広報・広聴活動
穏和な条件で炭素・窒素三重結合が切断される－ホウ素・ホウ素単結合を持つ化合物が最強の結合を切る！
2014年06月27日
＜概要＞
中央大学大学院理工学研究科博士前期課程２年・浅川 博祈と、中央大学理工学部応用化学科・准教授・山下 誠は、香港科学技術大学化学科大学院生・Lee, Ka-Ho、香港科学技術大学化学科・教授・Lin, Zhenyangらと共同で、ホウ素・ホウ素単結合を持つ化合物が、最強の化学結合の一つである炭素・窒素三重結合を穏和な条件で切断することを発見しました。
＜研究者＞
浅川 博祈 中央大学大学院理工学研究科博士前期課程２年（応用化学専攻）
Lee, Ka-Ho 香港科学技術大学 大学院生（化学科）
Lin, Zhenyang 香港科学技術大学 教授（化学科）
山下 誠 中央大学理工学部准教授（応用化学科）
＜発表雑誌＞
Nature Communications, 2014, 5, 4245. http://dx.doi.org/10.1038/ncomms5245
＜研究内容＞
『背景』化学において新しい物質を作り出すためには、原子と原子を結びつける「化学結合」を自由自在に操って、原子の並び順を組み替えることが最も重要です。その操り方には(a)化学結合を新しく作ること、(b)化学結合を切ること、の二通りがあります。また、化学結合には多くの種類がありますが、その中で分子を形作る基本となる「共有結合」は原子と原子の間で二個の電子を共有して結合をつくる形式です。共有結合の中には、二個の電子を共有する結合（＝単結合＝通常は「ばね」のように振動している：図１参照）だけでなく、四個、六個の電子を二個の原子の間で共有することで、より強い結合を作るものもあります。この中で六個の電子を共有している結合は二個の電子の組が三組（＝ばねが三本）あるため「三重結合」と呼ばれ、最も強い＝切れにくい結合に分類されます。三重結合を「切る」方法は世の中に多く存在しているものの、高い温度や強い酸、ある種の金属成分を必要としている方法のみが知られていました。
『研究結果』今回、炭素原子と窒素原子の間にこの強い三重結合を持つイソニトリルという有機化合物に対して、原子番号５番のホウ素原子（元素記号B）を二個含む分子（図２、新しく合成した分子1）を混ぜると、高い温度・強い酸・金属成分、のいずれも不要なままイソニトリル分子の炭素・窒素三重結合（図中に赤で示した三重線）を切断する反応が起こり、分子2ができることを明らかにしました。分子2にはもともとイソニトリル分子の三重結合を形作っていた炭素原子と窒素原子が含まれますが、これらの原子は分子2の構造の中で直接結合しておらず、離れた位置にある、すなわち三重結合が切断されたことがわかります（図２のピンク矢印参照）。
『研究の方法』得られた分子2の構造を明らかにするため、「X線結晶構造解析」および13C同位体標識を用いた「核磁気共鳴分光法」という方法を使用しました。また、この反応の途中において、分子1とイソニトリル分子に含まれるそれぞれの原子がどのように動いて反応が進行したのか、ということを「密度汎関数法」により解明しました。これにより、この特殊な反応が起こった一番の理由は、今回使用した分子1がホウ素原子二個を含んでおり、これら二個のホウ素原子の間にある単結合(図中青線)が反応しやすいからだとわかりました。
『研究の位置づけと将来』今回の研究成果は人類が「三重結合を切断する新しいツール」を手に入れたことに他ならない、と言えますが、まだ直接の応用が見えているわけではありません。とはいえ、シンプルな形の分子1を使うことで「最も強い結合」が切断できるというのは非常に面白い現象です。この先、この特殊な反応がどこまで一般性を持つのか、炭素・窒素の三重結合だけではなく他の種類の三重結合は切断できるのか、などについて解明していくことで、その応用範囲が明らかになっていくものと考えられます。
『謝辞』本研究は文部科学省の科学研究費補助金・新学術領域研究「感応性化学種が拓く新物質科学」計画研究(24109012)および日本私立学校振興・共済事業団の学術研究振興資金の助成を受けて行われました。また、密度汎関数計算の一部については自然科学研究機構岡崎共同研究施設「計算科学研究センター」のコンピュータを利用しました。
＊詳細は下記ＰＤＦをご覧ください。
中央大学大学院理工学研究科博士前期課程２年・浅川 博祈と、中央大学理工学部応用化学科・准教授・山下 誠は、香港科学技術大学化学科大学院生・Lee, Ka-Ho、香港科学技術大学化学科・教授・Lin, Zhenyangらと共同で、ホウ素・ホウ素単結合を持つ化合物が、最強の化学結合の一つである炭素・窒素三重結合を穏和な条件で切断することを発見しました。
＜研究者＞
浅川 博祈 中央大学大学院理工学研究科博士前期課程２年（応用化学専攻）
Lee, Ka-Ho 香港科学技術大学 大学院生（化学科）
Lin, Zhenyang 香港科学技術大学 教授（化学科）
山下 誠 中央大学理工学部准教授（応用化学科）
＜発表雑誌＞
Nature Communications, 2014, 5, 4245. http://dx.doi.org/10.1038/ncomms5245
＜研究内容＞
『背景』化学において新しい物質を作り出すためには、原子と原子を結びつける「化学結合」を自由自在に操って、原子の並び順を組み替えることが最も重要です。その操り方には(a)化学結合を新しく作ること、(b)化学結合を切ること、の二通りがあります。また、化学結合には多くの種類がありますが、その中で分子を形作る基本となる「共有結合」は原子と原子の間で二個の電子を共有して結合をつくる形式です。共有結合の中には、二個の電子を共有する結合（＝単結合＝通常は「ばね」のように振動している：図１参照）だけでなく、四個、六個の電子を二個の原子の間で共有することで、より強い結合を作るものもあります。この中で六個の電子を共有している結合は二個の電子の組が三組（＝ばねが三本）あるため「三重結合」と呼ばれ、最も強い＝切れにくい結合に分類されます。三重結合を「切る」方法は世の中に多く存在しているものの、高い温度や強い酸、ある種の金属成分を必要としている方法のみが知られていました。
『研究結果』今回、炭素原子と窒素原子の間にこの強い三重結合を持つイソニトリルという有機化合物に対して、原子番号５番のホウ素原子（元素記号B）を二個含む分子（図２、新しく合成した分子1）を混ぜると、高い温度・強い酸・金属成分、のいずれも不要なままイソニトリル分子の炭素・窒素三重結合（図中に赤で示した三重線）を切断する反応が起こり、分子2ができることを明らかにしました。分子2にはもともとイソニトリル分子の三重結合を形作っていた炭素原子と窒素原子が含まれますが、これらの原子は分子2の構造の中で直接結合しておらず、離れた位置にある、すなわち三重結合が切断されたことがわかります（図２のピンク矢印参照）。
『研究の方法』得られた分子2の構造を明らかにするため、「X線結晶構造解析」および13C同位体標識を用いた「核磁気共鳴分光法」という方法を使用しました。また、この反応の途中において、分子1とイソニトリル分子に含まれるそれぞれの原子がどのように動いて反応が進行したのか、ということを「密度汎関数法」により解明しました。これにより、この特殊な反応が起こった一番の理由は、今回使用した分子1がホウ素原子二個を含んでおり、これら二個のホウ素原子の間にある単結合(図中青線)が反応しやすいからだとわかりました。
『研究の位置づけと将来』今回の研究成果は人類が「三重結合を切断する新しいツール」を手に入れたことに他ならない、と言えますが、まだ直接の応用が見えているわけではありません。とはいえ、シンプルな形の分子1を使うことで「最も強い結合」が切断できるというのは非常に面白い現象です。この先、この特殊な反応がどこまで一般性を持つのか、炭素・窒素の三重結合だけではなく他の種類の三重結合は切断できるのか、などについて解明していくことで、その応用範囲が明らかになっていくものと考えられます。
『謝辞』本研究は文部科学省の科学研究費補助金・新学術領域研究「感応性化学種が拓く新物質科学」計画研究(24109012)および日本私立学校振興・共済事業団の学術研究振興資金の助成を受けて行われました。また、密度汎関数計算の一部については自然科学研究機構岡崎共同研究施設「計算科学研究センター」のコンピュータを利用しました。
＊詳細は下記ＰＤＦをご覧ください。
