～圧力応答性材料開発に向けた新たな設計指針を提供～
先導物質化学研究所
福原 学 教授
ポイント
・わずかな水分子の存在と分子構造変化が鍵となり、圧力応答型の還元反応を初めて実現。
・対イオンの選択で還元反応のオン／オフ制御も可能なため、圧力応答性材料の開発に期待。
・圧力応答型現象の駆動メカニズムを分子レベルで解き明かす指針を提供。
概要
北海道大学大学院理学研究院の石垣侑祐准教授、同大学大学院総合化学院博⼠後期課程の菊池モト氏及び九州大学先導物質化学研究所の福原 学教授らの研究グループは、独自に開発したシクロファン＊1型のジカチオン＊2に対して、静水圧を作用させることでレドックス反応＊3が進行することを明らかにしました。
シクロファン型分子は、直鎖状分子ではもち得ない物性を示す可能性があることから、機能材料分野において盛んに研究対象とされてきました。例えば、近年大きな注目を集めているピラーアレーンもシクロファンの一種であり、分子認識やドラッグデリバリーシステムへの応用が期待されます。一方、非常に小さな電子のやり取りで駆動可能なレドックス反応は、生体内をはじめとする多様な場で重要な反応と考えられているものの、外部環境、特に圧力刺激によって制御することは困難でした。
研究グループは、カチオンユニットを環状に連結したシクロファン型ジカチオンをデザインしました。通常、正電荷同士は互いに反発するため積層させることは困難ですが、シクロファン型分子内にカチオンユニットを組み込むことで積層構造の形成が可能になります。この積層構造が鍵となり、含水溶媒中で加圧することで、一電子還元が進行することを発見しました。溶液中に存在するわずかな水分子がジカチオン近傍にたかること（溶媒和＊4）が重要であり、より親水性の高い対イオンが存在する場合は還元反応が進行しないことも明らかにしました。有機分子を用いた研究において、加圧により還元反応の進行が確認された例はこれまでになく、未解明のまま残されている圧力応答メカニズムの実証や新たな環境応答性材料の開発に繋がることが期待されます。
なお、本研究成果は、2025年7月18日（金）公開のMaterials Chemistry Frontiers誌にオンライン掲載されました。
用語解説
＊1 シクロファン … ベンゼンなどの芳香環の2か所以上が炭素などの鎖状構造によって環状に結びついた構造をもつ大環状分子のこと。代表的なものとしてピラーアレーンが挙げられる。
＊2 カチオン … 陽イオン（正の電荷を帯びたもの）のこと。二価陽イオンをジカチオンと呼ぶ。物質全体としては中性となる必要があるため、対イオン（アニオン＝陰イオン）が必ず存在する。
＊3 レドックス反応 … 酸化還元（Redox）反応のこと。ある分子から電子が放出されることを酸化（Oxidation）と呼び、ある分子が電子を受け取ることを還元（Reduction）と呼ぶ。
＊4 溶媒和 … 溶液中に存在する溶質分子に対し、それを溶かしている溶媒分子が近接し相互作用することで安定化すること。
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