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化学反応で駆動する結晶性錯体分子触媒エンジンの開発

研究課題

研究課題/領域番号 22K18333
研究種目

挑戦的研究(開拓)

配分区分基金
審査区分 中区分34:無機・錯体化学、分析化学およびその関連分野
研究機関北海道大学

研究代表者

伊藤 肇  北海道大学, 工学研究院, 教授 (90282300)

研究分担者 石山 竜生  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00232348)
陳 旻究  北海道大学, 化学反応創成研究拠点, 准教授 (90827396)
関 朋宏  静岡大学, 理学部, 准教授 (50638187)
高見澤 聡  横浜市立大学, 生命ナノシステム科学研究科(八景キャンパス), 教授 (90336587)
研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円)
2024年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円)
2023年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円)
2022年度: 11,830千円 (直接経費: 9,100千円、間接経費: 2,730千円)
キーワード有機結晶 / 分子機械 / 錯体触媒 / 結晶相転移 / 力学材料
研究開始時の研究の概要

本研究の目的は、触媒活性のある金属錯体や有機触媒の弾性結晶を作成し、触媒の化学反応と、結晶構造の変化やそのマクロレベル構造の変化を連動させ、触媒反応の化学エネルギーを直接「機械的な力」に変換する分子システムを構築することである。さらに分子ドミノ相転移の原理を活用し、結晶内での反応の同期現象と振動現象が実現させ、触媒的に働く化学・力学変換機構である結晶性錯体分子触媒エンジンを構築する。

研究実績の概要

筋肉や鞭毛運動などの生命の動力システムでは、化学エネルギーが分子レベル・ナノレベルの機構を通じて、マクロスケールの「機械的な力」にダイレクトに変換されている。生命のシステムではありふれたものであるが、これを分子レベルから再現した人工システムは未だ作られておらず、「化学」が太刀打ちできない「生命」の高度な機能の一つであるといえる。有機結晶は相転移によって結晶の形「外形」が大きく変化する場合がある。相転移においては、分子のコンフォメーションや分子間相互作用のパターンが、熱や光などの外部環境により変化し、結晶構造の変化が集積して結晶の外形の変化につながり、力学的な力が発生する。有機結晶の反応と構造変化、相転移を活用して、これを人工的に再現するのが本研究の最終目的である。結晶内部で進行する触媒反応を用いて、結晶構造の変化と、外形の変化を繰り返し誘起することができれば、力学的な力を発生することのできる化学反応エンジンができる可能性がある。本年度は、触媒活性はないものの、塑性変形をする有機結晶の挙動を調べて成果を上げた。塑性変形と熱による相転移を併せ持つ結晶は、温度変化によりマニュピレーター様の動きを示す。一方で、触媒活性のあるロジウム(I)からなる遷移金属錯体結晶の作成は、化合物の不安定性から成功には至っていない。より安定な金属錯体を用いることや、安定な有機触媒の結晶を用いることで問題が解決できると考えている。金属錯体結晶のダイナミックス研究では大きな成果を上げている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度は大きく二つの方向性で研究を行った。一つは、有機結晶並びに、有機金属結晶の動的構造を明らかにし、分子の一部の構造が結晶内で回転などの運動性を持つことを明らかにした。また、ハロゲン結合などを活用した、結晶内超分子構造の構築を行った。この方向性では大きな成果が得られた(j. Am. Chem. Soc. 2023, 27512; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202309694; Crystal Growth & Design 2023, 4514; Chem Sci, 2023; 4485; J. Am. Chem. Soc. 2023, 7376) 触媒活性をもつ有機金属錯体の結晶を作成することは本研究の一つの重要な方向性である。ロジウム(I)錯体は、アルケンの選択的水素化で使われる Wilkinson錯体 [RhCl(PPh3)3]のように、様々な反応の触媒となることが知られている。去年に引き続き、本年度は、立体障害の大きなNHC配位子をもつロジウム(I)錯体を合成し、この単結晶を作成することを試みた。しかし、その不安定性が克服できず、現在のところ、合成に成功していない。

今後の研究の推進方策

触媒反応を示す遷移金属錯体の結晶を効率良く合成することが困難である一方、有機結晶や有機金属結晶の動的構造の知見は蓄積できている。触媒反応を手がける前に、化学量論反応、特に電子環状反応などの、反応前後で分子量が変化しないタイプの反応を結晶内で実行することを試みる。このような化学量論反応で得られた知見を活用して、固体内での触媒反応、ひいては化学エネルギーを力学エネルギーに変換する結晶構造、機構を構築する事を検討する。例えば、電子環状反応、クライゼン転位反応などを結晶中で実施する検討を行う。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 審査結果の所見   実施状況報告書
  • 研究成果

    (25件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] A Steric-Repulsion-Driven Clutch Stack of Triaryltriazines: Correlated Molecular Rotations and a Thermoresponsive Gearshift in the Crystalline Solid2023

    • 著者名/発表者名
      Jin Mingoo、Kitsu Ryunosuke、Hammyo Natsumi、Sato-Tomita Ayana、Mizuno Motohiro、Mikherdov Alexander S.、Tsitsvero Mikhail、Lyalin Andrey、Taketsugu Tetsuya、Ito Hajime
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 145 号: 50 ページ: 27512-27520

    • DOI

      10.1021/jacs.3c08909

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Giant Crystalline Molecular Rotors that Operate in the Solid State2023

    • 著者名/発表者名
      Ando Rempei、Sato‐Tomita Ayana、Ito Hajime、Jin Mingoo
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 62 号: 47

    • DOI

      10.1002/anie.202309694

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Construction of a Helical Structure with a Parallel Alignment of Molecular Dipoles in Crystals by Utilizing a Halogen-3 Synthon and a Bulky Silyl Spacer2023

    • 著者名/発表者名
      Hammyo Natsumi、Jin Mingoo、Ito Hajime
    • 雑誌名

      Crystal Growth & Design

      巻: 23 号: 6 ページ: 4514-4521

    • DOI

      10.1021/acs.cgd.3c00282

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Exploring Au(I) Involving Halogen Bonding with N-Heterocyclic Carbene Au(I) Aryl Complexes in Crystalline Media2023

    • 著者名/発表者名
      Mikherdov Alexander S.、Jin Mingoo、Ito Hajime
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: - 号: 17 ページ: 4485-4494

    • DOI

      10.1039/d3sc00373f

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] In Situ and Real-Time Visualization of Mechanochemical Damage in Double-Network Hydrogels by Prefluorescent Probe via Oxygen-Relayed Radical Trapping2023

    • 著者名/発表者名
      Zheng Yong、Jiang Julong、Jin Mingoo、Miura Daiyo、Lu Fei Xue、Kubota Koji、Nakajima Tasuku、Maeda Satoshi、Ito Hajime、Gong Jian Ping
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 145 号: 13 ページ: 7376-7389

    • DOI

      10.1021/jacs.2c13764

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Multidynamic Crystalline Molecular Rotors Comprising an N‐Heterocyclic Carbene Binuclear Au(I) Complex Bearing Multiple Rotators2023

    • 著者名/発表者名
      Jin Mingoo、Matsuura Satsuki、Yamamoto Hikaru、Mizuno Motohiro、Ito Hajime
    • 雑誌名

      European Journal of Organic Chemistry

      巻: 26 号: 12

    • DOI

      10.1002/ejoc.202201468

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanical deformation and multiple thermal restoration of organic crystals: reversible multi-stage shape-changing effect with luminescence-color changes2022

    • 著者名/発表者名
      Feng Chi、Seki Tomohiro、Sakamoto Shunichi、Sasaki Toshiyuki、Takamizawa Satoshi、Ito Hajime
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 13 号: 33 ページ: 9544-9551

    • DOI

      10.1039/d2sc03414j

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 複数の異なる嵩高さのシリル基スペーサーおよびダイポールを有するアキラル分子を用いたキラルな分子結晶の構築2024

    • 著者名/発表者名
      米澤 毅治、半妙 夏海、陳 旻究、伊藤 肇
    • 学会等名
      日本化学会 第104春季年会 (2024.3.18-21, 船橋)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Structural modification of two-dimensionally geared intermolecular structures in crystal by introducing silyl groups possessing pseudo C3 symmetry2024

    • 著者名/発表者名
      Hikaru Yamamoto, Hajime Ito, Mingoo Jin
    • 学会等名
      日本化学会 第104春季年会 (2024.3.18-21, 船橋)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] NHC銅(Ⅰ)錯体を用いた大環状分子ギアの合成と固体発光物性2024

    • 著者名/発表者名
      富田 龍ノ介、安藤 廉平、伊藤 肇、陳 旻究
    • 学会等名
      日本化学会 第104春季年会 (2024.3.18-21, 船橋)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] NHC金(I)錯体を用いた巨大な回転部位を有する結晶性分子ローターの開発2023

    • 著者名/発表者名
      安藤 廉平・伊藤 肇・陳 旻究
    • 学会等名
      第9回錯体化学若手の会 北海道支部勉強会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] トリプチセンとアダマンチルホスフィンを有する二次元分子ギア構造体2023

    • 著者名/発表者名
      山本 光・伊藤 肇・陳 旻究
    • 学会等名
      第9回錯体化学若手の会 北海道支部勉強会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] ハロゲン結合と嵩高いシリル基部位を用いた分子結晶中のダイポールの配列設計2023

    • 著者名/発表者名
      半妙 夏海・伊藤 肇・陳 旻究
    • 学会等名
      第31回有機結晶シンポジウム (2023.11.2-3, 大阪大学吹田キャンパス銀杏会館, 大阪)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 複数のトリアルキルシリル基を持つトリアリールトリアジンの結晶中における多彩な配列構造と発光特性2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤 貴裕・吉津 龍之介・伊藤 肇・陳 旻究
    • 学会等名
      第31回有機結晶シンポジウム (2023.11.2-3, 大阪大学吹田キャンパス銀杏会館, 大阪)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Intermolecular Synchronic Rotation of Gear-Shaped Au(I) Complex Operated in Crystal2023

    • 著者名/発表者名
      Mingoo Jin, Hikaru Yamamoto, Rempei Ando, Hajime Ito
    • 学会等名
      錯体化学会 第73回討論会 (2023.9.21-23, 水戸市民会館・水戸芸術館・みと文化交流プラザ, 水戸)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Crystallization induced ligand-to-ligand chirality transfer activating solid-state circularly polarized luminescence of N-heterocyclic carbene gold(I) dibenzocarbazole complexes2023

    • 著者名/発表者名
      Pingyu Jiang, Alexander S. Mikherdov, Hajime Ito, Mingoo Jin
    • 学会等名
      錯体化学会 第73回討論会 (2023.9.21-23, 水戸市民会館・水戸芸術館・みと文化交流プラザ, 水戸)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Modification of intermolecular synchronic motions in crystals by CH-π interactions between the rotators and the phenylenes absorbed in the porous structure2023

    • 著者名/発表者名
      Hikaru Yamamoto, Hajime Ito, Mingoo Jin
    • 学会等名
      錯体化学会 第73回討論会 (2023.9.21-23, 水戸市民会館・水戸芸術館・みと文化交流プラザ, 水戸)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 金(I)および銅(I))異種金属NHC錯体からなる発光性結晶分子ローターの開発2023

    • 著者名/発表者名
      藤澤 優輔・安藤 廉平・伊藤 肇・陳 旻究
    • 学会等名
      錯体化学会 第73回討論会 (2023.9.21-23, 水戸市民会館・水戸芸術館・みと文化交流プラザ, 水戸)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Two-dimensionally geared intermolecular structure in a crystal formed by Au(I) complexes with triptycene and triadamantylphosphine2023

    • 著者名/発表者名
      Hikaru Yamamoto, Rempei Ando, Hajime Ito, Mingoo Jin
    • 学会等名
      The 6th ICReDD International Symposium (2023. 9. 10-11. Hokkaido University, Sapporo)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Two-dimensionally geared intermolecular structure in a crystal formed by Au(I) complexes bearing triptycene and triadamantylphosphine2023

    • 著者名/発表者名
      Hikaru Yamamoto, Rempei Ando, Hajime Ito, Mingoo Jin
    • 学会等名
      26TH CONGRESS AND GENERAL ASSEMBLY OF THE INTERNATIONAL UNION OF CRYSTALLOGRAPHY (2023. 8. 22-29. Melbourne Convention & Exhibition Centre, Australia)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of giant crystalline molecular rotor mediated by bulky N-heterocyclic carbene gold(I) complex2023

    • 著者名/発表者名
      Rempei Ando, Ayana Sato-Tomita, Hajime Ito, Mingoo Jin
    • 学会等名
      26TH CONGRESS AND GENERAL ASSEMBLY OF THE INTERNATIONAL UNION OF CRYSTALLOGRAPHY (2023. 8. 22-29. Melbourne Convention & Exhibition Centre, Australia)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Controlling the arrangement of dipole in the crystal by utilizing halogen bonding and bulky silly moiety2023

    • 著者名/発表者名
      Natsumi Hannmyo, Mingoo Jin, Hajime Ito
    • 学会等名
      26TH CONGRESS AND GENERAL ASSEMBLY OF THE INTERNATIONAL UNION OF CRYSTALLOGRAPHY (2023. 8. 22-29. Melbourne Convention & Exhibition Centre, Australia)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mechanically Induced Structural Transformations in Luminescent Gold Complexes2023

    • 著者名/発表者名
      Hajime Ito
    • 学会等名
      26TH CONGRESS AND GENERAL ASSEMBLY OF THE INTERNATIONAL UNION OF CRYSTALLOGRAPHY (2023. 8. 22-29. Melbourne Convention & Exhibition Centre, Australia)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Mechanical Response of Luminescent Gold Complexes2022

    • 著者名/発表者名
      伊藤肇
    • 学会等名
      3rd Middle-Eastern Materials Science Conference (MEMS 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 北海道大学有機元素化学研究室

    • URL

      https://itogrouphp.eng.hokudai.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-07-05   更新日: 2024-12-25  

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