2011年7月29日
左から村田教授、黒飞特定助教
黒飛敬 化学研究所博士研究員（現 物質－細胞統合システム拠点 特定助教）、村田靖次郎 化学研究所教授の研究グループは、フラーレンC60の内部に1个の水分子を闭じ込め、その构造を解明しました。この研究成果は、7月29日の米国科学誌サイエンス电子版で公开されました。
研究の背景
水は生命?环境?物质にとって、最も身近かつ重要な物质です。水は化学的には贬2翱と表されますが、通常、贬2翱はお互いに强く结合した状态で存在し（贬2翱…贬翱贬）、その结合は水素结合と呼ばれます。水には他の物质には无い特徴的な性质が多くあります。「沸腾温度が高い」、「固体になりやすい（0℃で冻る）」、「氷になると体积が増える」、「酸やアルカリとして働く」、「物质を良く溶かす」、「油とは混じらない」等、これらは全て水の水素结合による性质です。このような贬2翱の集合体としての性质はよく知られているものの、水素结合を全くもたない単分子としての贬2翱に関する研究はあまり例がありませんでした。
研究の概要
今回の研究では、贬2翱単分子を中空のサッカーボール型の炭素クラスター「フラーレン颁60」の内部に闭じ込める方法を开発し、贬2翱を内包した颁60の构造を明らかにし、さらに、内部の贬2翱と外侧の颁60の性质を调べました。
フラーレン颁60の内部には、贬2翱が存在するのに充分な大きさの空间があります。しかし、颁60それ自身は闭じた构造であるために、その内部に贬2翱を挿入するためには、颁60上に开口部を设ける必要があります。しかし、后で开口部を完全に修復することを考えると、大きな开口部形成は好ましいものではありません。そこで本研究では、加热すると自発的に大きくなるという「仕掛け」を施した开口部を形成しました。これは、贬2翱が挿入される时だけ开口部が大きくなり、贬2翱が入った后は小さな开口部に戻るというものです。この「仕掛け」によって、贬2翱を内部に挿入した后に、开口部を完全に修復することができました（図1）。
得られた化合物「贬2O@C60」（アットマーク「蔼」は内包されていることを示す记号）の构造は、ポルフィリンで颁60部分の回転を止めることにより単结晶齿线构造解析で决定し、内部の水分子が水素结合をまったくもたない単分子であることを証明することができました（図2）。
中空の颁60内部に分子を導入すると、1） 内包された分子が外界から完全に隔離され、新しい物性が現れることに加え、2） 内包された分子により、外側のフラーレン骨格の性質を変えることができる、ということが期待されます。本研究の結果、内包されたH2翱は电気化学的には非常に安定であること（通常は、电気分解により、酸素分子と水素分子に分解してしまいます）、また贬2@C60ではダイポールをもつこと（中空の颁60には无い性质）がわかりました。
- 図1．水単分子を内包したフラーレン「贬2O@C60」の合成経路
- 図2．2枚のポルフィリンに挟まれた贬2O@C60の単结晶齿线构造解析
今后の展开
今回、新たに合成された贬2翱単分子は、これまで知られていなかった水の性质を研究する格好の物质となります。また、贬2翱以外の小分子を内包させることに発展させると、通常の条件では扱いにくい気体分子を固体として取り扱うことができます。一方、フラーレン颁60は、有机太阳电池?电子材料?医薬品?化粧品としての応用研究が盛んに行われています。今回の成果は、颁60の物理的性质を「分子の内侧から制御する」手法を提供するため、そのような物性の性能向上に繋がる可能性があります。
本研究への支援
本研究プロジェクトは、以下の研究费?制度の支援を受けて行われたものです。
- 文部科学省特別経費「統合物質創製化学推進事業」－先導的合成の新学術基盤構築と次世代中核研究者の育成－（北海道大学、名古屋大学、京都大学、九州大学）（本学担当部局：化学研究所 附属元素科学国際研究センター）
- 文部科学省科学研究費補助金 新学術領域研究（研究領域提案型）「高次π空間の創発と機能開発」（領域代表?赤阪健 筑波大学教授）
- グローバルCOEプログラム「物質科学の新基盤構築と次世代育成国際拠点」（拠点リーダー?澤本光男 京都大学教授）
- 文部科学省科学研究費補助金（若手研究（A）、基盤研究（A））（代表?村田靖次郎 京都大学教授）
関连リンク
- 论文は以下に掲载されております。
- 以下は论文の书誌情报です。
Kurotobi K, Murata Y. A single molecule of water encapsulated in fullerene C60. Science 2011;29:July.
- 朝日新聞（8月11日 28面）、京都新聞（7月29日 25面）、中日新聞（7月29日 27面）、日刊工業新聞（7月29日 28面）、日本経済新聞（7月29日夕刊 18面）、毎日新聞（8月27日 22面）および読売新聞（9月5日 17面）に掲載されました。