東工大,らせん径の大きい拡張ヘリセン分子を合成

東京工業大学は,複数のベンゼン環がらせん形に連結するヘリセン分子のらせん径を拡張することで,独自の性質を持つ新しい拡張ヘリセン分子の合成に成功した(ニュースリリース)。

複数のベンゼン環がらせん形に連結されたヘリセンは,その特徴的な構造で注目されている多環式芳香族炭化水素(PAH)の一つ。らせん形にねじれることでキラル光学特性を持ち,その関連化合物の合成が盛んに進められている。しかし,ヘリセンのらせん径を拡大した拡張ヘリセンの合成例は少なく,特にらせんの巻き数が1を大きく超えるものは報告例がなかった。

研究グループは,ヘリセンに対してらせんの巻く方向にベンゼン環を規則的に挿入することで,大きならせん径を持つ新規拡張ヘリセンを設計し,らせん形縮合アントラセン([n]HA)と命名し(nは縮合するアントラセンの数),入手が容易なアントラセン誘導体を出発原料とし,アントラセンが最大5枚まで縮合した一連のらせん形縮合アントラセン([2]HAから[5]HA)を合成することに成功した。

3次元構造を解析したところ,アントラセンが4枚以上の[4]HAと[5]HAは,らせんの巻き数が1を超える明確ならせん形であり,計算から見積もった[5]HAの巻き数は約1.5と,既存の拡張ヘリセン分子の中では最も多いこと,アントラセン環同士が広い面で接触していることがわかった。さらに,芳香環の間で弱い相互作用の存在も示唆された。

また,[2]HAから[5]HAまでらせん構造が伸びていくにつれて,光の吸収や発光の色調が段階的に変化することが分かった。特に,巻き数が1を超える [4]HAと[5]HAになると,[3]HAまでには見られない幅広かつ長波長シフトした発光を示した。[4]HAと[5]HAは重なり合ったアントラセン環同士の相互作用により励起状態が安定化されるため,独特な発光現象を発現することが分かった。これは,巻き数が1を超えるらせん分子独自の性質と考えられるという。

さらに,同程度の巻き数を持つヘリセンと比べてらせん反転が容易になることが分かり,らせん径を拡大することで,より柔軟ならせん分子を作ることができるという知見を得た。

これらの知見は,3Dディスプレーやホログラムといった新しい映像媒体の素子の開発に応用される。さらに,炭化水素からなる新しい分子ばねの設計にもつながると期待されるという。研究グループは現在,さらに構造が拡張されたヘリセンや、よりらせんねじれの大きい構造を持つ拡張ヘリセン分子の合成を進めている。

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