研究概要  Research Topics

新規反応の開発と解析
Development and Mechanistic Analysis of New Reactions

ニッケル触媒を活用した有機合成反応の開発

Organic Transformations Enabled by Nickel Catalysis

炭素－炭素結合の形成による分子骨格の構築は、有機合成化学の基盤です。遷移金属触媒は、反応基質を活性化し、触媒を用いない場合とは異なる反応経路を提供することで、有用な有機化合物の効率的かつ選択的な合成に貢献しています。また、金属の種類や配位子を適切に選ぶことで、生成する分子骨格や反応の選択性を制御できます。私たちは、ニッケル触媒を活用した新たな炭素－炭素結合形成反応の開発に取り組んでいます。ニッケルは鉄と同じく3d遷移金属に属し、その錯体の電子状態や結合には3d軌道が重要な役割を果たします。ニッケル触媒の特徴は、配位子や反応条件に応じて複数の酸化状態をとり、二電子過程だけでなく、一電子過程やラジカルが関与する反応経路も利用できることです。このような電子状態と反応経路の多様性は、新たな結合形成反応を設計するうえで重要な利点となります。こうした反応性を引き出すには、ニッケルと基質・配位子との相互作用を理解し、反応中間体の安定性や反応の進みやすさを調整することが重要です。 本研究では、ニッケルの特性を生かした触媒設計と反応条件の検討を通じて、従来の手法では構築が難しい分子骨格を合成する反応の開拓を目指しています。​​​​​​​​

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​In organic synthesis, constructing molecular frameworks through carbon–carbon (C–C) bond formation is fundamental. Transition‑metal catalysis enables a wide range of C–C bond‑forming transformations, providing efficient and selective access to valuable organic molecules. By leveraging catalytic pathways that are inaccessible in the absence of a metal catalyst, transition‑metal‑mediated reactions have expanded the repertoire of methods available for C–C bond construction. Our research focuses particularly on developing nickel‑catalyzed reactions for organic synthesis. First‑row transition metals such as iron and nickel possess accessible 3d orbitals in their valence shells; because the energies of these orbitals are closer to those of the valence orbitals of carbon, nitrogen, and oxygen than those of heavier 4d/5d congeners (e.g., palladium and platinum), we regard them as intrinsically promising catalysts for promoting bond formation.​​​​​

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​​『新規反応の開発と解析』に関する他の研究課題​

• 立体効果の定量化に基づく新規不斉配位子の設計と創出

• 活性分子新規調整法の開発と応用

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Other research topics 

• Design and discovery of new chiral ligands guided by quantitative steric analysis

• Development and application of novel methods for the generation and modulation of reactive species

反応場の創成と応用
Development and Application of Reaction Microenvironments

プラズマを利用した精密有機電気化学の開拓

Organic Electrochemistry Using Plasma

近年、大気圧付近で生成できる低温プラズマの研究が進み、材料の表面改質など、医療・産業分野への応用が検討されています。低温プラズマは、気体全体の温度上昇を抑えながら、反応性の高い化学種や電子を生成できることが特徴です。また、大気圧付近での処理では、減圧に伴う液体の沸騰を避けられるため、低沸点の有機溶媒を含む反応液にも適用しやすいという利点があります。有機合成分野でも、プラズマを利用した炭素–炭素結合形成が報告されています。こうした反応をさらに発展させるうえで、異なる二種類の分子をそれぞれ選択的に活性化し、両者の分子間反応を制御することは、重要な研究課題です。そこで私たちは、アルゴンプラズマ中のアルゴンイオン（Ar⁺）などによる酸化と、電子による還元を分子の活性化に利用できれば、同一の反応系内で異なる二種類の分子をそれぞれ活性化し、両者の結合形成につなげられるのではないかと考えました。ただし、プラズマと液体の界面では、電子移動だけでなく、励起種などを介した反応も起こり得るため、実際に活性化を担う化学種と反応機構を明らかにする必要があります。 この着想に基づき、プラズマによる酸化・還元と触媒による反応制御を組み合わせた有機合成手法を開発し、「プラズマ有機電気化学」と触媒化学を融合する学術領域の開拓に挑戦しています。​​​​

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In recent years, low‑temperature (non‑thermal) plasmas that can be generated at or near atmospheric pressure have attracted considerable attention. In contrast to conventional plasma generation under high vacuum, these systems allow direct irradiation of liquid substrates with low boiling points under near‑ambient conditions. Such plasmas are being explored for surface modification with potential applications in medical and industrial settings. By contrast, within organic synthesis there has been virtually no precedent for applying plasma to promote intermolecular reactions between two different molecules.

We reasoned that if the reactive species in argon plasma—the argon radical cation (Ar•+) and electrons (e⁻)—could be harnessed as an oxidant and a reductant, respectively, it should be possible to activate two distinct molecules in situ and induce their selective coupling. Building on this concept, we are establishing plasma organic electrochemistry as a new scholarly domain and developing catalysis‑driven methodologies for organic synthesis.​​​

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​​『反応場の創成と応用』に関する他の研究課題

• フッ素界面活性剤が形成する反応場を利用した反応制御

• 固相担持型光触媒による複合触媒系の構築と応用

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Other research topics 

• Reaction control using microenvironments formed by fluorinated surfactants

• Construction and application of hybrid catalytic systems based on solid‑supported photocatalysts

機能性有機分子の設計と合成
Design and Synthesis of Functional Organic Molecules

螺旋不斉型オリゴピリン分子の合成と機能性材料への展開

Synthesis of Helically Chiral Oligopyrin Molecules

有機分子を用いて、ダイオードの整流機能やスイッチング機能を実現する研究が進められています。分子デバイスの機能を広げるためには、こうした機能に加え、コイルなどの受動素子に相当する電気的応答を分子レベルで設計・制御することも重要です。近年、らせん状の分子を用いたインダクタ応答が報告されており、分子構造と電荷輸送の関係を理解し、その応答を制御することが研究課題となっています。ソレノイド型コイルの機能を分子スケールで実現するには、らせん構造を構築するだけでなく、らせんに沿った電荷の移動を制御する必要があります。そのためには、共有結合で連結されたπ共役骨格に沿う電荷輸送と、空間的に近接した部位間を介する電荷輸送を区別し、それぞれの寄与を明らかにすることが重要です。また、コイルとしての機能を評価するには、電気伝導性だけでなく、交流電圧に対する電流応答の周波数依存性も検証する必要があります。本研究では、らせん不斉をもつπ共役オリゴピリンの設計・合成に取り組んでいます。オリゴピリンの一種であるペンタピリンでは、分子内水素結合によってらせん構造が安定化されることが知られています。 私たちは、共有結合からなるπ共役骨格と分子内水素結合に着目し、らせん構造を制御するとともに、電子または正孔が分子内のどの経路を通って移動するのかを調べます。分子構造と電荷輸送特性の関係を明らかにすることで、分子コイルの設計に向けた基礎的知見の獲得を目指します。

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Research on employing organic molecules as active components—such as diodes and transistors—has advanced rapidly. However, significant challenges remain before fully integrated molecular devices can be realized. For example, a true molecular analogue of a solenoidal coil, one of the canonical passive elements, has yet to be achieved. This gap stems from hurdles unique to such targets: the difficulty of designing and synthesizing fully three‑dimensional, π‑conjugated helical molecules; the necessity of preparing and isolating optically pure (enantiomeric) forms; and the demand for precise control over anisotropic electrical conduction.

In this project, we synthesize π‑conjugated, helically chiral oligopyrin scaffolds. Within the helically chiral field constructed by intramolecular hydrogen bonding and covalent linkages, we aim to elucidate how charge carriers—electrons or holes—propagate along the helical pathway. The ultimate goal is to establish structure–transport relationships that will guide the deployment of these molecules as functional materials, including prospective molecular‑scale solenoids.​

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​​『機能性有機分子の設計と合成』に関する他の研究課題​​

• 不斉光触媒の合成と応用

• 柔粘性有機分子の固体物性制御

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Other research topics 

• Synthesis and application of asymmetric photocatalysts

• Control of the solid‑state properties of soft‑ductile organic molecules