研究成果

π拡張ヘリセン-らせん状ナノグラフェン分子の合成に成功


2018年03月19日


     松田建児 工学研究科教授、廣瀬崇至 同助教、中莖祐介 同修士課程学生、宮坂博 大阪大学教授、五月女光 同助教の研究グループは、π(パイ)拡張ヘリセン-らせん状ナノグラフェン分子の合成に世界で初めて成功しました。この分子は、分子スケールエレクトロニクスにおいてはインダクション(誘導)コイルとして、ナノメカニクスにおいてはスプリング(ばね)として働くことが期待されるものです。

     本研究成果は、2018年3月19日午後1時にアメリカ化学会が発行する学術誌「Journal of the American Chemical Society」オンライン版に公開されました。

    研究者からのコメント

    左から、松田教授、廣瀬助教、中莖修士課程学生

     本研究で世界で初めて合成されたらせん状ナノグラフェンは、分子全体に広がったフロンティア軌道がらせん形状を持つことから、これまでにない有機分子材料として極めて興味深いものです。この分子は、4年にわたる非常に多くの試行錯誤の結果合成に成功したものであり、私たちの研究室の汗と涙の結晶です。本研究を契機としてらせん状グラフェンの研究が本格的に始まり、新しい物性が次々見つかってくれると、これ以上ない喜びです。

    概要

     グラフェンは、原子レベルの薄さのシート状の物質で、ベンゼン環がつながった蜂の巣状六角形格子構造を持ち、優れた電荷および熱伝導特性を示します。その部分構造である多環芳香族炭化水素は、ナノグラフェンと呼ばれ、バンドギャップ(結晶中の電子が存在し得ない禁制帯のエネルギー幅)を制御した半導体材料や、可視および近赤外光に応答する光機能材料として用いられており、その合成法、計算科学を用いた分子設計、固体状態での分子の配列などが近年盛んに研究されています。

     一方で、グラフェンをらせん状にねじったらせん状グラフェンは、ヘリコイドと呼ばれるらせん面構造を有することにより、電磁誘導により起電力を発生させるインダクションコイルとしての電気的特性、分子スケールのスプリングとしての機械的特性が期待されている物質ですが、合成されたことはなく理論上のものでした。

     ベンゼン環を二つの置換基が隣り合うオルトの位置で縮環してできる、らせん構造を持つヘリセン分子は、ある3次元構造がその鏡像と重ね合わせることができない性質を分子が持つことによって現れるキラル光学特性が盛んに研究されてきた、光学活性な化合物です。しかし、そのπ共役系はらせん軸に対して垂直方向には広がっておらず、らせん面構造を持つらせん状グラフェンのモデル化合物として適したものではないため、らせん状グラフェンのモデル化合物はこれまで合成されていませんでした。

     本研究グループは、[7]ヘリセン分子の6か所のペリ位にベンゼン環を縮環し、ヘリセンのらせん軸に対して垂直方向にπ共役系を拡張した分子「ヘキサ-ペリ-ヘキサベンゾ[7]ヘリセン」の合成に成功しました。この合成は、マクマリーカップリング、光環化脱水素化反応、脱水素芳香族化反応を鍵反応とし、α-テトラロンを出発原料として9段階で行ったものです。この分子は、今まで合成されていなかったらせん状グラフェンのモデル化合物であり、「らせん状ナノグラフェン」と呼ぶべき分子です。

    図:らせん状グラフェンの構造。今回合成したらせん状ナノグラフェンを太線(赤)で表している。

    詳しい研究内容について

    書誌情報

    【DOI】 https://doi.org/10.1021/jacs.7b13412

    Yusuke Nakakuki, Takashi Hirose, Hikaru Sotome, Hiroshi Miyasaka, and Kenji Matsuda (2018). Hexa-peri-hexabenzo[7]helicene: Homogeneously π-Extended Helicene as a Primary Substructure of Helically Twisted Chiral Graphenes. Journal of the American Chemical Society.

    • 日刊工業新聞(3月20日 25面)に掲載されました。

    π拡張ヘリセン-らせん状ナノグラフェン分子の合成に成功
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