光 / 超分子ポリマー / ラジカル / Lewis酸性 / 有機EL / 蛍光イメージング / 蛍光 / パイ電子系 / 近赤外色素 / 有機電界発光素子 / ルイス酸性 / 超分子重合 / 半導体 / 超分子 / 有機半導体 / 安定性

研究成果の概要

本研究では，多様な典型元素の中でもホウ素に着目し，ホウ素の特性の活用により秀逸な光電子機能性分子の創製に取り組んだ．これまでに，トリアリールボラン骨格の平面への構造固定化により，立体保護が無くても安定化できることを示してきた．本研究ではこの設計指針をさらに一段進め，近赤外蛍光材料の開発や発光性ラジカルの有用性の実証を行った．平面固定ホウ素π電子系とLewis塩基との錯形成を基底／励起状態の両面で詳細に理解し，精密超分子重合の達成や，蛍光特性の環境応答性の付与へと発展させた．さらに，ホウ素π電子系の蛍光イメージングへの応用に向けた構造物性相関の解明も行い，水媒体中での会合挙動の制御も達成した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

物質の特性・機能を決める特定元素の役割を理解し，有効活用することは物質科学の根源であり，挑戦し続けるべき課題である．本研究では，構造固定化の概念を分子設計指針に据え，ホウ素を含む一連の機能性材料の開発を達成した．秀逸な近赤外蛍光材料の開発やホウ素安定化ラジカルの有機発光性材料としての有用性を実証しただけでなく，ホウ素のLewis酸性を活用した分子の集合化の制御の仕方や，蛍光イメージングなどの生物学ツールとしての潜在性を示し，機能性材料を指向した有機ホウ素化学ひいては典型元素化学に重要な方向性を示した．

評価記号

事後評価所見 (区分)

A: 研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの成果があった

研究成果

• [国際共同研究] University of Wuerzburg(ドイツ)
• [国際共同研究] Eindhoven University of Technology(オランダ)
• [雑誌論文] The Effect of Branching on the One‐ and Two‐Photon Absorption, Cell Viability, and Localization of Cationic Triarylborane Chromophores with Dipolar versus Octupolar Charge Distributions for Cellular Imaging (2019)
  • 著者名/発表者名: Griesbeck Stefanie、Michail Evripidis、Rauch Florian、Ogasawara Hiroaki、Wang Chenguang、Sato Yoshikatsu、Edkins Robert M.、Zhang Zuolun、Taki Masayasu、Lambert Christoph、Yamaguchi Shigehiro、Marder Todd B.
  • 雑誌名: Chemistry - A European Journal 巻: 25 号: 57 ページ: 13164-13175
  • DOI: 10.1002/chem.201902461
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Near-infrared fluorescein dyes containing a tricoordinate boron atom (2019)
  • 著者名/発表者名: Ando Naoki、Soutome Hiroki、Yamaguchi Shigehiro
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 10 号: 33 ページ: 7816-7821
  • DOI: 10.1039/c9sc02314c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Planarized B,N-phenylated dibenzoazaborine with a carbazole substructure: electronic impact of the structural constraint (2019)
  • 著者名/発表者名: Ando Mikinori、Sakai Mika、Ando Naoki、Hirai Masato、Yamaguchi Shigehiro
  • 雑誌名: Organic & Biomolecular Chemistry 巻: 17 号: 22 ページ: 5500-5504
  • DOI: 10.1039/c9ob00934e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tuning the π-bridge of quadrupolar triarylborane chromophores for one- and two-photon excited fluorescence imaging of lysosomes in live cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Griesbeck Stefanie、Michail Evripidis、Wang Chenguang、Ogasawara Hiroaki、Lorenzen Sabine、Gerstner Lukas、Zang Theresa、Nitsch J?rn、Sato Yoshikatsu、Bertermann R?diger、Taki Masayasu、Lambert Christoph、Yamaguchi Shigehiro、Marder Todd B.
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 10 号: 20 ページ: 5405-5422
  • DOI: 10.1039/c9sc00793h
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structurally Constrained Boron-, Nitrogen-, Silicon-, and Phosphorus-Centered Polycyclic π-Conjugated Systems (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirai Masato、Tanaka Naoki、Sakai Mika、Yamaguchi Shigehiro
  • 雑誌名: Chemical Reviews 巻: - 号: 14 ページ: 8291-8331
  • DOI: 10.1021/acs.chemrev.8b00637
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optimization of Aqueous Stability versus π‐Conjugation in Tetracationic Bis(triarylborane) Chromophores: Applications in Live‐Cell Fluorescence Imaging (2019)
  • 著者名/発表者名: Griesbeck Stefanie、Ferger Matthias、Czernetzi Corinna、Wang Chenguang、Bertermann R?diger、Friedrich Alexandra、Haehnel Martin、Sieh Daniel、Taki Masayasu、Yamaguchi Shigehiro、Marder Todd B.
  • 雑誌名: Chemistry - A European Journal 巻: 25 号: 32 ページ: 7679-7688
  • DOI: 10.1002/chem.201900723
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Donor-π-Acceptor Type Unsymmetrical Triarylborane-Based Fluorophores: Synthesis, Fluorescence Properties, and Photostability (2018)
  • 著者名/発表者名: Ito Masato、Ito Emi、Hirai Masato、Yamaguchi Shigehiro
  • 雑誌名: The Journal of Organic Chemistry 巻: 83 号: 15 ページ: 8449-8456
  • DOI: 10.1021/acs.joc.8b01015
  • 査読あり
• [学会発表] Main-group π-materials for organic electronics and bioimaging (2020)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: 17th European Workshop on Phosphorus Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Main-group π-materials for organic electronics and bioimaging (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: 2019 Russell Lecture, Queen’s University, Canada
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Main-Group Strategy toward Functional pi-Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: The 4th PKU-WuXi AppTec Symposium of Organic Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Main-Group Approach toward Functional pi-Electon Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: 8th SolTech Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Planarized Boron-Containing pi-Electron Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: The 2nd International Conference on Boron Chemistry (ICBC-2)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Main Group Strategy toward Functional pi-Electron Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: The 6th EOC Symposium, Nankai University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Main Group Strategy toward Functional pi-Electron Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: International C-H Functionalization Workshop, KAIST, Korea
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Main Group Strategy for Functional pi-Electron Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: NU-UoE JD and JSPS Core-to-Core Joint-Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Main Group-Containing pi-Electron Materials with Structural Constraint (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: 14th International Symposium on Functional π-Electron Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ホウ素安定化発光性ラジカルの有機電界発光素子への応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤正人，Xie Yongfa，安藤直紀，櫛田知克，白井秀典，早乙女広樹，田畑顕一，宮田康生，北弘志，山口茂弘
  • 学会等名: 第46回有機典型元素化学討論会
• [学会発表] 平面固定フェニルジチエニルボランからなるπ電子系の合成と光物性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 坂井美佳，平井正人，森正義，安藤直紀，山口茂弘
  • 学会等名: 第46回有機典型元素化学討論会
• [学会発表] 極性溶媒中で高効率発光を示すD-A-A型近赤外蛍光色素の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 杉原圭亮，Thomas Baumgartner，山口茂弘
  • 学会等名: 第30回基礎有機化学討論会
• [学会発表] ベンジル位水素をもたないアリール基が置換したジチエニルボランの光反応 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鍛治田浩史，安藤直紀，山口茂弘
  • 学会等名: 第30回基礎有機化学討論会
• [学会発表] ボラフルオレン骨格をもつ平面固定ホウ素π電子系の合成と物性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 安藤直紀，山口茂弘
  • 学会等名: 第30回基礎有機化学討論会
• [学会発表] Emissive Radicals Stabilized by a Boron Atom at a Distant Position (2019)
  • 著者名/発表者名: Masato Ito, Shunsuke Shirai, Yongfa Xie, Naoki Ando, Hiroki Soutome, Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: The 18th International Symposium on Novel Aromatic Compounds (ISNA-18)
  • 国際学会
• [学会発表] CH/π Interaction-driven Self-assembly of Biphenylanthracene-based Amphiphiles in Aqueous Media (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Narita, Tsuyoshi Nishikawa, Soichiro Ogi, Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: 18th International Symposium on Novel Aromatic Compounds (ISNA-18)
  • 国際学会
• [学会発表] The Structural Effects of the Red Fluorescent Radicals Stabilized by a Boron Atom at a Distant Position (2019)
  • 著者名/発表者名: Masato Ito, Shunsuke Shirai, Yongfa Xie, Naoki Ando, Hiroki Soutome, Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: ITbM-GTR Pre-ISNA Symposium “Toward Advanced Functions form New pi-Skeletons”
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis, Derivatization and Photophysical Properties of Planarized Phenyldithienylborane (2019)
  • 著者名/発表者名: Mika Sakai, Masato Hirai, Masayoshi Mori, Naoki Ando, Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: ITbM-GTR Pre-ISNA Symposium "Toward Advanced Functions form New pi-Skeletons"
  • 国際学会
• [学会発表] Photoreaction of Dithienylborane Stabilized by Bis(trimethylsilyl)phenyl Group (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Kajita, Naoki Ando, and Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: ITbM-GTR Pre-ISNA Symposium "Toward Advanced Functions form New pi-Skeletons"
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis and Properties of Planarized B, N-Embedded Polycyclic Compounds with a Carbazole Substructure (2019)
  • 著者名/発表者名: Mika Sakai, Mikinori Ando, Masato Hirai, Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: 14th International Symposium on Functional π-Electron Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Phosphorus-Containing Fluorophores for Bioimaging (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: ACS National Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photostable and Near IR Phosphorus Fluorophores for Bioimaging (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: 22nd International Conference on Phosphorus Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Planarized Boron-Containing pi-Electron Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: BORAM XVI
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Main-Group Strategy for NIR and Photostable Fluorescent Dyes (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: The Chinese University of Hong Kong
  • 招待講演
• [学会発表] Main-Group Strategy for New pi-Electron Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: GRC Hybrid Electronic and Photonic Materials and Phenomena
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Main-Group Strategy toward NIR and Photostable Fluorescent Dyes for Bioimaging (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigehiro Yamaguchi
  • 学会等名: Burgenstock Conference 2018
  • 国際学会 / 招待講演