私たちの研究室は、量子化学に基づく有機分子の設計、設計した分子の精密有機合成、そして合成した分子の物性や電子状態の解明に取り組んでいます。現在は特に有機ラジカルや有機色素に注目し、1) 新しい電子状態の有機ラジカルの創出と不対電子に由来する磁性・電気伝導性の解明、2) 近赤外領域に吸収を有する有機色素の創出と近赤外吸収の on–off 制御、に挑戦しています。すぐに社会実装できるような既存の技術を改善するのではなく、私たちが独自に設計して創り出した分子や概念から、将来の新しい技術が生まれ、世界が少しでも良くなることを願って研究に取り組んでいます。以下にこれまでの研究成果を紹介します。

　ジラジカルは、分子の中に2つの不対電子をもつ特殊な化学種であり、古くから研究されているにもかかわらず、まだ十分に理解されていない点が多く残されています。不対電子がどのように相互作用するかによって、電子スピンが反対向きに並ぶ、基底一重項と、同じ向きに並ぶ、基底三重項という異なる電子状態が現れます。こうした電子状態を分子設計によって自在に制御することは、有機化学における重要な研究課題の一つです。また、ジラジカルは一般に反応性が高く不安定であるため、新しい分子骨格を設計するだけでなく、分子を安定化する工夫や、効率よく合成・精製する手法の開発も必要となります。
　私たちの研究グループでは、基底三重項の骨格であるm-キノジメタンを基盤とし、独自の分子設計と速度論的に安定化するための置換基の導入法やジラジカルの精製法を開発することにより、基底一重項および基底三重項の様々な新規縮合多環ジラジカルの合成と単離に成功しました。さらに、それらの電子状態を詳細に解析し、分子構造と電子状態の関係を明らかにしました。特に、双性イオン型の基底一重項ジラジカルや、基底三重項の非ケクレ・ケクレ型炭化水素ジラジカルの単離は世界初の成果です。
　これらの研究により、m-キノジメタンの不対電子の相互作用を制御し、多様なスピン状態をもつジラジカルを設計するための指針を確立しました。また、小さな分子でありながら特徴的な酸化還元特性や近赤外光の吸収、特徴的な磁気的相互作用、さらには基底三重項ジラジカルとして初めての近赤外蛍光など、ジラジカル特有の興味深い性質も見出しています。

　近赤外光を吸収する有機分子は、データ記録、太陽電池、有機EL、生体イメージング、光線力学療法など幅広い分野で注目されています。特に、温度や pH、光、電場などの外部刺激に応答して近赤外吸収が変化する分子は、スマートウィンドウ、セキュリティインク、診断・医療材料への応用が期待されています。しかし、複数の刺激に応答して近赤外吸収特性が変化する有機分子は極めて少なく、そのような刺激応答性分子の分子設計指針は確立されていませんでした。
　私たちの研究グループでは、独自の指針に基づいて、電子ドナーと電子アクセプターを組み合わせたπ共役分子を設計し、最高被占軌道 (HOMO) と最低空軌道 (LUMO) のエネルギー差を非常に小さくすることで、比較的小さな分子骨格でありながら近赤外吸収を示すπ共役分子の創出に成功してきました。さらに、これらの分子が溶媒の極性や温度、pH、酸化還元状態などの外部刺激に応答して近赤外吸収の on–off を実現できることを明らかにしました。
　これらの成果は、多様な刺激に応答する近赤外機能性分子の設計指針を提供するものであり、外部環境に応じて光学特性を精密に制御できる有機材料の創出に新たな可能性を開くものと期待されます。

参考文献