環状ポルフィリン多量体の合成と機能開拓

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K05626
• 研究機関: 岩手大学
• 研究代表者: 葛原 大軌 岩手大学, 理工学部, 准教授 (00583717)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: ポルフィリン / 湾曲構造 / 環状化合物 / 包摂錯体 / 金属錯体

研究実績の概要

アセン、ポルフィリンに代表されるπ共役系化合物は、π-πスタッキングなどの強固な分子間相互作用を示すため、有機薄膜トランジスタ(OTFT)や有機太陽電池(OSC)などへの応用が期待され、活発に研究が行われてきた。一方、π曲面を有する化合物が、近年盛んに報告されている。フラーレン(C60)やカーボンナノチューブに代表される、π曲面を持つ分子はπ曲面の内側と外側で異なる電子物性を示すなど、有機エレクトロニクスや生化学分野など幅広い分野で研究が展開されている。しかし、曲面や環状構造を持つ分子の合成法は限られており、新しい合成法の確立が求められている。
ポルフィリン(2.1.2.1)は、2つのπ屈曲面をもつダブルV字型構造を持つ化合物である。これまでに、ポルフィリン(2.1.2.1)をビルディングブロックとして環状ポルフィリン多量体の合成を試み、2種類の環状ポルフィリン多量体の合成に成功し、報告してきた。また、フラーレンとの相互作用を検証した結果、多量体を形成するときのポルフィリン(2.1.2.1)の曲面の向きや架橋構造によって、フラーレンの包摂錯体形成能に違いが現れることを明らかにした。
以上のように、本研究において、湾曲構造を有するポルフィリン(2.1.2.1)や環状構造を有する化合物の合成法を確立し、この湾曲構造を活用した超分子構造や有機半導体への応用の可能性を見出すことに成功した。

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

昨年度に引き続き、環状ポルフィリン(2.1.2.1)多量体の合成法の確立を試みた。これまでに1,2,4,5-テトラピロリルベンゼン(TPB)とベンズアルデヒド誘導体を用いたポルフィリンナノベルト(PNB)の合成法を確立した。また、ジエチニルポルフィリン(2.1.2.1)を銅触媒によって環化させることで環状ポルフィリン(2.1.2.1)多量体(CPO)の合成にも成功した。本年度は、金属イオンとの配位結合を活用した環状ポルフィリン(2.1.2.1)多量体を合成するために、meso位にピリジル基を持つジピリジルポルフィリン(2.1.2.1)を新たに合成した。さらに、パラジウムイオンをジピリジルポルフィリン(2.1.2.1)に作用させることによって、パラジウムイオン架橋ポルフィリン(2.1.2.1)多量体を得ることに成功した。現在は、このパラジウムイオン架橋ポルフィリン(2.1.2.1)多量体の構造解析を進めている。

今後の研究の推進方策

環状ポルフィリン(2.1.2.1)の更なる誘導体化および機能開拓を目指して以下の研究を遂行する
[1] 「環状ポルフィリン(2.1.2.1)多量体の合成法の確立」 本研究で開発した環状ポルフィリンの合成では、様々な架橋部位を組み込むことが可能である。環状化合物において、環サイズを自在にコントロールできる合成法を確立することは重要である。そこで、ナフタレンやピレンなどの多環式芳香族部位を組み込んが環状ポルフィリンの合成を目指す。
[2] 「配位結合を用いた3Dカプセル型自己集合体の合成」 ピリジル基と金属イオンを組み合わせて、各ユニットを自己集合させることで、分子カプセルのような三次元構造体の合成が可能である。そこで、ピリジル基を有するポルフィリン(2.1.2.1)を合成し、パラジウムなどの金属イオンと組み合わせて自己集合させることで三次元構造をもつ分子カプセルの合成を試みる

[3] 「ホスト-ゲスト相互作用による超分子構造の合成」 多くのホスト分子は1つの分子認識サイトを持つ。一方、ポルフィリン(2.1.2.1)は、ダブルV字型構造のため、分子の両サイドでゲスト分子を認識可能である。そのため、複数のゲスト分子を組み合わせた超分子構造の合成が可能であるのか検討する。

研究成果

• [雑誌論文] Cyclic butadiyne-linked porphyrin(2.1.2.1) oligomers (2020)
  • 著者名/発表者名: Daiki Kuzuhara, Wataru Furukawa, Naoki Aratani, Hiroko Yamada
  • 雑誌名: Journal of Porphyrins and Phthalocyanines 巻: 24 ページ: 489-497
  • DOI: 10.1142/S1088424619501931
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of a Fluorinated Donor Polymer on the Morphology, Photophysics, and Performance of All-Polymer Solar Cells Based on Naphthalene Diimide Arylene Copolymer Acceptors (2020)
  • 著者名/発表者名: Duyen K. Tran, Nagesh B. Kolhe, Ye-jin Hwang, Daiki Kuzuhara, Tomoyuki Koganezawa, Samson A. Jenekhe*
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 12 ページ: 16490-16502
  • DOI: 10.1021/acsami.0c01382
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct correlation of nanoscale morphology and device performance to study photocurrent generation in donor enriched phases of polymer solar cells (2020)
  • 著者名/発表者名: S. B. Dkhil, P. Perkhun, C. Luo, D. Muller, R. Alkarsifi, E. Barulina, Y. A. Avalos-Quiroz, O. Margeat, S. T. Dubas, T. Koganezawa, D. Kuzuhara, N. Yoshimoto, C. Caddeo, A. Mattoni, B. Zimmermann, U. Wurfel, M. Pfannmoller, S. Bals, J. Ackermann, C. Videlot-Ackermann
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 12 ページ: 28404-28415
  • DOI: 10.1021/acsami.0c05884
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Comparative Study of Selenophene- and Thiophene-Containing n-Type Semiconducting Polymers for High Performance All-Polymer Solar Cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Xiaomei Ding, Duyen K. Tran, Daiki Kuzuhara, Tomoyuki Koganezawa, and Samson A. Jenekhe
  • 雑誌名: Applied Polymer Materials 巻: 3 ページ: 49-59
  • DOI: 10.1021/acsapm.0c00772
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Vinylene-Bridged Cyclic Dipyrrin and BODIPY Trimers (2020)
  • 著者名/発表者名: Songlin Xue, Daiki Kuzuhara, Naoki Aratani, Hiroko Yamada
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 21 ページ: 8041
  • DOI: 10.3390/ijms21218041
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Layer-by-Layer Growth Control of Metal Organic Framework Thin Films Assembled on Polymer Films (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Ohara, Shunsuke Yamamoto, Daiki Kuzuhara, Tomoyuki Koganezawa, Hidetoshi Oikawa, and Masaya Mitsuishi
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 12 ページ: 50784-50792
  • DOI: 10.1021/acsami.0c13016
  • 査読あり
• [学会発表] 近赤外三重項-三重項消滅光アップコンバージョン固体系におけるルブレン誘導体から増感剤への逆エネルギー移動消光の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 澤あか音、ニィーティ トリバティ、クレア クック、玉井尚登、葛原大軌、山田容子、鎌田賢司
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
• [学会発表] 光縮環反応を用いた拡張ペリレンジイミド不溶性薄膜の作製と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 万城目大和、小川倫弥、葛原大軌
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
• [学会発表] 蒸着重合用有機半導体の合成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金子 真夕、葛原 大軌
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
• [学会発表] ポルフィリン (2.1.2.1)環状多量体の合成と物性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 上田有沙、葛原大軌、吉本則之
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
• [学会発表] ケクレン誘導体の合成と物性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岩渕 潤樹、葛原 大軌
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
• [学会発表] トリアシルグリセロールを主骨格とした機能性油脂材料の合成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松川 奈愛、葛原 大軌、吉本 則之
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
• [学会発表] シッフ塩基架橋共有結合性有機構造体(COF)薄膜の作製と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 古川 皓啓, 葛原 大軌, 吉本 則之
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 非対称アルキル鎖を有するオリゴチオフェンの結晶構造及び物性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 慧，葛原 大軌, 吉本 則之
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 電子線ホログラフィーによる有機EL素子内部の電位分布の可視化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐々木祐聖、佐藤岳志、山本和生、葛原大軌、吉本則之
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第76回学術講演会
• [学会発表] QCM/2D-GIXD 同時測定によるペンタセン薄膜成長における核形成過程の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 松原 亮介, 尾崎 幸潤, 阿部 優輝, 菊池 護,葛原 大軌, 吉本 則之, 小金澤 智之, 久保野 敦史
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] チョクラルスキー法によるトリパルミチンの単結晶育成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊藤大生，齊藤圭紀, 菊池護, 葛原大軌, 大西清美, 上原秀隆, 吉本則之
  • 学会等名: 第49回結晶成長国内会議