新潟大ら,可視光を吸収する新規有機分子触媒を開発

新潟大学と東京大学は,電子ドナー・アクセプター連結構造を有する新しい有機分子を設計・合成し,分光学的測定と理論計算結果から光励起により長寿命電荷シフト状態を生成し,有機物質の還元的変換を可能にする光触媒として機能することを明らかにした(ニュースリリース)。

可視光を吸収し電⼦移動を引き起こす⾦属錯体を光酸化還元(レドックス)触媒として⽤いる光レドックス触媒法を,グリーン・サステイナブルケミストリーにより合致した⼿法に改善するために,希少⾼価で残留懸念のある遷移⾦属を含まない有機分⼦光触媒の開発が⼤きな注⽬を集めている。

新潟大学は,酸化還元補酵素(NADH/NAD+)の⼈⼯類縁体であるベンズイミダゾリン(BIH–R)/ベンズイミダゾリウム(BI+–R)のレドックス特性に着⽬し,BIH–Rの光反応研究を開拓した。その後,BIH–Rは国内外の研究者によって幅広い分野(⼆酸化炭素還元,⽔素発⽣,太陽電池,有機半導体,亜硫酸ガス変換,有機合成など)へ応⽤された。

さらに,ほぼ未開拓のBI+–Rの研究にも着⼿して新しい有機光レドックス触媒の開発にも成功し,その拡張発展の取組が今回の成果に繋がった。

これを踏まえて,研究ではBIH–R/BI+–Rレドックス対の特⾊を⽣かした分⼦設計により,新しい光触媒分⼦の創製を⽬指した。光触媒分⼦の性質には,発⽣する触媒活性種が⻑寿命かつ⾼いレドックス能を有することが期待された。

そこで,トリアリールアミン(TA)を電⼦ドナー(D)部位,BI+をアクセプター(A)部位とするD–A連結構造を有する新分⼦(BI+–TA)を設計・合成し,吸収・発光スペクトルと密度汎関数理論(DFT)計算,および過渡吸収スペクトル測定を⾏なった。

その結果,光励起によりTA部位からBI+部位への分⼦内電⼦移動を経て⽣成する電荷シフト状態を観測した。そして,同分⼦の光触媒作⽤の検証のために選定した有機物質の還元反応に適⽤して,その有効性を確認した。

研究グループはこの研究について,⾷料やエネルギー問題の解決に繋がる⼈⼯的な光合成(⼆酸化炭素還元による有機物合成や⽔からの⽔素製造)への応⽤が期待されるものだとしている。

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