Research

典型元素を活用する機能分子の創製研究

炭素と水素を主要構成元素とする有機化合物の機能性は、多くの場合、C,H以外のヘテロ元素が存在することによって発現します。私達は、高周期典型元素(P, Si, Sなど)、フッ素、およびホウ素といった様々な元素の特性を活かしてユニークな有機化合物を合成し、低電圧駆動有機半導体、蛍光発光体、センシング材料、均一系錯体触媒(Au, Pdなど)などの機能性物質の開発研究を行っています。

有機合成化学と素粒子科学の融合

ミュオンとは、スピン量子数I=1/2で、陽子の9分の1の質量をもつ素粒子です。私達は、サイクロトロンやシンクトロンといった加速器で生成されるスピン偏極ほぼ100%のミュオンを利用する分光学手法を活用し、これに有機合成化学を組みあわせることで、通常の化学的手法では見出すことが難しいラジカル反応を同定し、その知見をもとに機能性有機ラジカル等を新たにつくり出す研究を行っています。

特異なホスフィン配位子の開発と触媒化学への応用

有機合成で用いられる金属錯体触媒の配位子として3価3配位のホスフィンが通常用いられます。これに対して私達は、P=C分子骨格を有する化合物(ホスファアルケン)を用い、そのキャラクターを活かして新しい錯体触媒をつくり出す研究を進めています。
ホスファアルケン誘導体の代表的な特徴は、低いLUMOエネルギー準位に由来する強いπ受容性にあります。私達は、P=Cユニットの集積化や、フッ素・硫黄置換基などを導入することによって、ホスファアルケン配位子を種々合成し、それらの分子構造や物性解析を進めながら、強いπ受容性に由来するユニークな高活性・高選択性触媒的分子変換反応の開発へと展開しています。

シングレットビラジカルの化学

分子の最高占有軌道(HOMO)と最低非占有軌道(LUMO)のエネルギー準位が接近している場合、通常はHOMOのみに収容される2つの電子がHOMOとLUMO双方に(ある比率で)スピン反平行に配置される状態(開殻一重項状態)が存在するとされています。この、非常に特異な電子状態である一重項ビラジカル化合物を用いることで、全く新しい機能性物質を開発できると期待されます。
「一重項ビラジカル」は通常不安定ですが、ヘテロ元素を含む分子ユニットを導入することによって大気中で安定な一重項ビラジカルを合成することができます。私達はこれまでに、リンと炭素から構成される安定な一重項ビラジカル構造を極めて安定な状態にできる分子設計を確立しています。それをもとにして、高い電子供与性に由来する特徴的な静電的相互作用を見出し、続いて小省電力有機半導体として期待できるトランジスタ特性を明らかにしています。また、フッ化水素のセンシングにも活用できることも見出しています。

ミュオンスピン分光法を利用する有機ラジカルの創成

ミュオン(µ)はスピン1/2の素粒子で、高エネルギー加速器によって発生させた陽子ビームを炭素やベリリウムといったターゲット元素に衝突させることで得られます。このミュオンを絶縁体や半導体物質に打ち込むと、運動エネルギーを失いながらミュオンと電子との束縛状態である水素原子状のミュオニウム(Mu = µ+e)に変化し、効率よくラジカル付加反応を追跡することができるようになります。最近私達は、上記の一重項ビラジカルにミュオニウムが付加して特徴的なラジカルが生成することを観測しています。

NMR量子コンピューター

量子コンピューターは、「量子重ね合わせ状態」を情報単位とするコンピューター形式で、これまでのコンピューターでは困難である大規模並列演算を可能とする、代表的な次世代科学技術として期待されています。量子コンピューターの実用化に有力なアプローチの一つとされるのがNMR(核磁気共鳴)を利用する手法で、このために重要となるのが「量子ビット」として機能する化合物です。我々は、これまで合成を検討してきた特異リン化合物が31P核(I = 1/2)を用いる量子情報処理用の量子ビット分子として有用であると考え、19F核等も組みあわせてビット数を増加させた分子のデザインと合成を試みています。