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2019 年度 実績報告書

配位高分子形成過程における非周期性微小中間体の捕捉と解析

公募研究

研究領域配位アシンメトリー:非対称配位圏設計と異方集積化が拓く新物質科学
研究課題/領域番号 19H04563
研究機関東京大学

研究代表者

原野 幸治  東京大学, 総括プロジェクト機構, 特任准教授 (70451515)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
キーワード電子顕微鏡 / 金属有機構造体 / 反応中間体 / イメージング / 金属錯体 / 反応機構
研究実績の概要

本研究では、化学反応の中で次々と生成しては消えていく中間的生成物(反応中間体)の一分子一分子を溶液中で捕捉し,その構造を原子分解能電子顕微鏡観察により決定することに成功した.化学反応は一般に,原料から生成物に至る過程で多数の反応中間体を経て進行する.これらの中間体はひとつひとつ構造が異なる上に,反応溶液中では平衡によりたえず構造変化しているため,実験的に構造をとらえることは困難であった.我々は,反応中間体に強い親和力を持つ「分子の釣り針」をカーボンナノチューブに装着し,このナノチューブを反応用に入れて反応を行ったうえで,急冷と濾過により素早く反応を止めることで,反応進行の各段階で生じる一連の中間体を釣り針上に捕まえ,一網打尽に構造解析する技術を開発した.今回の研究で取り上げた反応は,ガス貯蔵材料や触媒として用いられるMetal-organic framework (MOF) の生成反応であり,反応中間体である一次元から三次元構造を持つ集合体(クラスター)の構造を原子レベルで決定し,その統計情報から微小な分子集合体が結晶へと成長する反応機構を解明した.本手法は,人工的な化学合成反応に加え,天然の鉱物や骨などのミネラル生成のような材料形成の反応解析に適用でき,高効率化学反応の開発や生命現象の解明につながると期待される.

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

当初研究計画に掲げた,配位高分子形成の微小中間体の捕捉と解析という目標が亜鉛MOFの反応中間体の構造解析という形で達成され,論文発表という成果に結実した.

今後の研究の推進方策

今後,異なる金属有機構造体に当手法を展開し,配位高分子の形成メカニズムの一般論として重要となる知見を収集する.

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (5件) (うち招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Atomistic structures and dynamics of prenucleation clusters in MOF-2 and MOF-5 syntheses2019

    • 著者名/発表者名
      Xing Junfei、Schweighauser Luca、Okada Satoshi、Harano Koji、Nakamura Eiichi
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 10 ページ: 3608

    • DOI

      10.1038/s41467-019-11564-4

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Bifurcation of self-assembly pathways to sheet or cage controlled by kinetic template effect2019

    • 著者名/発表者名
      Foianesi-Takeshige Leonardo Hayato、Takahashi Satoshi、Tateishi Tomoki、Sekine Ryosuke、Okazawa Atsushi、Zhu Wenchao、Kojima Tatsuo、Harano Koji、Nakamura Eiichi、Sato Hirofumi、Hiraoka Shuichi
    • 雑誌名

      Communications Chemistry

      巻: 2 ページ: 128

    • DOI

      10.1038/s42004-019-0232-2

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Atomistic Structural Analysis of Reaction Intermediates Captured on Functionalized Carbon Nanohorns2020

    • 著者名/発表者名
      Koji Harano, Junfei Xing, Luca Schweighauser, Satoshi Okada, Eiichi Nakamura
    • 学会等名
      第58回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • [学会発表] Atomistic Structure and Dynamics of Prenucleation Clusters2020

    • 著者名/発表者名
      Koji Harano
    • 学会等名
      日本化学会第100春季年会
    • 招待講演
  • [学会発表] 配位高分子形成過程における非周期性微小中間体の捕捉と解析2019

    • 著者名/発表者名
      原野幸治
    • 学会等名
      新学術領域研究「配位アシンメトリ」第5回領域会議
  • [学会発表] Electron Microscopic Imaging of Atomistic Structures and Dynamics of Prenucleation Clusters in MOF Syntheses2019

    • 著者名/発表者名
      Koji Harano, Junfei Xing, Luca Schweighauser, Satoshi Okada, Eiichi Nakamura
    • 学会等名
      錯体化学会第69回討論会
  • [学会発表] 電子顕微鏡で分子のリアルタイム動画を撮影する2019

    • 著者名/発表者名
      原野幸治
    • 学会等名
      錯体化学若手の会北陸支部勉強会
    • 招待講演
  • [備考] 「革新分子技術」総括寄付講座

    • URL

      http://www.chem.s.u-tokyo.ac.jp/users/common/NakamuraLab.html

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公開日: 2021-01-27  

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