ナノグラフェンをジッパーのようにきれいに作ることに成功

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~ベンゼン環を精密につなぎ合わせる新しい触媒反応~

平成30年1月26日 科学技術振興機構(JST) 名古屋大学

ポイント

  • ベンゼン環をジッパーでつなぐようなナノグラフェンの効率的な合成法を開発した。
  • 新触媒反応でジッパーの留め具部分(起点)となる環構造の構築を実現した。
  • 単一構造のナノグラフェンの短工程合成の実現や新しい機能性材料の開発に道を拓くなど、ナノカーボン科学への応用が期待される。

JST 戦略的創造研究推進事業において、ERATO 伊丹分子ナノカーボンプロジェクトの伊丹 健一郎 研究総括(名古屋大学 トランスフォーマティブ生命分子研究所(WPI-ITbM) 拠点長/教授)、村上 慧 連携研究者(名古屋大学 トランスフォーマティブ生命分子研究所 特任准教授)、古賀 義人 大学院生(名古屋大学 大学院理学研究科)らは、まるでジッパーのようにベンゼン環をつなぐ新戦略によって、グラフェンの部分構造であるナノグラフェンの精密かつ簡便な合成法を開発しました。

炭素原子だけでできたシート状の物質であるナノグラフェンは、ベンゼン環が多数連結した構造をしています。優れた電気的性質を示すため、多くの電子機器に応用されるなど、次世代材料として注目されています。しかし、ベンゼン環を自在につなぎ合わせることは容易ではなく、構造が精密に制御されたナノグラフェンの合成は困難でした。

本手法の鍵は、ジッパーの留め具部分となる環構造(トリフェニレン注1)構造)の構築を可能にするパラジウム触媒を用いた新反応です。初めに直線ワイヤーのようにベンゼン環が連結した分子であるフェニレン注2)同士をパラジウム触媒で環構造を作りながらつなぎ、剛直なトリフェニレン構造へと導きます。続く反応によって、ジッパーを閉じるように、フェニレンのベンゼン環がつなぎ合わさり、ナノグラフェンへ効率的に変換できます。

本研究成果は、単一構造のナノグラフェンの短工程合成の実現や新しい機能性材料の開発に道を拓く画期的な成果です。

本研究成果は、2018年1月25日(米国東部時間)に米国科学誌「Science」のオンライン速報版で公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究(ERATO)

研究プロジェクト「伊丹分子ナノカーボンプロジェクト」
研究総括伊丹 健一郎(名古屋大学 大学院理学研究科/トランスフォーマティブ生命分子研究所 拠点長/教授)
研究期間平成25年10月~平成31年3月

上記研究課題では、未踏・新奇なナノカーボンを構造的に純粋な分子として設計・合成するとともに、それらを基盤として圧倒的に優れた機能性材料を創成し、それらの応用展開まで図ることにより、「分子ナノカーボン科学」という新分野の確立と、イノベーションの創出を目指します。

<研究の背景と経緯>

ナノグラフェンはナノメートルサイズの幅や長さを持つグラフェンであり、基本単位であるベンゼン環が多数連結した構造を持つ分子群です(図1)。これらの分子群は、その大きさや末端の構造に由来した優れた電気的性質を示すため、多くの電子機器に応用されるなど、最も注目される次世代材料として広く研究されています。しかし、ナノグラフェンの精密合成法はまだ発展途上の段階にあり、真に効率的な合成法が強く求められています。例えば、分子の数やつながり方を完全に制御しながら、基本単位のベンゼン環を連結することができれば、理想的なナノグラフェンの精密合成が可能になります(図2上部)。しかし、ベンゼン環を自在につなぎ合わせることは容易ではなく、構造が精密に制御されたナノグラフェンを合成することは困難でした。もし、構造を制御しながら、単純なベンゼン誘導体からこれらの分子群を合成できれば、新しい機能性材料の開発に道を拓く革新的な手法となり得ます(図2下部)。

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