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光共振ミラーにより化学反応を制御する新技術を開発~機能性材料等の合成プロセスへの展開に期待~(電子科学研究所 准教授 平井健二)

2020年1月27日
北海道大学
科学技術振興機構

ポイント

●光共振器の向かい合ったミラーの距離を調整するだけで官能基の反応を制御。
●保護基を用いずに選択的に反応を制御。
●機能性材料や医薬品などの合成プロセスへの展開に期待。

概要

北海道大学電子科学研究所の平井健二准教授(科学技術振興機構(JST)さきがけ研究者),雲林院宏教授,メルボルン大学化学科のジェームズ・ハチソン研究員らの研究グループは,光共振器の中で分子の振動状態を変えることで,化学反応をコントロールする方法を開発しました。

2枚の反射ミラーが向かい合った光共振器の中では,ミラー間の距離に応じて,特定の波長の光が安定に存在できます。この光のエネルギーと分子振動のエネルギーが等しくなると,共振器と分子振動が光を介して強く相互作用します。この時,共振器中の場と分子振動が混成した状態(振動ポラリトン)を形成します。この量子的現象は以前から知られていましたが,分子化学との接点はほとんどなく,化学反応への影響は未解明の領域でした。

本研究では,光共振器の中で有機反応の反応速度が変化することを実証しました。光共振器の中ではカルボニル基の伸縮振動と共振器が強く相互作用し,振動ポラリトンのエネルギー準位の分裂(ラビ分裂)を観測しました。この状態では,カルボニル基の反応性が低下しており,反応速度が大きく減速することがわかりました。この方法では,ミラー間の距離を調整するだけで,狙った反応部位が反応できなくなるため,保護剤を必要としない選択的化学反応に応用できる可能性があります。今後,新たな化学反応の操作方法として,機能性材料や医薬品などの合成プロセスへの展開が期待されます。

本研究成果は,2020年1月22日(水)公開のドイツ化学会誌Angewandte Chemie International Edition誌に掲載(オンライン公開)されました。また,本論文は公表雑誌の”Very Important Paper(VIP)”に選定されました。VIPは重要度が上位5%以内と評価された論文です。

なお,本研究は,JST戦略的創造研究推進事業さきがけ「電子やイオン等の能動的制御と反応」(研究総括:関根 泰)における「ラビ分裂による化学反応操作法の確立」(研究者:平井健二)(JPMJPR18TA),日本学術振興会科学研究費助成事業(18K19085)及びCore-to-Core Programによる支援を受けて行われました。

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