正方形分子を組み上げた3次元周期構造の合成に成功 ―微小結晶電子回折法(MicroED)によって精密な構造解析を実現―

2026-07-13 分子科学研究所

自然科学研究機構分子科学研究所の瀬川泰知准教授らは、剛直な正方形分子「テトラシクロペンタテトラフェニレン(TCTP)」を設計し、これを構成単位とする高結晶性の3次元共有結合性有機構造体(COF)「TCTP-COF」の合成に成功した。TCTPの高い剛直性と溶解性を活かした分子設計により、従来困難だった高品質な3次元COFを実現した。さらに、約100nmの微小結晶に対して微小結晶電子回折法(MicroED)を適用し、スピロボレート結合を有する3次元COFとして世界で初めて原子レベルでの構造決定を達成した。その結果、TCTP-COFは相互貫入のないnboトポロジーを有する立方晶構造であることを明らかにした。また、320℃以上の高い熱安定性、BET比表面積1360m²/gの高い多孔性、恒久的な細孔構造を示し、ガス吸着性能にも優れることを確認した。本成果は、MicroEDを活用した3次元COFの構造解析手法と、結晶性を高める分子設計指針を示すものであり、ガス分離、触媒、エネルギー貯蔵などの高機能多孔性材料の開発に貢献すると期待される。

正方形分子を組み上げた3次元周期構造の合成に成功 ―微小結晶電子回折法(MicroED)によって精密な構造解析を実現―
図1. 4回対称性ユニットからnboトポロジーの3次元周期構造が組み上がる概念図。Brain Flakes®を使用。

<関連情報>

nboトポロジーをもつ結晶性3D共有結合性有機構造体 Crystalline 3D covalent organic frameworks with nbo topology

Soshi Hirota, Haruki Sugiyama, Nao Hirata, Sachiko Nakano, […] , and Yasutomo Segawa
Science Advances  Published:10 Jul 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.aeg6230

Abstract

Three-dimensional covalent organic frameworks (3D COFs) are promising crystalline porous materials, but the elucidation of their structure remains challenging, particularly for those featuring spiroborate linkages. Herein, we report the synthesis of a 3D crystalline COF with nbo topology, constructed from a rigid square-planar monomer, tetracyclopentatetraphenylene (TCTP), and spiroborate linkages. Theoretical calculations revealed that the TCTP core has higher rigidity than phthalocyanine, effectively suppressing structural fluctuations during framework formation. The structure of the resulting TCTP-COF was successfully determined using microcrystal electron diffraction (MicroED), revealing a noninterpenetrated cubic framework. TCTP-COF exhibits high crystallinity, thermal stability up to 320°C, and permanent porosity with a Brunauer-Emmett-Teller surface area of 1360 square meters per gram. This work represents the structural determination of a spiroborate-linked 3D crystalline COF using MicroED methods, providing a design strategy for expanding the chemical space of highly ordered 3D COF architectures.

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