今回、研究チームはホウ素を組み込んだ炭素材料の安定化の画期的な手法として、ホウ素を炭素骨格に組み込んで平面構造に固定化するという考え方を提唱した(画像2)。そのモデル化合物として、平面型炭素骨格にホウ素を1つあるいは2つ組み込んだ化合物(画像2の化合物1および2)を設計、合成した形である。その合成方法は、ホウ素に結合する3つの「アリール基」(ベンゼンなど芳香族炭化水素の環に結合する水素が1個脱離して生じる基の一般名)の内の2つをあらかじめ平面構造に固定化し、残りの1つのアリール基を一気に環化し、3つのアリール基を平面構造へと固定化するというものだ(画像4)。新規還元反応が実現する平面固定ホウ素骨格の一挙構築。Sc(OTf)3:スカンジウムトリフラート実際に標的化合物を合成するには、複数の炭素-炭素結合をいかに効率よく一気に形成できるかが重要であり、用いる試薬の選択が成功の鍵だったのである。環化反応で用いられるさまざまな「ルイス酸」を用いて検討を重ねた結果、ほとんどの場合は、炭素-炭素結合が1カ所形成された段階で分解してしまっていた。「スカンジウムトリフラートSc(OTf)3」を用いた場合では、効率よく環化反応が進行して、目的の平面固定型ホウ素化合物を合成することに成功。実際に得られたホウ素化合物は、単結晶X線結晶構造解析により期待どおり完全な平面構造を持つことが確認された。おいても、極めて安定であることが明らかになり、「平面構造に固定化する」という概念が、立体的な保護がなくともホウ素材料の安定化に有効であることを実証した次第だ。電気化学測定の結果、今回合成した「平面型ジボラアントラセン誘導体」によって、ホウ素化合物が安定に電子を受け取ることができることも証明された。今回の研究で別途得られた重要な発見として、外部刺激に応答した「平面」-「ボウル」型の構造変化の実現が挙げられる(画像5)。安定である一方で、組み込まれたホウ素は依然ルイス酸としての性質を保持しており、フッ化物イオンやシアン化物イオンなど特定のイオン(ルイス塩基)と速やかに反応して、平面構造からボウル型(立体型)構造へと変化することも見出された。ホウ素ドープ炭素材料の平面-ボウル型構造変化。フッ化物イオンなど特定のイオン脱着に応答して、平面構造-ボウル型構造へと可逆的に変化が可能。新しい「ホスト-ゲスト科学」への展開が期待されるこの変化は可逆であり、ボウル化合物からフッ化物イオンなどを取る試薬を反応させれば、元の平面構造へと可逆的に変化させられる。特定のイオンの脱着(外部刺激)により、化合物の構造を自在に平面型、あるいは立体型に変化させることが可能であることが判明した(学術的には、ルイス酸-ルイス塩基の相互作用により、ホウ素の配位数変化を「平面」-「ボウル」型構造変化へとつなげた興味深い例と位置づけることが可能だ)。今回の研究は、優れた電子輸送性材料の開発のための有用なアプローチとして注目されている「ホウ素を組み込んだ有機材料開発」に対して、化合物の安定化の新概念を提案、実証したものである。今後は、今回の手法をグラフェンの部分構造や、フラーレン、カーボンナノチューブといった、より広い炭素骨格を用いた炭素材料へと展開することで、これらの電子構造の精密制御が可能になり、優れた電子輸送特性を示す材料開発への道が開けるものと予想されると、研究グループではコメント。将来的には、今回の研究で示したホウ素ドーピングという手法が有機材料開発の新潮流となり、従来の炭素材料の性能を凌駕する材料開発が進むことで、有機太陽電池の高効率化をはじめ、有機電界効果型トランジスタや有機EL素子などの有機エレクトロニクス材料の高性能化が実現されるものと大いに期待されるとした。ホウ素を含む平面型化合物が外部刺激によって構造を平面型-立体型の双方向に自在に変化させられる特性は、「特定イオンの検出」といった応用のほか、「負電荷を持つホスト材料として正電荷を持つゲスト分子を選択的に捕捉・放出できることを利用した、生体内で機能する新たなドラッグデリバリシステムの構築」など、創薬の分野にも貢献できるホスト-ゲスト科学(酵素のように特定の分子を選択的に認識し捕捉できる空間を持つ分子をホスト分子、そこに受け入れられる分子をゲスト分子といい、これらの相互作用の研究や分子認識能に関する科学)へと発展が可能だと、研究グループではコメントしている。※本記事は掲載時点の情報であり、最新のものとは異なる場合があります。Corporation。