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トポロジカルπ共役構造体の創製

研究課題

研究課題/領域番号 23K23336
補助金の研究課題番号 22H02068 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分33010:構造有機化学および物理有機化学関連
研究機関分子科学研究所

研究代表者

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)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2024年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2023年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2022年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円)
キーワード分子トポロジー / トポロジー / 有機共有結合構造体 / π共役
研究開始時の研究の概要

本研究では、有機機能性材料の中心を占めるπ共役構造体に対してトポロジカルな幾何構造を導入した物質群を合成する手法の確立を行い、新たに得られる数々の新規物質群の機能解明を行う。具体的には、複雑なトポロジカルπ共役構造体を合成し、これらの構造的・電子的性質を実験および計算科学的に明らかにする。単分子だけでなく、トポロジカルな3次元敷き詰め構造にも着目し、これらを有機合成化学的にデザインして構築する手法の開発および得られた物質の物性解明を行う。

研究実績の概要

本研究では、有機機能性材料の中心を占めるπ共役構造体に対してトポロジカルな幾何構造を導入した物質群を合成する手法の確立を行い、新たに得られる数々の新規物質群の機能解明を行う。具体的には、カテナン、ノット、ベルト、ロタキサン、メビウスの帯といった特異なトポロジーをもつπ共役分子(0次元系)に加え、2次元シートや3次元ジャングルジム構造といった複雑な各種トポロジカル構造体を合成し、これらの構造的・電子的性質を実験および計算科学的に明らかにする。
当該年度においては、含チオフェン非平面π共役化合物のプラットフォームとして、多数のチオフェン環を含む2種の大環状化合物を設計し、その合成および構造決定および動的性質の解明に成功した。全てβ位で連結したチオフェン環状多量体は様々なπ共役化合物の合成中間体として活用されてきたが、合成はこれまで3量体および4量体に限られており、反応活性点であるα位を保持したまま環状構造を構築することが困難であった。我々は最近報告された3,4-ジボリルチオフェン合成を参考に、鈴木宮浦クロスカップリング反応やニッケル錯体によるホモカップリング反応を段階的に行っていくことで環状体の合成に成功した。NMR測定より、環状5量体と6量体で溶液状態における動的挙動が大きく異なることを見出した。また、有機共有結合構造体(COF)のユニット合成過程において、予期しない4員環形成反応を発見し、その詳細および得られた含4員環π共役分子の構造的・電子的性質を詳細に明らかにした。

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

当該年度においては、チオフェン環状多量体の合成、予期しない4員環形成反応の発見に基づく新奇含4員環π共役化合物の合成と性質、さらに平面π共役分子トリフェニレンへのフッ素置換基の多点導入反応の開発を行った。これらの成果は査読付き学術論文として報告している。また、特異な3次元トポロジー構造をもつ有機共有結合構造体の合成や、微小単結晶の構造解析を可能にする電子回折構造解析の開発と応用研究が進行中である。このように着実な進捗があり、研究はおおむね順調に進捗している。

今後の研究の推進方策

特異なトポロジーをもつ有機共有結合構造体の合成を行う。具体的には、種々の平面正方形分子の設計および系統的合成を通して、正方形分子を用いたnboトポロジー有機共有結合構造体(nboCOF)の合成法を確立する。これはnbo(酸化ニオブ)型のトポロジーをもった構造であり、これまでに1例のみ報告があるものの、系統的な合成法は確立されていない。まず正方形分子を精密に設計・合成し、スピロ結合により垂直に組み合わせたnboCOFへと変換する。本分子設計により、これまでのダイヤモンド型COFでは達成困難であった、相互貫入構造を取りにくく三次元に広がるCOFの構築が達成できる。また、サイズや電子状態の異なる種々の正方形分子を設計することにより、性質の異なる様々なCOFの合成が可能である。本研究においては、複数のスピロ結合において検討を行い、効率的なCOFの合成の開発も同時に試みる。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 5件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Synthesis, structure, and properties of a bay-fluorinated triphenylene2024

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Ryu、Sugiyama Haruki、Segawa Yasutomo
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 53 号: 4

    • DOI

      10.1093/chemle/upae048

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis of Polycyclic Arenes Composed of Four-, Five-, Six-, and Eight-Membered Rings via an Unexpected Four-Membered Ring Formation Reaction2023

    • 著者名/発表者名
      Hirota Soshi、Nakano Sachiko、Sugiyama Haruki、Segawa Yasutomo
    • 雑誌名

      Organic Letters

      巻: 25 号: 45 ページ: 8062-8066

    • DOI

      10.1021/acs.orglett.3c03039

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis of penta- and hexa(3,4-thienylene): size-dependent structural properties of cyclic oligothiophenes2023

    • 著者名/発表者名
      Mai Nagase, Sachiko Nakano, Yasutomo Segawa*
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 59 号: 74 ページ: 11129-11132

    • DOI

      10.1039/d3cc03508e

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Synthesis, structure, and properties of bay-fluorinated triphenylenes2024

    • 著者名/発表者名
      吉田 瑠・杉山 晴紀・瀬川 泰知
    • 学会等名
      総研大アジア冬の学校
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis and physical properties of thienocyclopenta-fused pyrenes2024

    • 著者名/発表者名
      塚本 兼司、高木 幸治、瀬川 泰知
    • 学会等名
      総研大アジア冬の学校
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] チエノシクロペンタジエン環を縮環したピレン誘導体の合成と物性2024

    • 著者名/発表者名
      塚本 兼司、高木 幸治、瀬川 泰知
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 予期しない4員環形成反応によるシクロブタトリシクロペンタテトラフェニレンの合成とその性質2024

    • 著者名/発表者名
      廣田 宗士、中野 さち子、杉山 晴紀、瀬川 泰知
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Strategies for strain-induced synthesis of topologically unique aromatic hydrocarbons2023

    • 著者名/発表者名
      瀬川 泰知
    • 学会等名
      CEMS Topical Meeting on Chemistry of pi-Conjugated Materials
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 湾曲構造とトポロジーを芳香族炭化水素に付与する有機合成戦略2023

    • 著者名/発表者名
      瀬川 泰知
    • 学会等名
      第54回構造有機化学若手の会夏の学校
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Crystal structure determination of molecular tweezers without recrystallization2023

    • 著者名/発表者名
      杉山 晴紀・渡邊 幸佑・Chihong Song・村田 和義・瀬川 泰知
    • 学会等名
      26TH CONGRESS AND GENERAL ASSEMBLY OF THE INTERNATIONAL UNION OF CRYSTALLOGRAPHY
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] チエノシクロペンタジエン環を縮環したピレン誘導体の合成と物性2023

    • 著者名/発表者名
      塚本 兼司・高木 幸治・瀬川 泰知
    • 学会等名
      第33回基礎有機化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ベイフッ素化トリフェニレンの合成と物性解明2023

    • 著者名/発表者名
      吉田 瑠・杉山 晴紀・瀬川 泰知
    • 学会等名
      第33回基礎有機化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 予期しない4員環形成反応によるシクロブタトリシクロペンタテトラフェニレンの合成とその性質2023

    • 著者名/発表者名
      廣田 宗士・中野 さち子・杉山 晴紀・瀬川 泰知
    • 学会等名
      第33回基礎有機化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Synthesis of highly strained and topologically unique aromatic hydrocarbons2023

    • 著者名/発表者名
      瀬川 泰知
    • 学会等名
      錯体化学会第73回討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] パズルのように分子を作る ~曲がった炭素分子の有機合成~2023

    • 著者名/発表者名
      瀬川 泰知
    • 学会等名
      市民公開講座 第137回分子科学フォーラム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ピンセット型有機分子のMicroEDによる結晶構造解析2023

    • 著者名/発表者名
      杉山 晴紀・渡邊 幸佑・Chihong Song・村田 和義・瀬川 泰知
    • 学会等名
      2023年度日本結晶学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 電子回折を用いたπ-拡張テトラフェニレンの微結晶構造解析2023

    • 著者名/発表者名
      杉山 晴紀・渡邊 幸佑・Chihong Song・村田 和義・瀬川 泰知
    • 学会等名
      第31回有機結晶シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] すべて縮環した三次元π共役構造体の創製2023

    • 著者名/発表者名
      渡邉幸佑・杉山晴紀・西村勝之・瀬川 泰知
    • 学会等名
      第31回有機結晶シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Crystal structure analysis using microcrystal electron diffraction (MicroED) in Okazaki2023

    • 著者名/発表者名
      杉山 晴紀・渡邊 幸佑・Chihong Song・村田 和義・瀬川 泰知
    • 学会等名
      生理研研究会「クライオ電子顕微鏡とその周辺」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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