Masahiro & Naoyuki’s Paper in Nat. Commun. / 早川くん，砂山くんの論文が掲載されました

• 2023-05-15
• News, Publication

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2022年8月に ChemRxiv にて発表した電子受容性炭化水素に関する論文が Nature Communications 誌に掲載されました。

フラーレンは，炭素骨格のみからなるにもかかわらず多電子還元に対して安定であるという特異な分子ですが，その特性に剛直な球状骨格は必須なのでしょうか？本研究は，そんな素朴な疑問に端を発しています。

本研究では，フラーレンの電子受容体としての特徴を実現するためには 5員環の部分構造が重要であるとの考えのもと，フラーレン C₆₀と5員環の連結様式が同じ一次元状炭化水素「オリゴビインデニリデン」を設計し，その合成に成功しました。この分子は，C₆₀よりも対称性がはるかに低く，個々の炭素原子も平坦な構造をもつにもかかわらず，5員環の数と同数までの電子を受容できることがわかりました。この成果を通して，フラーレンの電子受容体としての性質の根本を支えているのは5員環の部分構造であることを明らかにしました。本研究で見出した分子設計手法は，炭化水素骨格のみで優れた電子受容性を実現できる新手法であることから，有機半導体や太陽電池，電池や触媒など，電子の輸送や授受がかかわる様々な機能性材料の開発につながることが期待されます。

本研究は，名古屋大学大学院理学研究科在職時の最後の7ヶ月，山口茂弘先生に全力で後押ししていただき当時学部4年生の田巻さんと一緒にスタートさせました。その後，深澤研立ち上げメンバーの早川くん (現・京大院理 畠山研 助教) と砂山くん (2022年3月 修士卒) とが見事に創り上げ，髙木くん (現M2) と松尾くん (2021年3月 学部卒) の頑張りによってまとめることができました。また，表題分子の電荷輸送特性の評価にあたっては，京都大学大学院工学研究科 関 修平先生にお世話になりました。心より感謝申し上げます。

本論文の内容は，京都大学アイセムスからプレスリリースを行いました。詳しくはこちら。また，2023年8月に，YouTube チャンネル「Chemistry Wednesday」さん（@Chem_Wednesday）の論文対談企画に取り上げていただき，深澤が出演して解説を行いました。研究の裏話などを含めて詳しく紹介していますので，ぜひご覧ください。

Our paper on electron-accepting hydrocarbons, first released on ChemRxiv in August 2023, has been published in Nature Communications.

Fullerenes are unique molecules that, despite being composed solely of a carbon skeleton, are stable against multi-electron reduction. However, is their rigid spherical framework essential for this property? Our research stems from such a fundamental question.

In this study, we hypothesized that the five-membered ring substructures are crucial for realizing the electron-accepting characteristics of fullerenes. Based on this idea, we designed and successfully synthesized a one-dimensional conjugated hydrocarbons, oligobiindenylidenes, which shares the same pentagonal connectivity as fullerene C₆₀. Despite having significantly lower symmetry and each carbon atom adopting a flat geometry, these oligomers can accept up to as many electrons as the number of their five-membered rings. This finding clarifies that the five-membered ring substructures underpin the electron-accepting properties of fullerenes. The molecular design strategy discovered in this study opens up new avenues for developing functional materials involving electron transport and transfer, such as organic semiconductors, photovoltaics, batteries, and catalysis, using only a carbon framework.

This research was initiated during the last seven months of Aiko’s tenure at Nagoya University, with support from Professor Shigehiro Yamaguchi and started together with an undergraduate student, Asuka. Later, it was splendidly developed by early members of the Fukazawa Group at iCeMS, Masahiro (currently Assistant Professor at the Hatakeyama Group, Kyoto University) and Naoyuki (Master’s graduate in March 2022), and was finalized thanks to the tremendous efforts of Shu (currently 2nd-year Master course student) and Yu (undergraduate graduate in March 2021). Additionally, we are grateful to Professor Shu Seki at the Graduate School of Engineering, Kyoto University, for evaluating the charge-transporting properties of the title compounds. We express our deepest gratitude to all involved.

For more details on this research, please refer to the press release by iCeMS, Kyoto University, and the original manuscript.