2024年度 個人特別研究費 研究成果報告(森崎泰弘・生命環境学部教授)
Report of Individual Special Research Subsidy in 2024
2025.05.07
個人研究 Individual Research
研究課題:光学活性面性不斉分子の結晶工学への応用展開:新規X字型分子の合成と結晶化
森崎泰弘・生命環境学部教授
① 研究の背景と目的
面性不斉は芳香環の表裏の区別ができる不斉中心を持たないキラリティであり、代表的な面性不斉分子として多置換[2.2]パラシクロファン分子がある。研究代表者はこれまでに、6種類の二または四置換[2.2]パラシクロファン異性体の新規光学分割法を開発し、これらを鍵骨格とするキラルな面性不斉分子を合成してきた。その中で、面性不斉分子がキラルな発光である円偏光発光特性を発現することを初めて報告した。高輝度と高異方性(左と右巻円偏光発光強度の差が大きい)を両立する優れた円偏光発光体である。
研究代表者が最近合成した四置換[2.2]パラシクロファンからなるキラルなX字型分子を適切な条件下で結晶化させると、キラリティを認識して形状とサイズが揃ったお椀型のマイクロ単結晶が得られ、この結晶が実際に液体を保持するマイクロサイズの器として使用できることを見出し、2022年にScience誌に報告した。この単結晶は雪やビスマスの結晶に観られる凹多面体からなる結晶、すなわち骸晶に分類される結晶であり、骸晶形成を精密制御した世界で初めての例である。本研究では、X字型分子に電子求引性置換基(トリフルオロメチル基・シアノ基・ニトロ基)を導入し、得られたX字型分子の光学特性ならびに結晶化挙動を調査することを目的として検討を行った。
② 結果
4,7,12,15-テトラブロモ[2.2]パラシクロファンの一つのブロモ基をヒドロキシ基に変換し、キラル補助基を付与することでジアステレオマーの分割を行った。その後、キラル補助基を除去して光学的に純粋なエナンチオマーを単離し、パラジウム錯体を触媒とするクロスカップリング反応により、3種類のX字型分子の合成に成功した。すなわち、トリフルオロメチル基、シアノ基、ニトロ基を有する分子を合成した。トリフルオロメチル基とシアノ基を有するX字型分子は高効率で蛍光発光し、かつ高い異方性で円偏光発光することが明らかになった。ニトロ基を有するX字型分子はほとんど蛍光発光を示さなかった。
3種類のX字型分子からはいずれも単結晶が得られ、X線結晶構造解析により分子構造を確認することができた。特にトリフルオロメチル基を有するX字型分子は、以前報告したお椀型骸晶を形成したX字型分子と同じ空間群の単結晶であることがわかった。この分子を石英基板上で飽和エタノール溶液から結晶化を試みたところ、マイクロメートルサイズの骸晶と考えられる凹六面体のお椀型結晶が形成していることがわかった。
③ 結論
以上本研究では電子求引性基を有する3種類のX字型分子の合成と光学特性解明に成功した。それらの結晶化を試み、官能基の一つを変えてもお椀型骸晶が得られることが明らかになった。トリフルオロメチル基を有するX字型分子は基盤となるX字型分子と発光色が異なるため、作成したお椀型骸晶にトリフルオロメチル基を有するX字型分子をさらに結晶化させ、骸晶を二層や多層にすることでエネルギー移動による発光挙動を観察する他、発光を示さないニトロ基を有するX字型分子との共結晶を試みたい。また、骸晶形成の要因を探るべく、今後は電子供与性基を導入したX字型分子の合成と結晶化も試みる予定である。
森崎泰弘・生命環境学部教授
① 研究の背景と目的
面性不斉は芳香環の表裏の区別ができる不斉中心を持たないキラリティであり、代表的な面性不斉分子として多置換[2.2]パラシクロファン分子がある。研究代表者はこれまでに、6種類の二または四置換[2.2]パラシクロファン異性体の新規光学分割法を開発し、これらを鍵骨格とするキラルな面性不斉分子を合成してきた。その中で、面性不斉分子がキラルな発光である円偏光発光特性を発現することを初めて報告した。高輝度と高異方性(左と右巻円偏光発光強度の差が大きい)を両立する優れた円偏光発光体である。
研究代表者が最近合成した四置換[2.2]パラシクロファンからなるキラルなX字型分子を適切な条件下で結晶化させると、キラリティを認識して形状とサイズが揃ったお椀型のマイクロ単結晶が得られ、この結晶が実際に液体を保持するマイクロサイズの器として使用できることを見出し、2022年にScience誌に報告した。この単結晶は雪やビスマスの結晶に観られる凹多面体からなる結晶、すなわち骸晶に分類される結晶であり、骸晶形成を精密制御した世界で初めての例である。本研究では、X字型分子に電子求引性置換基(トリフルオロメチル基・シアノ基・ニトロ基)を導入し、得られたX字型分子の光学特性ならびに結晶化挙動を調査することを目的として検討を行った。
② 結果
4,7,12,15-テトラブロモ[2.2]パラシクロファンの一つのブロモ基をヒドロキシ基に変換し、キラル補助基を付与することでジアステレオマーの分割を行った。その後、キラル補助基を除去して光学的に純粋なエナンチオマーを単離し、パラジウム錯体を触媒とするクロスカップリング反応により、3種類のX字型分子の合成に成功した。すなわち、トリフルオロメチル基、シアノ基、ニトロ基を有する分子を合成した。トリフルオロメチル基とシアノ基を有するX字型分子は高効率で蛍光発光し、かつ高い異方性で円偏光発光することが明らかになった。ニトロ基を有するX字型分子はほとんど蛍光発光を示さなかった。
3種類のX字型分子からはいずれも単結晶が得られ、X線結晶構造解析により分子構造を確認することができた。特にトリフルオロメチル基を有するX字型分子は、以前報告したお椀型骸晶を形成したX字型分子と同じ空間群の単結晶であることがわかった。この分子を石英基板上で飽和エタノール溶液から結晶化を試みたところ、マイクロメートルサイズの骸晶と考えられる凹六面体のお椀型結晶が形成していることがわかった。
③ 結論
以上本研究では電子求引性基を有する3種類のX字型分子の合成と光学特性解明に成功した。それらの結晶化を試み、官能基の一つを変えてもお椀型骸晶が得られることが明らかになった。トリフルオロメチル基を有するX字型分子は基盤となるX字型分子と発光色が異なるため、作成したお椀型骸晶にトリフルオロメチル基を有するX字型分子をさらに結晶化させ、骸晶を二層や多層にすることでエネルギー移動による発光挙動を観察する他、発光を示さないニトロ基を有するX字型分子との共結晶を試みたい。また、骸晶形成の要因を探るべく、今後は電子供与性基を導入したX字型分子の合成と結晶化も試みる予定である。
Introduction
Planar chirality is a chirality without chiral centers that can distinguish the two sides of an aromatic ring, and a typical planar chiral molecule is the polysubstituted [2.2]paracyclophane compound. We have developed novel optical resolution methods for six kinds of di- and tetra-substituted [2.2]paracyclophane isomers and synthesized planar chiral molecules using these isomers as key building units. In addition, we reported that the planar chiral molecules exhibit circularly polarized luminescence (CPL), which is chiral luminescence. These are excellent CPL-emitting materials with both high brightness and high anisotropy.
We have recently synthesized a chiral X-shaped molecule consisting of tetrasubstituted [2.2]paracyclophane. When it was crystallized under appropriate conditions, bowl-shaped single crystals with uniform shape and size was formed, which can actually be used as micro-sized vessels to hold liquids; we reported it in Science in 2022. These single crystals are classified as skeletal crystals, which consist of concave polyhedral as can be seen in snow and Bi crystals. In this study, electron-withdrawing substituents (trifluoromethyl, cyano, and nitro groups) were introduced into the X-shaped molecule to investigate their optical properties and crystallization behaviors.
Results
The diastereomers were separated by converting one bromo group of 4,7,12,15-tetrabromo[2.2]paracyclophane to a hydroxy group to give a chiral auxiliary group. The chiral auxiliary was then removed to isolate the optically pure enantiomer, and three types of X-shaped molecules were successfully synthesized by cross-coupling reactions catalyzed by a palladium complex. Namely, molecules with trifluoromethyl, cyano, and nitro groups were synthesized. The X-shaped molecules with trifluoromethyl and cyano groups emit fluorescence with high efficiency and CPL with high anisotropy. The X-shaped molecule with a nitro group showed almost no fluorescence emission.
Single crystals were obtained from all three X-shaped molecules, and the molecular structures were confirmed by X-ray crystallography. In particular, the X-shaped molecule with a trifluoromethyl group was found to be a single crystal of the same space group as the X-shaped molecule that formed the bowl-shaped skeletal crystal reported previously. We attempted to crystallize this molecule from saturated ethanol solution on a quartz plate and found that it formed a concave hexahedral bowl-shaped crystal, which is considered to be a micrometer-sized skeletal crystal.
Conclusion
In summary, we succeeded in synthesizing three types of X-shaped molecules with electron-withdrawing groups and elucidating their optical properties. We attempted to crystallize them and found that bowl-shaped skeleton crystals could be obtained by changing one of the functional groups. The X-shaped molecule with a trifluoromethyl group has a different luminescence color from the base X-shaped molecule; therefore, we crystallized the X-shaped molecule with a trifluoromethyl group in the bowl-shaped skeleton to make two or more layers of the skeleton, and observed its luminescence behaviors such as energy transfer. We would also like to try co-crystallization with X-shaped molecules having nitro groups that do not emit luminescence. We also plan to synthesize and crystallize X-shaped molecules with electron-donating groups in order to investigate the key factors that lead to the formation of skeletal crystals.
Planar chirality is a chirality without chiral centers that can distinguish the two sides of an aromatic ring, and a typical planar chiral molecule is the polysubstituted [2.2]paracyclophane compound. We have developed novel optical resolution methods for six kinds of di- and tetra-substituted [2.2]paracyclophane isomers and synthesized planar chiral molecules using these isomers as key building units. In addition, we reported that the planar chiral molecules exhibit circularly polarized luminescence (CPL), which is chiral luminescence. These are excellent CPL-emitting materials with both high brightness and high anisotropy.
We have recently synthesized a chiral X-shaped molecule consisting of tetrasubstituted [2.2]paracyclophane. When it was crystallized under appropriate conditions, bowl-shaped single crystals with uniform shape and size was formed, which can actually be used as micro-sized vessels to hold liquids; we reported it in Science in 2022. These single crystals are classified as skeletal crystals, which consist of concave polyhedral as can be seen in snow and Bi crystals. In this study, electron-withdrawing substituents (trifluoromethyl, cyano, and nitro groups) were introduced into the X-shaped molecule to investigate their optical properties and crystallization behaviors.
Results
The diastereomers were separated by converting one bromo group of 4,7,12,15-tetrabromo[2.2]paracyclophane to a hydroxy group to give a chiral auxiliary group. The chiral auxiliary was then removed to isolate the optically pure enantiomer, and three types of X-shaped molecules were successfully synthesized by cross-coupling reactions catalyzed by a palladium complex. Namely, molecules with trifluoromethyl, cyano, and nitro groups were synthesized. The X-shaped molecules with trifluoromethyl and cyano groups emit fluorescence with high efficiency and CPL with high anisotropy. The X-shaped molecule with a nitro group showed almost no fluorescence emission.
Single crystals were obtained from all three X-shaped molecules, and the molecular structures were confirmed by X-ray crystallography. In particular, the X-shaped molecule with a trifluoromethyl group was found to be a single crystal of the same space group as the X-shaped molecule that formed the bowl-shaped skeletal crystal reported previously. We attempted to crystallize this molecule from saturated ethanol solution on a quartz plate and found that it formed a concave hexahedral bowl-shaped crystal, which is considered to be a micrometer-sized skeletal crystal.
Conclusion
In summary, we succeeded in synthesizing three types of X-shaped molecules with electron-withdrawing groups and elucidating their optical properties. We attempted to crystallize them and found that bowl-shaped skeleton crystals could be obtained by changing one of the functional groups. The X-shaped molecule with a trifluoromethyl group has a different luminescence color from the base X-shaped molecule; therefore, we crystallized the X-shaped molecule with a trifluoromethyl group in the bowl-shaped skeleton to make two or more layers of the skeleton, and observed its luminescence behaviors such as energy transfer. We would also like to try co-crystallization with X-shaped molecules having nitro groups that do not emit luminescence. We also plan to synthesize and crystallize X-shaped molecules with electron-donating groups in order to investigate the key factors that lead to the formation of skeletal crystals.
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