ポリチアヘテロヘリセンの新しい合成と分子ソレノイドの創出

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14655350
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 西出 宏之 早稲田大学, 理工学部, 教授 (90120930)
• Keywords: らせん高分子 / ソレノイド / 分子内閉環反応 / ポリフェニレン / パイ電子 / 円偏光二色性 / ヘリシティ / Cotton効果

Research Abstract

純有機物質での「分子ソレノイド」(有機導線でつくられたナノサイズの電磁石)はその特異な光学特性や高度に制御された三次構造から新たな物質系として期待される。本研究では、チオフェン環を含むらせん型芳香族高分子「ポリチアヘテロヘリセン」を設計・合成した。さらにらせんの巻き性の新たな制御法を見出し、またらせんに沿った電子伝導の生起をシミュレーションから理論予測した。
(1)ベンゾチオフェン型共役らせん高分子の合成とヘリシティの制御
Pd触媒を用いたカップリング反応によりキラルアルキルチオ置換ポリ(1,3-フェニレン)を合成、側鎖を酸化した。続いて、強酸中での分子内閉環を経て、ポリ(チアヘテロヘリセン)を構造欠陥なく得た。前駆未閉環体はクロロホルム/アセトニトリル(貧溶媒)混合溶液中では270-310nmの領域に3つのCotton効果を示し、そのCD強度は溶液塩度とともに著しく減少した。それに対し閉環重合体のCDはクロロホルム溶液中でも275-330nmに4つのCotta効果を示し、そのCDスペクトル・強度はともに溶媒、溶液温度に依存することなく一定であった。これより、得られたポリチアヘテロヘリセンが巻き性が制御されかつ剛直ならせん構造を有していることが明らかとなった。
(2)らせんに沿った電子伝導の理論予測
分子ソレノイドを見据えて、ポリチアヘテロヘリセンの電子伝導をシミュレーションから理論予測した。モデルとしてベンゾチオフェンが4つ縮合した分子を設定し、これを2つの金電極間に金-チオール結合で結合させたものに対して、電極間の電圧と電子透過度の関係を計算した。電圧-電子透過度の計算結果は金のフェルミ準位付近でのらせん鎖に沿った電子透過を示した。これは低い電圧下でもらせん鎖に電流が発生することを示唆しており、分子ソレノイド創出の確かな足掛かりとなった。

Research Products

• [Publications] K.Tagami, 他4名: "Electronic Transport of Benzothiophene-based Chiral Molecular Solenoids Studied by Theoretical Simulations"J.Chem.Phys.. 119. 7491-7497 (2003)
• [Publications] K.Oyaizu, 他3名: "Linear Ladder-Type -Conjugated Polymers Composed of Fused Thiophene Ring Systems"Macromolecules. 37. 1257-1270 (2004)