フラーレンＣ_７０に水分子を閉じ込めることに成功

ポイント

• 炭素原子７０個が球状に結合しているフラーレンＣ_７０の内部に水分子を閉じ込める手法を開発した。
• 水の基礎的物性の解明やフラーレンＣ_７０物性制御に道筋を付けることが可能となった。
• 有機薄膜太陽電池の性能向上や生理活性素材の開発などの多彩な応用開発が期待できる。

＜研究の背景と経緯＞

水は化学現象や生命活動において最も重要な物質です。水が常温常圧で液体であることや、０度で凍ることなどの性質は、水分子（Ｈ_２Ｏ）同士が水素結合^注４）と呼ばれる分子間相互作用で結びついていることに由来しています。水に関する研究は近年の最先端研究でも活発に研究されていますが、水の単分子や分子が２つ結合した二量体は、他の水分子や他の物質と容易に結びついてしまうために、「裸の水分子」を実現し観測した例はほとんどありませんでした。

一方、炭素原子が球状に結合して中空の空間を持つフラーレンは内部に金属や分子を内包でき、その「内包フラーレン」は空のフラーレンとは異なる物性を持つと期待されており、例えば、有機薄膜太陽電池の材料や生理活性物質として大きな注目を集めています。しかし、より多くの特性が期待される、別の分子を内包したフラーレンはほとんど実現例がありませんでした。

＜研究の内容＞

今回、京都大学の研究グループでは、炭素原子が球状に結合しているフラーレンの一種であるフラーレンＣ_７０に水分子が通過できる程の大きさを持つ開口部を構築し、そこから水分子をフラーレンＣ_７０内部に挿入して開口部を元通りに閉じることにより、水の単分子および水の二量体を閉じ込めることに成功しました（図１、図２）。フラーレンＣ_６０を用いた研究は、すでに同研究グループが水単分子を内包させることに成功していましたが、Ｃ_７０は、Ｃ_６０よりも大きな内部空間を持つために、２個の水分子を内包できる可能性があり、２個の水分子（二量体）の特性観測や、内包水分子の運動観測が可能なためその実現が非常に期待されていました。しかし、Ｃ_７０では反応生成物の構造解析が困難でその特性解析もされていませんでした。

本研究では、合成された小分子内包Ｃ_７０の性質を解析することにより、初めて次のことを明らかにしました。まず、１個の水分子が内包された場合では、水素結合の無い状態である裸の水分子は、Ｃ_７０の内部で上下に素早く動いていることを明らかにしました。この現象は、Ｃ_６０に内包された場合とは異なり、Ｃ_７０のより大きな内部空間を反映しています。また、二量体が内包された場合では、２つの水分子間に水素結合が存在することがわかり、その水素結合は、切断と再生を素早く繰り返していることを明らかにしました。この結果は、世界で初めて外部からの水素結合を持たない水分子の二量体を得たものであり、更なる基礎研究の進展が期待されます。

＜今後の展開＞

今回の研究では、フラーレンＣ_７０の内部に水分子を挿入することに成功し、分子を内包したＣ_７０の合成経路を確立することができました。原理的には、同程度の小さなサイズであれば、さまざまな分子種をＣ_７０の内部に閉じ込めることが可能になります。ありふれた物質であっても、孤立した単分子状態を実現させることによって、新しい物性を解明することも可能になります。

さらに、内包された分子によって、フラーレンＣ_７０の性質を変化させることも可能になります。Ｃ_７０は、有機薄膜太陽電池の重要な構成物質として広範な研究が行われています。水分子は電気双極子^注５）を持っているために、水分子を内包したＣ_７０では、太陽電池特性が向上することが期待されます。また、内包された水分子の存在のため、フラーレン外側の反応性が変化し、そのために生理活性が向上する可能性があります。さらに、内包された水分子の核磁気共鳴シグナル^注６）は、他の物質のシグナルと全く重ならないところに現れますので、生命現象を解明するためのプローブ分子としての応用が有望視されます。このように、今回開発した技術を用い、有機薄膜太陽電池の性能向上、生理活性素材の開発、生命現象を解明するためのプローブ分子への応用などが期待されます。

＜付記＞

本研究は、京都大学 化学研究所の張 鋭　君（Ｄ２学生）、村田 理尚　博士（助教）、阿波連 知子　博士（博士研究員）、若宮 淳志　准教授、下赤 卓史　博士（助教）、長谷川 健　教授らと共同で行ったものです。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） フラーレンＣ_７０

炭素原子が球状に結合しているフラーレンの一種で、７０個の炭素原子から成る。完全な球状のＣ_６０に対して、Ｃ_７０はラグビーボールの形をもつ。

注２） 内包フラーレン

金属イオン、希ガス原子、水素などの小分子を内部に持つフラーレン。金属内包フラーレンの場合は、金属を含んだ炭素棒のアーク放電法により合成される。

注３） 有機薄膜太陽電池

フラーレン誘導体と導電性ポリマーを混合した溶液を薄膜化することで作られる次世代太陽電池。軽く、しなやかという特性をもつ。Ｃ_６０誘導体よりもＣ_７０誘導体を用いた場合の方が、性能が良い例が多い。

注４） 水素結合

電気陰性度の高い原子に共有結合で結びついた水素原子が、近傍の酸素などの孤立電子対とつくる非共有結合性の引力的相互作用。水分子の場合、Ｈ_２ＯのＯＨ結合が、他の分子の酸素と弱い結合を形成している。気体の水分子でも、数個の分子が水素結合で結ばれたクラスター構造をもつ。

注５） 電気双極子

大きさの等しい正負の電荷が対となって存在する状態。水分子の場合、水素原子が正電荷を帯び、酸素原子が負電荷を帯びている。

注６） 核磁気共鳴シグナル

核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）を用いて得られる分子情報。通常の有機化合物におけるプロトン核の核磁気共鳴シグナルは、０から＋１０ｐｐｍの範囲に観測されることが多いが、水分子を内包したＣ_７０の場合では、－２５から－２７ｐｐｍの範囲に観測された。

＜論文タイトル＞

“Synthesis of a distinct water dimer inside fullerene C₇₀”
（フラーレンＣ_７０内部における構造の明確な水二量体合成）
doi ：10.1038/nchem.2464

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