東大,三次元ナノ構造体の新設計法を発見

東京大学は,モリブデン酸化物クラスターと有機分子を用いた「三次元ナノ構造体」の新設計法を発見した(ニュースリリース)。

化学工業プロセスにおいて,目的製品を選択的・効率的に合成するためには,反応に合わせた触媒設計が必要で,そのための触媒調製技術を確立することは重要な課題の1つ。モリブデン酸化物クラスターは,水素イオンや電子の受け渡しにおける独特な性質を生かして,工業合成化学における重要な触媒材料になっている。

特に,安定構造から一部のモリブデン原子が欠損した欠損型モリブデン酸化物クラスターは,モリブデン原子が欠損した部位に他の金属を導入することで,さらに高効率・高選択的な物質変換が可能な触媒や,センサー,電池材料などの機能性材料を開発できると期待されている。しかし,モリブデン酸化物クラスターの安定性が低く,狙い通りの金属配列の実現や,有機分子との複合化によるナノ材料の設計は困難であり,有効な解決策が求められていた。

今回の研究では,世界で初めてモリブデン酸化物クラスターと有機分子を用いた「三次元ナノ構造体」の新設計法を見いだした。欠損型モリブデン酸化物クラスターは,溶液中で速やかに構造が変化し,取り扱いが難しいことが課題だったが,ピリジンを用いた構造制御により安定性が飛躍的に向上した。

単結晶X線構造解析により,ピリジンの窒素原子がモリブデン酸化物クラスターの反応性が高い部位に結合して保護基として機能し,不要な構造変化を抑制できることがわかった。

溶液中では,このモリブデン酸化物クラスターとピリジンの結合・脱離を容易に制御することができた。研究グループは,この手法を応用し,複数のピリジン構造を持つ有機分子に交換することで,複数のモリブデン酸化物クラスターと有機分子が無機-有機 三次元ナノ構造体に組み上がることを見いだした。

これらの三次元ナノ構造体は,溶液中,大気中においてその構造が安定に保たれる。特に,4つのモリブデン酸化物クラスターと2つのポルフィリンが組み合わされた構造体は,2つのポルフィリンの間にさまざまな有機分子を1分子だけ取り込むことができるナノ空隙があることがわかったという。

研究グループは,今後,この新規三次元ナノ構造体を利用した化学反応の能動的制御により,高付加価値な化学品の効率的合成や,センサー,電池材料などへの応用が可能になるとしている。

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