階層的配位空間の化学

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25000007
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 北川 進 京都大学, 高等研究院, 特別教授
• 研究期間 (年度): 2013 – 2017
• キーワード: 多孔性配位高分子 / 多孔質材料 / 錯体 / 吸着 / 階層 / ナノ空間 / 分離 / 金属-有機構造体

研究実績の概要

(1) 水同位体を分離することのできる究極分離細孔物質の開発を目指して、ある多孔性配位高分子(PCP)をデザインし、その細孔内部における水分子の吸着状態を単結晶X線構造解析、中性子線回折、時間分解赤外線分光、および密度汎関数理論計算により詳細に調査した。単結晶X線および中性子線回折による構造解析の結果、細孔内部では制限された空間内で水分子がお互い水素結合することで、特異な正六面体状8量体クラスターを形成していることが明らかとなった。時間分解赤外線分光スペクトルの測定により、水分子は細孔内に吸着される過程でまず4量体を形成し、その4量体がお互い相互作用することで、最終的に8量体を形成するというメカニズムが明らかとなった。その構造は密度汎関数理論計算により裏付けされている。さらに、その8量体クラスターが低温で相転移することにより、特異的な吸熱ピークを与えることが熱測定により明らかになった。その挙動は単純な物理的モデルで説明できることがわかり、現在はそのモデルと実験の検証を行っている。軽水と重水でその相転移温度が異なることから、水同位体を分離できる可能性を示すことが出来た。今後は、この研究で開発された本PCPを足がかりに深く検討することで、相転移メカニズムの解明と同位体分離機能を実現する。
(2) エチレンのみに対して高選択的に応答し細孔を開孔させ吸着するPCPの開発に成功した。一方、本PCPはエタンに対しては全く応答せず、吸着しない。この性質を利用してエチレン/エタンの分離を実現した。詳細なX線構造解析により、エチレン分子が自ら本PCPの特定の部位に作用することで構造を「開く」というメカニズムが明らかとなった。本業績は、生体の酵素が発現するようなアロステリック効果にも似た基質選択的機能を固体材料へも応用可能であることを示した点で、重要な成果となった。
(3) 中空金属錯体へ様々な高分子を修飾を施すことにより、フイルムなどへの成形加工性を付与する技術の開発に成功した。本技術を利用して新たにガス分離メンブレンを作成し、二酸化炭素と窒素の分離試験を実際に行ったところ、中空錯体を持たない高分子メンブレン(対照化合物)に比べて約10倍も二酸化炭素の選択性が向上した。厳密に各ガスの透過率を調査したところ、中空錯体と高分子を複合化することにより、二酸化炭素の透過率を向上させ、かつ窒素の透過率を下げる(ブロックする)という効果に繋がることが明らかとなった。この基盤技術を利用し、今後様々な既存の高分子ガス分離メンブレンと中空錯体を複合化させることで、その高機能化を図ることが出来ると期待される。
(4) 光エネルギーを効率的に利用し、ガス吸着分離特性を変化させるPCPの開発に成功した。本PCPは、光照射により光応答性配位子がその構造を異性化させ、二酸化炭素吸着特性が可逆的に変化させる。本PCPは配位子の異性化効率が99%以上という高効率を示し、光エネルギーを効率よく変換することのできるデバイスへの応用が期待される。
(5) ガス吸着により細孔を開き、かつその構造を記憶する「形状記憶」的性質を有する新しいPCPを開発し、そのメカニズムを解明した。本成果により、PCPの細孔制御がより容易になり、新しいガス分離・貯蔵プロセスの開発へ繋がると期待される。

研究成果

• [国際共同研究] University of Limerick(アイルランド)
  • 国名: アイルランド
  • 外国機関名: University of Limerick
• [国際共同研究] 同済大学/南京工業大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 同済大学/南京工業大学
• [雑誌論文] Design and Synthesis of Porous Coordination Polymers with Expanded One-Dimensional Channels and Strongly Lewis-Acidic Sites (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kajiwara, Hideyuki Higashimura, Masakazu Higuchi, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: ChemNanoMat 巻: 4 ページ: 103-111
  • DOI: 10.1002/cnma.201700256
  • 査読あり
• [雑誌論文] Continuous Scientific Growth through an Open-Minded Attitude (2018)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: Chem. Asian J. 巻: 13 ページ: 43, 289
  • DOI: 10.1002/asia.201701683
  • 査読あり
• [雑誌論文] Purely Physisorption - Based CO-Selective Gate - Opening in Microporous Organically Pillared Layered Silicates (2018)
  • 著者名/発表者名: Markus M. Herling, Martin Rieß, Hiroshi Sato, Liangchun Li, Thomas Martin, Hussein Kalo, Ryotaro Matsuda, Susumu Kitagawa, Josef Breu
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 57 ページ: 564-568
  • DOI: 10.1002/anie.201710717
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sequence-Regulated Copolymerization Based on Periodic Covalent Positioning of Monomers along One-Dimensional Nanochannels (2018)
  • 著者名/発表者名: Shuto Mochizuki, Naoki Ogiwara, Masayoshi Takayanagi, Masataka Nagaoka, Susumu Kitagawa, Takashi Uemura
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 9 ページ: 329
  • DOI: 10.1038/s41467-017-02736-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reactions in Confined Spaces (2018)
  • 著者名/発表者名: Bert M. Weckhuysen, Susumu Kitagawa, Michael Tsapatsis
  • 雑誌名: ChemPhysChem 巻: 19 ページ: 339-340
  • DOI: 10.1002/cphc.201800058
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Readily Accessible Shape-Memory Effect in a Porous Interpenetrated Coordination Network (2018)
  • 著者名/発表者名: Mohana Shivanna, Qing-Yuan Yang, Susan Sen, Alankriti Bajpai, Nobuhiko Hosono, Shinpei Kusaka, Tony Pham, Katherine A. Forrest, Brian Space, Susumu Kitagawa, Michael J. Zaworotko
  • 雑誌名: Sci. Adv. 巻: 4 ページ: eaaq1636
  • DOI: 10.1126/sciadv.aaq1636
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Finely Controlled Stepwise Engineering of Pore Environments and Mechanistic Elucidation to a Water-Stable, Flexible 2D Porous Coordination Polymers (2018)
  • 著者名/発表者名: Haijun Wang, Haifei Cao, Jia-jia Zheng, Simon Mathew, Nobuhiko Hosono, Bihang Zhou, Hongliang Lyu, Shinpei Kusaka, Wanqin Jin, Susumu Kitagawa, Jingui Duan
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 24 ページ: 6412-6417
  • DOI: 10.1002/chem.201705858
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient CO2 Removal for Ultra-Pure CO Production by Two Hybrid Ultramicroporous Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Kai-Jie Chen, Qing-Yuan Yang, Susan Sen, David G. Madden, Amrit Kumar, Tony Pham, Katherine A. Forrest, Nobuhiko Hosono, Brian Space, Susumu Kitagawa, Michael J. Zaworotko
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 57 ページ: 3332-3336
  • DOI: 10.1002/anie.201706090
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Construction of a Hierarchical Architecture of Covalent Organic Frameworks via a Postsynthetic Approach (2018)
  • 著者名/発表者名: Gen Zhang, Masahiko Tsujimoto, Daniel Packwood, Nghia Tuan Duong, Yusuke Nishiyama, Kentaro Kadota, Susumu Kitagawa, Satoshi Horike
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 140 ページ: 2602-2609
  • DOI: 10.1021/jacs.7b12350
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of epsilon-Fe2N Catalytic Sites in Porous Carbons Derived from an Iron-Triazolate Crystal (2018)
  • 著者名/発表者名: Yu-ichi Fujiwara, Jet-Sing M. Lee, Masahiko Tsujimoto, Kanokwan Kongpatpanich ; Taweesak Pila, Ken-ichi Iimura, Norio Tobori, Susumu Kitagawa, Satoshi Horike
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: 30 ページ: 1830-1834
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b04762
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic Convergence of Dendritic Macromolecules Facilitated by a Heteroleptic Metal-Organic Polyhedron Scaffold (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenichiro Omoto, Nobuhiko Hosono, Mika Gochomori, Ken Albrecht, Kimihisa Yamamoto, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: Chem. Commun.
  • DOI: 10.1039/c8cc02460j
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of Porous Coordination Polymer with a High Gas Capacity Using a Thiophene-Based Bent Tetracarboxylate Ligand (2017)
  • 著者名/発表者名: Fei Wang, Shinpei Kusaka, Yuh Hijikata, Nobuhiko Hosono, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 9 ページ: 33455-33460
  • DOI: 10.1021/acsami.7b01568
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anisotropic Coordination Star Polymers Realized by Self-Sorting Core Modulation (2017)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono, Kenichiro Omoto, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 53 ページ: 8180-8183
  • DOI: 10.1039/C7CC04381C
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fine-Tuning Optimal Porous Coordination Polymers Using Functional Alkyl Groups for CH4 Purification (2017)
  • 著者名/発表者名: Fujun Cheng, Qianqian Li, Jingui Duan, Nobuhiko Hosono, Shin-ichiro Noro, Rajamani Krishna, Hongliang Lyu, Shinpei Kusaka, Wanqin Jin, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A 巻: 5 ページ: 17874-17880
  • DOI: 10.1039/C7TA02760E
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Flexible Interlocked Porous Frameworks Allow Quantitative Photoisomerization in a Crystalline Solid (2017)
  • 著者名/発表者名: Yongtai Zheng, Hiroshi Sato, Pengyan Wu, Hyung Joon Jeon, Ryotaro Matsuda, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 8 ページ: 100
  • DOI: 10.1038/s41467-017-00122-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Density Gradation of Open Metal Sites in the Mesospace of Porous Coordination Polymers (2017)
  • 著者名/発表者名: Jingui Duan, Masakazu Higuchi, Jia-jia Zheng, Shin-ichiro Noro, I-Ya Chang, Kim Hyeon-Deuk, Simon Mathew, Shinpei Kusaka, Easan Sivaniah, Ryotaro Matsuda, Shigeyoshi Sakaki, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 139 ページ: 11576-11583
  • DOI: 10.1021/jacs.7b05702
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Characteristic Features of CO2 and CO Adsorptions to Paddle-Wheel-type Porous Coordination Polymer (2017)
  • 著者名/発表者名: Jia-Jia Zheng, Shinpei Kusaka, Ryotaro Matsuda, Susumu Kitagawa, Shigeyoshi Sakaki
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C. 巻: 121 ページ: 19129-19139
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b02707
  • 査読あり
• [雑誌論文] Porous Crystalline Materials : Closing Remarks (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: Faraday Discussion 巻: 201 ページ: 395-404
  • DOI: 10.1039/c7fd90042b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Controllable Modular Growth of Hierarchical MOF-on-MOF Architectures (2017)
  • 著者名/発表者名: Yifan Gu, Yi-nan Wu, Liangchun Li, Wei Chen, Fengting Li, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 56 ページ: 15658-15662
  • DOI: 10.1002/anie.201709738
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cooperative Bond Scission in a Soft Porous Crystal Enables Discriminatory Gate Opening for Ethylene over Ethane (2017)
  • 著者名/発表者名: Susan Sen, Nobuhiko Hosono, Jia-Jia Zheng, Shinpei Kusaka, Ryotaro Matsuda, Shigeyoshi Sakaki, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 139 ページ: 18313-18321
  • DOI: 10.1021/jacs.7b10110
  • 査読あり
• [学会発表] 配位空間の化学 (2018)
  • 著者名/発表者名: 北川 進
  • 学会等名: 九州錯体化学懇談会-錯体化学と空間の化学第254例会
  • 招待講演
• [学会発表] 微小な空間の世界に招待 (2018)
  • 著者名/発表者名: 北川 進
  • 学会等名: シンポジウム空間と境界、2017年度京都大学白眉年次報告会
  • 招待講演
• [学会発表] 持続的未来のための気体の科学と技術 (2018)
  • 著者名/発表者名: 北川 進
  • 学会等名: 「ソルベイ未来化学賞」受賞記念シンポジウム～化学のインノベーション創出に向けて～
  • 招待講演
• [学会発表] ナノ空間が拓く化学と技術 -PCP/MOF材料の現在と未来- (2018)
  • 著者名/発表者名: 北川 進
  • 学会等名: 東京大学光物質ナノ科学研究センター設立記念シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Chemistry and Application of Soft Porous PCP/MOF (2018)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 2018 International Forum on MicroNano, Wuhan University, Wuhan, China
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Porous Coordination Polymers/Metal-Organic Frameworks For Gas Science and Technology (2018)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: Inorganic Chemistry Seminar at Stanford University, California, US
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] New Dimensions of Porous Coordination Polymers/Metal-Organic Frameworks (2018)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: Seminar at Prof. Omar Yaghi Faculty in Tan Hall, UC Berkeley, California, US
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Toward Forth Generation Porous Coordination Polymers/Metal-Organic Frameworks (2018)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: American Chemical Society, 255th ACS National Meeting & Exposition, NEWORLEANS the Ernest N. Morial Convention Center, New Orleans, US
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Allosteric Gate Effect in a Soft Coordination Crystal Enables Discriminatory Sorption of Ethylene over Ethane (2018)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono, Susan Sen, Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 日本化学会第98回春季年会
• [学会発表] Self-Organization Behavior of Asymmetrically exo-Functionalized Coordination Cage : Construction of Processable Porous Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenichiro Omoto, Nobuhiko Hosono, Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 日本化学会第98回春季年会
• [学会発表] 持続的未来の気体の科学と技術 (2017)
  • 著者名/発表者名: 北川 進
  • 学会等名: 第4回京都大学-稲盛財団合同京都賞シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Present and Future of Porous Coordination Polymer (PCP) and Metal-Organic Framework (MOF) (2017)
  • 著者名/発表者名: 北川 進
  • 学会等名: ERATO国際シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 持続的未来のための気体の科学と技術 -革新的な多孔性材料- (2017)
  • 著者名/発表者名: 北川 進
  • 学会等名: FIBERコアリサーチイノベーションSeries
  • 招待講演
• [学会発表] Present and Future of Porous Coordination Polymer (PCP) and Metal-Organic Framework (MOF) (2017)
  • 著者名/発表者名: 北川 進
  • 学会等名: 第11回日中クラスター会議
  • 招待講演
• [学会発表] Present and Future of Porous Coordination Polymer (PCP) and Metal-Organic Framework (MOF) (2017)
  • 著者名/発表者名: 北川 進
  • 学会等名: Energy and material Efficiency and CO2 Reduction in the Steel industry
  • 招待講演
• [学会発表] Welcome to Small Spaces : Soft Crystalline Porous Coordination Polymers (2017)
  • 著者名/発表者名: 北川 進
  • 学会等名: 第5回Tishler-Omura講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Welcome to the World of Small Spaces-Porous Coordination Polymer (PCP) and Metal-Organic Framework (MOF)- (2017)
  • 著者名/発表者名: 北川 進
  • 学会等名: 2nd International RINS Symposium
  • 招待講演
• [学会発表] Cooperative Functions in Porous Coordination Polymers/Metal-Organic Frameworks (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 8th Münster Symposium on Cooperative Effects in Chemistry, Münster, Germany
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Challenge and Creativity for Porous Crystalline Materials (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: Faraday Discussion New directions in porous crystalline materials, Edinburgh, Scotland
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] New Dimensions of Soft Crystalline Porous Coordination Polymers/Metal-Organic Frameworks (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: The Eighth International Symposium on Nanoporous Materials (NANO-8), Ottawa, Ontario, Canada
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Porous Coordination Polymer (PCP)/Metal-Organic Framework (MOF) - Present and Future (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: The 8th Chinese Conference on Coordination Chemistry (VIII CCC), Dalian, China
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Porous Crystals Toward 4th Generation PCPs/MOFs (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: The 6th Asian Conference Coordination Chemistry (ACCC6), Melbourne, Australia
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] New Dimensions of Porous Coordination Polymers/Metal-Organic Frameworks (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: RACI National Centenary Conference/17th Asian Chemical Congress, Melbourne Convention and Exhibition Centre
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] New Dimensions of Porous Coordination Polymers/Metal-Organic Frameworks (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: University of Adelaide, Adelaide, Australia
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Porous Coordination Polymers/Metal Organic Frameworks for Gas Science and Technology (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: The 24th Congress of the IUCr Hyderabad, India
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Design of PCPs/MOFs as Nanoreactors (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: Workshop on Heterogeneous catalysis for Energy, School of Chemical Engineering Dalian University of Technology, Dalian, China
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Welcome to Small Spaces- Gas Science and Technology for Sustainable Future - (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: University of Strasburg, Strasburg, France
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] New Dimensions of Porous Coordination Polymers/Metal-Organic Frameworks (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: Japan-Taiwan- Hong Kong-Singapore Quadrilateral Symposium on Coordination Chemistry, The University of Hong Kong, Hong Kong, China
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Welcome to the World of Small Spaces - Porous Coordination Polymer (PCP) and Metal-Organic Framework (MOF) - (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: Distinguished Seminar at the Department of Chemistry of City University of Hong Kong, Hong Kong, China
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Welcome to Small Spaces-Gas Science and Technology for Sustainable Future (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Kitagawa
  • 学会等名: International Forum of International Collaboration and Industrialization on Carbon Reduction and Clean Coal Technology, Taipei Nangang Exhibition Center, Taipei, Taiwan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Metal-Organic Cage as a Versatile Core for Coordination Star Polymers (2017)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono, Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 第66回高分子学会年次大会
• [学会発表] Direct Observation of Porous Coordination Crystal Surface : Revealing the Structure and Dynamic Response (2017)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono, Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 錯体化学会第67回討論会
• [学会発表] Dynamic Response of Soft Porous Crystal Surface Monitored by in-situ Atomic Force Microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono, Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 2nd European Conference on Metal Organic Frameworks and Porous Polymers, Delft, the Netherlands
  • 国際学会
• [学会発表] Separation and purification of light hydrocarbons mixtures using gas-specific gate-opening discriminatory effects (2017)
  • 著者名/発表者名: Christophe Lavenn, Mickaele Bonneau, Patrick Ginet, Francoise Barbier, Nobuhiko Hosono, Shinpei Kusaka, Ryotaro Matsuda, Susumu Kitagawa
  • 学会等名: 2nd European Conference on Metal Organic Frameworks and Porous Polymers, Delft, the Netherlands
  • 国際学会
• [学会発表] Design of Porous Coordination Polymers for Gas Separation Technologies (2017)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Hosono
  • 学会等名: 2017 International Forum of International Collaboration and Industrialization on Carbon Reduction and Clean Coal Technology, Taiwan
  • 国際学会
• [学会発表] 多孔性配位高分子に吸着された 水分子の水素結合状態と振動エネルギー散逸過程 (2017)
  • 著者名/発表者名: 市井智章, 有川敬, 佐藤弘志, 北川進, 田中耕一郎
  • 学会等名: テラヘルツ科学の最先端Ⅳ
• [備考]
  • URL: http://www.kitagawa.icems.kyoto-u.ac.jp