東工大ら,理論計算で凝集誘起発光色素を開発

東京工業大学,京都大学,九州大学,大阪大学,仏ナント大学の研究グループは,化学反応の経路を予測する理論計算の方法を用いて,凝集誘起発光色素(AIE色素)を設計・合成することで,溶液中では消光し,固体状態で100%に近い発光量子収率を示す色素の開発に成功した(ニュースリリース)。

溶液中で消光し,固体状態で強く発光する凝集誘起発光(AIE)色素は,分子イメージングや固体発光材料への多彩な応用への期待から,その分子設計法の確立が求められてきた。その中でも理論計算を用いる方法は,もっとも簡便かつ迅速だが,実在系で計算から合成・物性検討まで行なった例はほとんど知られていなかった。

研究グループは,光を照射すると二重結合のまわりで大きな構造変化を起こすことが知られているスチルベン類に注目し,二重結合のまわりを炭化水素鎖で縛った「橋かけスチルベン」をモデルとした。

橋かけしていないフェニルスチルベンは,溶液中でも固体中でも強く発光する。この分子骨格をAIE色素にするには,励起された分子が溶液中で失活する(蛍光を放射せずに基底状態に戻る)ようにしなければならない。

この橋かけスチルベンについて,量子化学をベースに化学反応の経路を計算する方法により,ポテンシャルエネルギー曲面を算出した。その曲面の中で,円錐交差(CI)と呼ばれるポテンシャル面の交差点の近くでは失活が起こりやすく,消光の原因となる。

そこで,橋かけ部位の長さを変えたスチルベン誘導体について,励起状態の溶液中での性質を計算したところ,橋かけ部位が5および6員環構造の場合(二重結合を強く縛った場合)には,CIが高いため,化学反応は蛍光発光する経路を通るのに対し,7員環構造の場合(二重結合をゆるやかに縛った場合)にはCIが低いため,化学反応の経路がCI付近を経由することから(その付近にねじれた構造の中間体が観察される)分子が失活し,蛍光を放射しないことが予測された。

実際にそれぞれの構造の分子を合成し,光物理的性質を検討したところ,7員環化合物(n=7)のみが,AIE特性を示した。またエネルギーダイヤグラムの各状態と,分子分光法から得られたデータがよく一致したことから,理論計算による光物理過程の予測精度が高いことがわかった。

さらに,橋かけスチルベン(n=7)は,その量子収率が溶液中で0.4%,固体状態で95%以上と,発光のオン・オフをほぼ完璧に行なうことができ,サイズが小さく分析対象の形状や物性に大きな影響を与えない非侵襲性がある。

今回用いた設計手法は,AIE色素だけでなく,様々な発光材料の設計や光物理過程の予測・解析に役立つとしている。

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