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光/熱で完全制御が可能な分子スイッチの創出に成功~酸化特性を巧みに制御し,新たな刺激応答性材料の開発に期待~(理学研究院 助教 石垣侑祐,教授 鈴木孝紀)

2019年11月8日

ポイント

●光/熱により可逆な構造変化を実現し,酸化特性の完全なオン/オフ制御に世界で初めて成功。
●二つの異性体が混合した状態であっても,一方の異性体を選択的に酸化可能なことも実証。
●市販の化合物からわずか三工程で合成可能であり,新たな材料開発の進展に期待。

概要

北海道大学大学院理学研究院の石垣侑祐助教,鈴木孝紀教授及び林 裕貴氏の研究グループは,光/熱で酸化特性の完全制御が可能な分子スイッチの創出に世界で初めて成功しました。

研究グループは,かさの大きな置換基が複数置換することで,折れ曲がり構造をとる分子を新たに設計しました。設計した炭化水素は,歪んだ七員環構造を含むことで上下の骨格が外側を向いたアンチ,アンチ(AA)型と一方の骨格が内側を向いたシン,アンチ(SA)型の両方が安定に存在するようにデザインされています。両者は安定な異性体としてそれぞれ合成され,光によってAA体からSA体へ,熱によってSA体からAA体へと,完全に相互変換可能なことを見出しました。

詳細な調査の結果,AA体よりもSA体の方が酸化されやすいことが明らかとなりました。これにより,光により構造が変化した分子(SA体)のみを酸化してジカチオン型色素へと導くことが可能となり,前例のない高度な制御性を実現しました。さらに,AA体とSA体が混合物として存在した場合でも,SA体のみをジカチオン型色素へと酸化し,AA体をそのまま回収することが可能です。

今回設計した分子は,炭素と水素のみから成る極めてシンプルな骨格で実現されており,酸素などを含む官能基を導入することによって,酸化還元電位や色調を自在に調節できると考えられます。光により酸化特性"オン"へ,そして熱により酸化特性"オフ"へ可逆的にスイッチ可能な,新規材料への応用が期待されます。

本研究は,日本学術振興会科学研究費補助金・若手研究(JP19K15528),戸部眞紀財団研究助成,笹川科学研究助成(研究代表者:石垣侑祐)の一環として行われ,化学系トップジャーナルの一つであるJournal of the American Chemical Society誌(米国化学会)で2019年11月1日(金)に公開されました。

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光/熱による酸化還元特性スイッチングのイメージ図
(右図:光⇒太陽,熱⇒火山,酸化還元⇒雷)