I S SN 1 349-4856 C O D E N : T C I M C V

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目次
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寄稿論文

- Chemistry−A Structurally Based Science:
My Journey from the Beauty in Fullerene Chemistry
to Supramolecular Material Chemistry
Department of Chemistry, Tamkang University, Taiwan
Hsiu-Fu Hsu(16x16 nm)

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化 学 よもやま話

身 近な元 素 の 話- 典 型 元 素の新たな同 素 体

製品紹介

佐藤

健太郎

- ペロブスカイト太陽電池研究用試薬
高純度ハロゲン化鉛- エステル合成用アルキル化試薬- 安定で取り扱いの容易なフッ素化剤 原試薬- フルギド系フォトクロミック材料 アベルクロム670- クルクミンの抗腫瘍活性を向上させた新しい類縁体- キナーゼ阻害剤

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Chemistry−A Structurally Based Science:
My Journey from the Beauty in Fullerene Chemistry to
Supramolecular Material ChemistryHsiu-Fu Hsu
Department of Chemistry, Tamkang University, Taiwan‘Chemistry is an art.’ As a college student, I could not really apprehend how chemistry is an art as told by aphysical chemistry professor. As a research assistant at National Tsin-Hua University, fascinated by the colorful
nature of organometallic compounds, I was involved in metal cluster organometallic chemistry and then I foundthat the beauty of the molecular structures of metal cluster compounds impressed me more. ‘Chemistry is an art’has then seeded in my early career of research. As chemistry being recognized as a structurally based science,designs of molecular structures have always attracted me initially to get through the resulting beautiful sciencebehind these beautiful molecules.
With the pleasant encounter of metal cluster chemistry, I then started my PhD journey to deeply appreciate
metal cluster chemistry from Prof. John R. Shapley, one of the most well-known metal cluster chemists, atUniversity of Illinois at Urbana-Champaign. John offered many projects to choose from and metal cluster
fullerene chemistry stood out in my mind. To me the project was so attractive due to the following reasons. Firstof all, little was known then about fullerene organometallic chemistry, not to mention fullerene metal cluster
chemistry. Exploring new scientific territory has always been an important attribute for scientists. Secondly,
the project’s high potential in catalysis applications is promising. Thirdly, the difficulty to achieve the project ischallenging since it was yet succeeded though some former group members and many other groups worldwide
had tried. The last and most important reason behind the pick was the beauty of the molecular structures.1 In
sum, the great challenge and the beauty of the project caught my strong attention and drive me though all the badand good times in my PhD career.
The reasons behind my pick had helped me going through the tough times for my first three PhD years,
full of frustrations. It turned out the three years was not a waste but had improved my experimental skill andperseverance toward chemistry research. The key to the successful identification of the first triple dihaptobonding mode of a hexagon of C60 to a Ru3 cluster unit, Ru3(CO)9(μ3-η2, η2, η2-C60),2 was later found to be therealization of the very low yield and difficulty of identification on thin layer chromatography of the product.
Previous to this publication, C60 was suggested to be aromatic and the suggestion led to many attempts trying
to achieve the coordination of C60 through a C6 ring to a single metal center. However, later, C60 was realized toreact primarily as an electron-deficient alkene and sometimes as a diene. The C=C π bonds were recognized to be
more localized than delocalized through the cage. However, the triple dihapto coordination mode of a hexagon in
C60 could not be achieved until my publication in 1996 (Figure 1). A Ru3(CO)9 unit was successfully face-capped
onto the arene-like C60 cage. The significance of the new finding was highlighted by Chemical & Engineering
News (C&En) of American Chemical Society in the same year. A couple years later, the results were included inbooks including some major inorganic and organometallic chemistry textbooks. In 2010, Wikipedia presented theresult under the topic of fullerene ligand.
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Figure 1. The first C6 ring coordinated C60 complex: the single crystal molecular structure of Ru3(CO)9C60. Red, O;
blue: C; yellow, Ru.

With the success and understanding of the attributes of fullerene metal cluster compounds, other related
compounds were synthesized and investigated. Phosphines were incorporated onto the ruthenium cluster in
Ru3C60 for improving the solubility and tuning the steric/electronic properties. The CO ligands were found to
exhibit site exchange behaviors in the C60 and C70 derivatives.3 The Ru3 unit was also used to cape the hexagon
closest to the pole of C70 (Figure 2).4 Moreover, the structure of one of the isomers of two Ru3 units capping two
hexagons in one C70 cage was determined. Larger metal clusters were also successfully capped onto C60 with thehelp of phosphine incorporation to improve solubility for characterization.5 These results initiated the fullerene
metal cluster chemistry and thereafter more than a hundred publications on this subject by other groups havebeen reported.

Figure 2. The first C6-face-capped C70 complex: the single crystal molecular structure of Ru3(CO)9C70. Red, O; blue: C;
yellow, Ru.

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After my PhD journey cruising through fullerene chemistry, I then joined Prof. Timothy M. Swager’s group
at Massachusetts Institute of Technology to study liquid crystalline materials. For me, the beauty of the opticaltextures of liquid crystals (LCs) was irresistible. Moreover, the supramolecular correlations of LCs were beyond
my imagination after focusing the molecular structures. Tim is always full of energy on research and his researchideas then were just great to be highly appreciated by me. Against conventional wisdom on liquid crystalline
compounds with rod-like or disc-like chemical structures, Tim’s group discovered spherical tris-bidentateoctahedral metal complexes exhibiting a propeller-like molecular geometry could pack into columns to lead toliquid crystallinity. The tris-bidentate nature provides two possible chiral senses (Δ and Λ). Excitingly, I was
involved in the study of utilizing fluxionality of some octahedral coordination complexes to achieve cooperativechirality in liquid crystalline state induced by the incorporated peripheral chiral alkyl chains.6 The beauty of thisproject lies not only on the molecular structure but also the propeller columnar stacking and cooperative chiralinduction.
After being an independent researcher at Tamkang University, most of my research work has been focusing
on designing new liquid crystalline materials, investigating their supramolecular structure, and their potential
applications. As aforementioned, compounds exhibiting liquid crystalline properties were with mainly rodlike or disc-like molecular structures. To start my own research, rod-like and disc-like molecules were designed
for investigations on tuning their liquid crystalline properties for practical applications in display technologies.
For rod-like compounds, symmetry breaking and rotational bulk of rigid core were utilized to enhance liquid
crystallinity. The rotational bulk was realized by the rotational freedom of C−C single bonds in rigid molecularrods with naphthalene unit.
Disc-like compounds were also investigated towards applications of optical compensating films in liquid
crystal displays (LCDs) and one dimensional optoelectronic conduction. 7 Materials showing the discotic
nematic phase, the least ordered discotic phase to show a bit more ordered intermolecular packing than that ofrandomly packed liquids, were designed and working temperatures were tuned for practical applications throughmolecular design. Extrusion from disc periphery8 (Figure 3) and laterally-attached chain configuration9 (Figure 4)
were employed to manipulate inter-disc interactions for resulting low melting LC materials to be used infabrication of optical compensating films in LCDs. With the same molecular core, materials showing molecular
swirl geometry (Figure 5) were designed and the molecular swirl packing along molecular plane (Figure 6)
was studied by scanning tunneling microscopy (STM).10 In liquid crystalline state, the molecular swirls exhibit
highly correlated supra-structures along the molecular plane by swirl gearing interactions (Figure 7), and henceneighboring swirls are packed with the same swirl orientation sense. At the same time, the molecular swirls packcooperatively with the same sense of swirl orientation along disc normal to lead to column formation by thestrong inter-planar attractions. The two inter-disc correlations, along and perpendicular to the molecular plane,lead to highly correlated supra-structures over a large domain.

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discotic nematic molecular packing between 18 and 112 °C
R = C8H17, R’ = OC12H25

Figure 3. Room-temperature discotic nematic liquid crystals by extrusion from the disc of hexaynylbenzene.
The chemical structure, schematic representations showing the extrusion of the unique sidearm, and schematic
representation showing disc packing in the nematic phase.

preventing columnar packing

enhancing nematic phase stability

Figure 4. Lowering melting temperature and enhancing nematic liquid crystallinity by laterally attached chains
to one sidearm of hexaynylbenzenes. The chemical structure, schematic representations showing the hinderedrotation of the unique sidearm, and schematic representation showing the functions of the unique sidearm in thenematic phase.

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restricted rotation
propeller-like
restricted rotation

intramolecular sterics of chainsstronger intermolecular π-π interactions
column formation

swirl geometry
steric hindrance of chains
if not coherent

Figure 5. Molecular swirls: the molecule design to prefer swirl geometry by coherent chain orientations.

(16x16 nm)

Figure 6. Molecular swirls observed by STM: (top) the in-plane swirl gearing observed at the liquid/solid interface;(bottom) a zoom-in plot of two molecular swirls showing the rotational sense of swirl.

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packing along disc normal: same rotation sense
to maximize VDW interactions

columnar packing
in-plane packing of swirls: same rotation sense
to reduce steric congestion

Figure 7. Intermolecular swirl interactions: schematic representations showing the in-plane swirl gearing and outof-plane cooperative swirl interactions.

Apart from rod-like and disc-like molecular shapes, molecular geometries in-between the two11,12 (Figure 8)
have always intrigued scientists in the LC filed. Moreover, due to the anisotropy along three coordinate axis of
the molecular geometry, the molecular packing of such systems may lead to the formation of the biaxial nematic
phase, the long been sought holy grail of LC research, if molecular packing along the three axis can be controlledindividually. It should be noted that molecules in liquid crystalline states are with sufficient energy to tumble orrotate along some axis. The ordered molecular packing is in a dynamic equilibrium rather than being static in
crystals. However, intermolecular packing is a result of multiple intermolecular interactions. Usually, only the
major interactions comprehended and the interplay of various interactions is difficult to predict and controlled.
Generally, the more complicated the structure, the more complexed the intermolecular interactions. The key
lies on the molecular design to bias intermolecular interactions along the three axis. Fine tuning the molecular
structure to give nondegenerate molecular packing along the three axis was found to be the key for obtaining
the biaxial nematic phase. Cross-like compounds were then synthesized. In single crystals, the molecular
packing along the three axis are found to be nondegenerate (Figure 9). Similar molecular packing is also foundin its nematic phase, identified by powder X-ray diffraction, resulting a biaxial nematic phase which has been
confirmed by polarizing optical textures (Figure 10) and conoscopies.13,14

RO

OR

RO

OR
S
X

X
RO

RO
R = CnH2n+1, X = various functional groups

Figure 8. An unconventional molecular geometry showing liquid crystallinity: the rigid y-shaped molecules
exhibiting nematic liquid crystalline phases at low melting temperatures.

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Figure 9. Cross-like molecule for optically biaxial nematic liquid crystallinity: the single crystal molecular structure(top) and the anisotropic molecular packing along the molecular plane (bottom).

R

R
n =10

R

R = CnH2n+1

R
n =8Figure 10. Polarizing optical micrographs of cross-like liquid crystalline compounds showing exclusively the twobrush characteristics suggest the phase to be biaxial nematic which was confirmed by powder X-ray diffraction andconoscopy.

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Recently, my group has accidentally discovered an aggregation-induced-emission (AIE) molecular skeleton.
On the way of making hexaphenylbenzene by trimerization of bisphenylalkyne, water was not excluded in theCo2(CO)8 catalyzed reaction (Figure 11). Months after taking nuclear magnetic resonance (NMR) spectra, though
the molecular structure was then yet determined from the spectra, single crystals of the major product crystalizedout of the solution in the NMR tube, the second accident. Moreover, the crystals are fluorescent as compared to
the non-fluorescent solution. Single crystal structural determination uncovered the compound to be tetraphenyl1,3-butadiene instead of hexaphenylbenzene.15 The beauty of this project is the switch of fluorescence of thesame compound in solution and in solid.

R

R

R

Co2(CO)8, H2O

H
H
R

R

R

Figure 11. A new molecular skeleton showing AIE: tetraphenyl-1,3-butadienes, the synthesis and a photographdemonstrating AIE.

In addition to the research work solely from my group, interesting cooperation works with other groups,
domestic and international, have blossomed in recent years. Through cooperation, young students from bothparties have gained a bigger scope on research. My cooperation with domestic researchers spans a wide research
fields including organic chemistry, analytical chemistry, physical chemistry, supramolecular chemistry,16,17
polymer chemistry,18 electrical engineering,19,20 bioinorganic chemistry, and forestry. With long time cooperation
with Prof. Long-Li Lai at National Chi-Nan University, LCs from a variety of dendrimers have been disclosed
and the LC formation mechanisms of these dendrimers have been studied.21-23 With the great assistance fromProf. Chun-hsien Chen of National Taiwan University, many high resolution STM micrographs of the dynamic
molecular packing of our LC molecules at liquid/solid interface (Figure 6) have been obtained to correlate
dynamic intermolecular correlations in liquid crystalline states.10,24,25 With Prof. Sheng-Hsien Chou, a molecularswitch by an organogel was achieved.16 Phosphorescence behaviors of metallomesoens were investigated throughcooperation with Prof. Yun Chi of National Tsin-Hua University and Prof. Pi-Tai Chou of National Taiwan
University.26 Organic nanomaterials with dynamic shape changes was investigated with Prof. Chien-Chung
Cheng of National Chia-Yi University.27 Recently, as the chair, I have called together a group of several scientists
for an energy project. After being away from fullerene chemistry for more than fifteen years, the fullerene metalcluster chemistry comes back for this energy project.
Internationally, my group has long been involved in research cooperation with groups in Japan and France.
Prof. Tohru Yamada of Keio University and I started research cooperation by student exchange first. Later,
by incorporating expertise from both parties, chiral groups have been generated onto our LC systems. More
importantly, the cooperation has nourished many young scientists from Japan and Taiwan. They are now
involved in academic or industrial jobs in their countries. With Prof. Hsiao-Hua Yu, then at RIKEN, conjugatedpolymers of dioxythiophenes by direct C−H arylation has been developed. With Prof. Michito Yoshizawa ofTokyo Institute of Technology, facile catch/release of fullerene compounds by a photo-responsive molecular tube
has been disclosed.28 The concept and the supra-molecular structure are again a beauty unable to resist. With
Prof. Remi Chauvin of University of Toulouse, new projects are under way.
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I deeply appreciate all collaborators for their kindness to let me enjoy their sciences and the beauty of
their research. My group members, past and current, are acknowledged for their hard working style and theirappreciation on research projects of the group. The young prospects start their young research careers fromthe beauty of molecules, then suffer from the originally looked easy but eventually found nontrivial chemical
synthesis and property investigations, and finally comprehend the beauty of the sciences behind their projects. As
some chemical providers offer various building blocks in recent years, molecular designs and chemical synthesis
have been expedited, and young students can avoid some frustrations on synthesis and enjoy more of the beautyof science. I have enjoyed a lot in the journey by working with the most talented scientists by cooperation andthe most promising students from my group and other interacted groups. The beauty of molecules and sciencebehind these scientific projects lasts, and the journey towards the beauty of chemistry goes on.

文献
H. Aldersey-Williams, The Most Beautiful Molecule: the Discovery of the Buckyball, John Wiley & Sons, 1997.
H.-F. Hsu, J. R. Shapley, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 9192.
H.-F. Hsu, J. R. Shapley, J. Organomet. Chem. 2000, 599, 97.
H.-F. Hsu, S. R. Wilson, J. R. Shapley, Chem. Commun. 1997, 1125.
K. Lee, H.-F. Hsu, J. R. Shapley, Organometallics 1997, 16, 3876.
S. T. Trzaska, H.-F. Hsu, T. M. Swager, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 4518.
H.-F. Hsu, M.-C. Lin, W.-C. Lin, Y.-H. Lai, S.-Y. Lin, Chem. Mater. 2003, 15, 2115.
H.-H. Chen, H.-A. Lin, S.-C. Chien, T.-H. Wang, H.-F. Hsu, T.-L. Shih, C. Wu, J. Mater. Chem. 2012, 22, 12718.
S.-C. Chien, H.-H. Chen, H.-C. Chen, Y.-L. Yang, H.-F. Hsu, T.-L. Shih, J.-J. Lee, Adv. Funct. Mater. 2007, 17,
1896.
10) S.-L. Lee, H.-A. Lin, Y.-H. Lin, H.-H. Chen, C.-T. Liao, T.-L. Lin, Y.-C. Chu, H.-F. Hsu, C.-h. Chen, J.-J. Lee, W.-Y.
Hung, Q.-Y. Liu, C. Wu, Chem. Eur. J. 2011, 17, 792.
11) H.-F. Hsu, H.-C. Chen, C.-H. Kuo, B.-C. Wang, H.-T. Chiu, J. Mater. Chem. 2005, 15, 4854.
12) H.-F. Hsu, C.-H. Kuo, C.-F. Chen, Y.-H. Lin, L.-Y. Huang, C.-H. Chen, K.-C. Cheng, H.-H. Chen, Chem. Mater.
2004, 16, 2379.
13) H.-H. Chen, H.-A. Lin, Y.-H. Lai, S.-Y. Lin, C.-H. Chiang, H.-F. Hsu, T.-L. Shih, J.-J. Lee, C.-C. Lai, T.-S. Kuo,
Chem. Eur. J. 2012, 18, 9543.
14) S.-L. Lee, H.-J. Wu, Y.-J. Hsu, H.-H. Chen, H.-F. Hsu, C.-h. Chen, Chem. Commun. 2014, 50, 14093.
15) Y. Ezhumalai, T.-H. Wang, H.-F. Hsu, Org. Lett. 2015, 17, 536.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)

10

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16) S.-Y. Hsueh, C.-T. Kuo, T.-W. Lu, C.-C. Lai, Y.-H. Liu, H.-F. Hsu, S.-M. Peng, C.-H. Chen, S.-H. Chiu, Angew.
Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9170.
17) C.-J. Chang, Y.-H. Lee, H.-L. Chen, C.-H. Chiang, H.-F. Hsu, C.-C. Ho, W.-F. Su, C.-A. Dai, Soft Matter 2011, 7,10951.
18) L.-C. Kuo, W.-T. Huang, K.-H. Yang, H.-F. Hsu, B.-Y. Jin, M.-K. Leung, J. Phys. Chem. B 2010, 114, 2607.
19) S.-H. Liu, M.-S. Lin, L.-Y. Chen, Y.-H. Hong, C.-H. Tsai, C.-C. Wu, A. Poloek, Y. Chi, C.-A. Chen, S.-H. Chen,
H.-F. Hsu, Org. Electron. 2011, 12, 15.
20) Y.-H. Lin, Y.-T. Tsai, C.-C. Wu, C.-H. Tsai, C.-H. Chiang, H.-F. Hsu, J.-J. Lee, C.-Y. Cheng, Org. Electron. 2012,13, 2333.
21) L.-L. Lai, C.-H. Lee, L.-Y. Wang, L.-L. Cheng, H.-F. Hsu, J. Org. Chem. 2008, 73, 485.
22) L.-L. Lai, S.-J. Hsu, H.-C. Hsu, S.-W. Wang, K.-L. Cheng, C.-J. Chen, T.-H. Wang, H.-F. Hsu, Chem. Eur. J. 2012,
18, 6542.
23) L.-L. Lai, S.-W. Wang, K.-L. Cheng, J.-J. Lee, T.-H. Wang, H.-F. Hsu, Chem. Eur. J. 2012, 18, 15361.
24) S.-L. Lee, Y.-J. Hsu, H.-J. Wu, H.-A. Lin, H.-F. Hsu, C.-h. Chen, Chem. Commun. 2012, 48, 11748.
25) S.-L. Lee, H.-J. Wu, Y.-J. Hsu, H.-H. Chen, H.-F. Hsu, C.-h. Chen, Chem. Commun. 2014, 50, 14093.
26) C.-T. Liao, H.-H. Chen, H.-F. Hsu, A. Poloek, H.-H. Yeh, Y. Chi, K.-W. Wang, C.-H. Lai, G.-H. Lee, C.-W. Shih,P.-T. Chou, Chem. Eur. J. 2011, 17, 546.
27) L.-C. Chen, S.-S. Lin, C.-Z. Li, H.-F. Hsu, Y.-J. Weng, C.-C. Cheng, J. Chin. Chem. Soc. 2013, 60, 1099.
28) N. Kishi, M. Akita, M. Kamiya, S. Hayashi, H.-F. Hsu, M. Yoshizawa, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 12976.

執筆者紹介

Hsiu-Fu Hsu

Professor, Department of Chemistry, Tamkang University, Taiwan[Education and employment] 1984-1988 B.S., National Sun Yet-Sen University; 1992-1997 Ph.D., University
of Illinois at Urbana-Champaign (Supervisor: Prof. John R. Shapley); 1997-1999 postdoctoral associate,
Massachusetts Institute of Technology (Supervisor: Prof. Timothy M. Swager); 1999-2003 AssistantProfessor, 2003-2007 Associate Professor, 2007-present Professor, Tamkang University.
[Specialties] Organometallic Chemistry, Liquid Crystal Chemistry, Organic Synthesis, Material Chemistry112016.1 No.168～身近な元素の話～

典型元素の新たな同素体佐藤健太郎

筆者が高校生のころには，炭素の同素体はダイヤモンド，グラファイト，無定形炭素の３種のみと習ったものだった。しかし 80 年代以降，球状の炭素クラスターであるフラーレン C60，円筒状のカーボンナノチューブ，そして平面状のグラフェンなどの新顔が次々と加わり，教科書は大きく書き換えられた。これら新たな炭素の同素体が，材料科学，有機化学，物性物理学など広い範囲の学問に計り知れぬほどの進展をもたらしたことは，今さらくだくだと述べるまでもあるまい。
炭素による新物質がこれだけ面白いものであるなら，他の元素ではどうかとは，誰もが考えることだろう。実際，他の元素でも球状，平面状，三次元ネットワーク状など，様々な形状の新たな同素体が近年次々と報告され，物質科学の世界を大きく押し拡げている。今回は，これら新顔の同素体たちを，いくつかまとめてご紹介しよう。
ホウ素
周期表で炭素の左隣りに位置するホウ素は，三中心二電子結合という特殊な形式で互いに結合し，他の元素ではほとんど見られないユニークな構造を作る。たとえば BnHn2 −の形のクラスターが数多く知られており，これらはデルタ多面体（各面が正三角形でできた多面体）の構造をとる。たとえばドデカヒドロドデカホウ酸イオン B12H122 −は，正 20 面体の美しい骨格を持つことで知られる。
ホウ素の同素体の多くは，この B12 から成る正 20 面体クラスターを基本としたネットワーク構造をとっている。たとえば α- 菱面体ホウ素は，この正 20 面体クラスターが，立方最密充填に似た形で積み上がった構造だ。その他，アモルファスホウ素や，面心立方格子の金属ホウ素（高圧下でのみ存在）など，各種の構造が知られている。
ではホウ素でフラーレンのような球状ケージは構築できるのだろうか？ C60 と同じ形の B60 は無理そうだが，六角形の面の中心にホウ素を 1 つずつ加えた B80 なら可能性があるなどとも考えられ，理論計算も行なわれた。
しかし最近になり，B40 というクラスターが発見された（Nat. Chem. 2014, 6, 727.）。ブラウン大学の王来生らが，ホウ素の単体にレーザーを照射し，ヘリウム気流で急冷することでこのクラスターの生成を確認したのだ。
ボロスフェレンと名付けられたこの分子は，ホウ素からなる三角形が 48 枚，6 員環が 2 枚，7 員
環が 4 枚から成り立っている。下図のような構造で，D2d 点群に属する。ちょっと想像のつかない構造で，なぜこの形が安定になるのだろうと不思議になる。今後，さらに構成原子数や構造の異なるボロスフェレン類が，新たに見つかってくる可能性もありそうだ。

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ボロスフェレン（Wikipedia より）

これと別に王らは，ホウ素がシート状に並んだ構造を考え，グラフェンとの関連から「ボロフェン」と名づけている。ホウ素から成る平面 6 員環を，三角形が取り囲んだような構造だ。王らは，この基本単位となる B36 クラスターが生成している証拠をつかんでいる（Nat. Commun. 2013, 5, 3113.）。
今後の研究次第では，ホウ素もまた炭素と同じように，「ナノボロン」の豊かな世界が拓けてゆくのかもしれない。

ボロフェン（B36）窒素
炭素のもう一つの隣人である，窒素ではどうだろうか。通常の気体状窒素 N2 以外に中性の窒素
同素体は長らく知られていなかったが，2002 年に四窒素（N4）の存在が確認された（Science 2002,
295, 480.）。ただし寿命は 1 マイクロ秒程度で，安定に単離できるようなものではない。開裂のパターンから，四窒素は直鎖状の構造を取り，2 つの N2 分子が弱い結合で結びついたものと見られている。
その他，ベンゼン型の構造をしたヘキサジン（N6），キュバン型の構造をした N8，フラーレン型の N60 などの存在が理論的に検討されているが，いずれも合成はなされていない。これらは分解される際に高いエネルギーを放出することが予測され，爆薬としての可能性が考えられている。

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予測された窒素同素体

2004 年には，ドイツのマックスプランク研究所が，「ポリ窒素」の合成を報告した（Nat. Mater.
2004, 3, 558.）。窒素を 110 GPa，2000 K 以上という条件で圧縮すると，窒素原子同士が単結合でネッ
トワークを形成することがわかったのだ。
このポリ窒素，現在知られている核兵器以外の最強の爆薬に比べても，5 倍以上強力な爆発力を示すと考えられている。SF 作品などでこうした設定の爆弾が登場したことがあるが，それが実現したわけだ。もちろん量産も保存もできないので，兵器などとして使われる見込みは今のところない。
窒素のみから成るイオンとしては，アジ化物イオン（N3 −）が古くから知られている。爆発性があるので取り扱いには注意か必要だが，防腐剤，起爆剤など用途は広い。有機合成においては，窒素導入のための試薬などとして用いられる。
ペンタゾリルアニオン（N5 −）というものも存在している。これは，シクロペンタジエニルアニ
オンと等電子的な，窒素でできた正五角形だ。p - メトキシベンゼンジアゾニウムカチオンとアジ化物イオンの [3+2] 付加環化によってペンタゾール骨格を形成し，硝酸アンモニウムセリウムで酸化的に脱保護することで得られた（Chem. Commun. 2003, 1016.）。芳香族性を持つため安定化されているが，窒素同士の反発が強いため，半減期 2.2 日で分解していく。
またペンタゼニウムカチオンと呼ばれる，N5+ という化学種も知られている（J. Am. Chem. Soc.
2001, 123, 6308.）。アメリカ空軍による，高エネルギー物質探索プロジェクトの中で発見されたものだ。
ペンタゼニウムは，フルオロジアゾニウム（N2F+）と，アジ化物イオンの反応によって合成された。
SbF6 −との塩は単離ができる程度に安定で，Ｘ線結晶構造解析も行なわれている。それによるとペンタゼニウムカチオンは，5 つの窒素原子が「く」の字型に折れ曲がった配列をとっているという。
理屈の上では，このペンタゼニウムカチオンと，アジ化物イオンまたはペンタゾリルアニオンとで塩を作らせれば，純粋な窒素から成る塩ができることになる。とはいっても，恐ろしく爆発力の強いイオン同士だから，こんなことを行なう者などいるまい――と思いきや，これに近い実験が142016.1 No.168

行なわれており，N5+[B(N3)4] − や N5+[P(N3)6] − といった塩が実際に作られている（Angew. Chem.
Int. Ed. 2004, 43, 4919.）。論文に掲載された，爆発で吹き飛んだテフロンチューブの写真や，おびただしい実験項の但し書きだけでも，その恐ろしさが伝わってくる。
酸素
酸素の同素体としてよく知られているのはオゾン（O3）だろう。薄青色の有毒な気体で，フッ素に次ぐ強い酸化力を持つ。酸素への紫外線照射や無声放電によって生成し，実験室では炭素−炭素二重結合を切断する「オゾン分解」によく用いられる。最近では，水道水の消毒にオゾンを用いている地域もある。
酸素のカルテットである四酸素は，酸塩基の定義で有名なギルバート・ルイスによって，1924 年に存在を予言された。しかしその確認は難航を極め，ようやく 2001 年になってローマ大学のグループが，質量分析によって存在を証明した。四酸素の構造は予測された 4 員環でもＹ字型でもなく，基底状態と励起状態の酸素の複合体であることが確認されている。
酸素の同素体はもう一つある。室温で酸素に高圧をかけていくと，10 GPa を超えたところで大幅に体積が減り，色が青から赤へと劇的に変化する。この「赤い酸素」の構造は長らく謎とされてきたが，2006 年になって酸素 4 分子が集まった O8 クラスター（ε酸素）構造であることが，粉末
Ｘ線回折パターンから解明された（Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 085503.）。こうした「八酸素」の構造は理論的にも全く予想されておらず，大きな驚きを与えた。

ε酸素（赤い酸素）の単位構造というわけで，同素体の化学にはまだまだ未知の部分が眠っていそうだ。次回は，第 3 周期以降の元素の同素体について見ていくこととしよう。

執筆者紹介

佐藤

健太郎 （Kentaro

Sato）[ ご経歴 ] 1970 年生まれ，茨城県出身。東京工業大学大学院にて有機合成を専攻。製薬会社にて創薬研究に従事する傍ら，
ホ ー ム ペ ー ジ「 有 機 化 学 美 術 館 」（http://www.org-chem.org/yuuki/yuuki.html， ブ ロ グ 版 は http://blog.livedoor.jp/
route408/）を開設，化学に関する情報を発信してきた。東京大学大学院理学系研究科特任助教（広報担当）を経て，現在はサイエンスライターとして活動中。著書に「有機化学美術館へようこそ」（技術評論社），「医薬品クライシス」（新潮社），「『ゼロリスク社会』の罠」（光文社），「炭素文明論」（新潮社），「世界史を変えた薬」（講談社）など。
[ ご専門 ] 有機化学

152016.1 No.168

ペロブスカイト太陽電池研究用試薬

高純度ハロゲン化鉛

L0279 Lead(II) Iodide (99.99%, trace metals basis) (1)1g 2,800 円
1g 2,800 円
L0288 Lead(II) Bromide (2)1g 2,800 円
L0292 Lead(II) Chloride (3)L0291 Lead(II) Chloride (purified by sublimation) (4)5g 9,500 円 25g 35,100 円
5g 9,500 円 25g 35,100 円
5g 8,500 円 25g 29,500 円
1g 8,000 円 5g 28,000 円

近年，ペロブスカイト太陽電池の研究は飛躍的な進歩を遂げており，CIGS 系太陽電池のエネル
ギー変換効率（PCE）に匹敵する 20% 効率が報告されています 1)。さらに，塗布工程によるデバイ
ス作成が可能であり，低コストに製造できるものと期待されています。一般に，再現性のある高い
PCE を得るためには，純度の高い素材を用いることが重要となります。
各種ハロゲン化鉛（1 ～ 4）は，弊社の巧みな精製技術により高純度化されています。例えば，ヨウ化鉛（1）は水分を極めて低減しており，不純物金属に基づく純度（Trace metal basis）は99.99% を保証しています。1 は DMF などの有機溶媒に対する溶状が澄明であり，一段階溶液法，二段階溶液法などの塗布型のデバイス作成には特に向いています 2,3)。臭化鉛（2）は他のハロゲン化物と混合した一段階溶液法により，吸収波長の異なるデバイスの作成に適しています。また，最近では臭化鉛ペロブスカイトを用いた発光素子の開発も行われています 4)。塩化鉛は通常の太陽電池グレードの製品 3 のほか，昇華精製することで高純度化した製品 4 も販売しています。塩化鉛はヨウ化メチルアンモニウム（MAI）との共蒸着法によるデバイス作成のほか，MAI と 1：3 の比率で混合した一段階溶液法による塗布型デバイス作成にも有用です 5)。

文献1) High-performance photovoltaic perovskite layers fabricated through intramolecular exchange
W. S. Yang, J. H. Noh, N. J. Jeon, Y. C. Kim, S. Ryu, J. Seo, S. I. Seok, Science 2015, 348, 1234.
2) 若宮淳志 , 遠藤克 , 村田靖次郎 , 国立大学法人京都大学 , 特開 2015-138822.
3) Reproducible fabrication of efficient perovskite-based solar cells: X-ray crystallographic studies on theformation of CH3NH3PbI3 layers
A. Wakamiya, M. Endo, T. Sasamori, N. Tokitoh, Y. Ogomi, S. Hayase, Y. Murata, Chem. Lett. 2014, 43, 711.
4) Bright light-emitting diodes based on organometal halide perovskite
Z.-K. Tan, R. S. Moghaddam, M. L. Lai, P. Docampo, R. Higler, F. Deschler, M. Price, A. Sadhanala, L. M.
Pazos, D. Credgington, F. Hanusch, T. Bein, H. J. Snaith, R. H. Friend, Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 687.
5) Role of chloride in the morphological evolution of organo-lead halide perovskite thin films
S. T. Williams, F. Zuo, C.-C. Chueh, C.-Y. Liao, P.-W. Liang, A. K.-Y. Jen, ACS Nano 2014, 8, 10640.

関連製品 水分低減 有機オニウム塩
M2556
M2589
F0974
F0973
I0970
A2902

16

Methylamine Hydroiodide (Water <100 ppm)
Methylamine Hydrobromide (Water <100 ppm)
Formamidine Hydroiodide (Water <100 ppm)
Formamidine Hydrobromide (Water <100 ppm)
Imidazole Hydroiodide (Water <100 ppm)
Acetamidine Hydroiodide (Water <100 ppm)

1g 4,900 円

5g 15,000 円 25g 45,000 円
1g 4,900 円 5g 15,000 円
1g 8,400 円 5g 29,500 円
1g 6,200 円 5g 21,500 円
1g 8,000 円 5g 28,000 円
1g 7,200 円 5g 25,200 円

2016.1 No.168

エステル合成用アルキル化試薬
5mL 9,100 円
5mL 7,500 円 25mL 25,300 円
5mL 7,500 円 25mL 25,300 円
1g 6,900 円
5g 24,000 円
1mL 4,800 円 5mL 16,700 円

D4587 N,N'-Diisopropyl-O-methylisourea (1)E1058 O-Ethyl-N,N'-diisopropylisourea (2)T3123 O,N,N'-Triisopropylisourea (3)B4178 O-tert-Butyl-N,N'-diisopropylisourea (4)B4480 O-Benzyl-N,N'-diisopropylisourea (5)
OR

Me

Me

N C NHMeMe

1: R = Me
2: R = Et
3: R = i-Pr
4: R = t-Bu
5: R = Bn

O -アルキルイソウレア類（1 ～ 5）はカルボン酸を直接アルキル化し，対応するエステルに変換できる有用なアルキル化試薬です。例えば Golding らは N ,N' -ジイソプロピル-O -メチルイソ尿素（1）を用いた 1-シクロブテンカルボン酸のエステル化反応を報告しており，温和な条件下で対応するメ
チルエステル体が高収率で得られています 1)。
1 (1.1 eq.)
COOH

COOCH3

Et2O, rt, 48 h

(Y. 81% )また Linclau らは，4 および 5 を用いたマイクロ波照射下でのエステル化反応を報告しており，
短時間で対応するエステルが高収率で得られています 2)。
Entry

Isourea (eq.)

Carboxylic acid

Yield (%) of estera)

OH

O
R

OH

1

O

4, 5
THF, 120-130 °C, 5 minR

5 (1.3)

Me

COOH

83

NHBoc

OR

Microwave Irradiation
2

COOH

4 (4.5)87NHa) Isolated yield after column chromatography.

その他，2 および 3 についても以下のようなエステル化反応が報告されています 3)。
HO

O

Me
Me Me

OH

2 or 3

HO

O

Me
Me Me

OR
R = Et, i-Pr

文献
1) Resistance-modifying agents. 8. Inhibition of O6-alkylguanine-DNA alkyltransferase by O6-alkenyl-, O6cycloalkenyl-, and O6-(2-oxoalkyl)guanines and potentiation of temozolomide cytotoxicity in vitro by O6(1-cyclopentenylmethyl)guanine
R. J. Griffin, C. E. Arris, C. Bleasdale, F. T. Boyle, A. H. Calvert, N. J. Curtin, C. Dalby, S. Kanugula, N. K.
Lembicz, D. R. Newell, A. E. Pegg, B. T. Golding, J. Med. Chem. 2000, 43, 4071.
2) Microwave-accelerated O-alkylation of carboxylic acids with O-alkylisoureas
S. Crosignani, P. D. White, B. Linclau, Org. Lett. 2002, 4, 2961.
3) Kinetic resolution of racemic α-tert-alkyl-α-hydroxy esters by enantiomer-selective carbamoylation
N. Kurono, K. Ohtsuga, M. Wakabayashi, T. Kondo, H. Ooka, T. Ohkuma, J. Org. Chem. 2011, 76, 10312.

17

2016.1 No.168

安定で取り扱いの容易なフッ素化剤 原試薬
1g 7,600 円 5g 24,900 円 25g 85,600 円

P2140 IF5-Pyridine-HF (1)
Cl

Cl

1a)

IF5-Pyridine-HF

(1)

S
CH3

(2.3 eq.)

CH2Cl2, rt, 24 h

CO2Et

S
CH3

F

CO2Et

Y. 89%
1a)

S
S

CF3

IF5-Pyridine-HF

(1)

SCH3

(3 eq.)

CH2Cl2, rt, 12 h
Y. 78%

IF5- ピリジン-HF（1）は原らにより開発された新しいフッ素化剤です。1 は結晶性のフッ素化剤で，空気に安定で非吸湿性なため取扱いが容易な試薬です。1 は種々のスルフィドをフッ素化することが可能です 1)。また，1 はアルケンを立体かつ位置選択的にヨウ化フッ素化することも可能です 2)。

文献1) Fluorination reactions of sulfidesa) S. Hara, M. Monoi, R. Umemura, C. Fuse, Tetrahedron 2012, 68, 10145. b) M. Kunigami, S. Hara, J. Fluorine
Chem. 2014, 167, 101. c) T. Inoue, C. Fuse, S. Hara, J. Fluorine Chem. 2015, 179, 48. d) M. Kunigami, S. Hara,
Carbohydr. Res. 2015, 417, 78.
2) Iodofluorination of alkenes
S. Yano, S. Hara, Synthesis 2015, 47, 2839.

フルギド系フォトクロミック材料

アベルクロム 670
200mg 4,600 円 1g 16,100 円

A2869 Aberchrome 670 (1)
O

O
O

O

O

O

UV
Vis

O

O

1

ジアリールエテン 1) やフルギド類 2) の閉環化合物は熱的に安定であり，可視光の照射により元の開環化合物へ戻る P 型フォトクロミック材料として知られています。フルギド系フォトクロミック
材料として，アベルクロム 670（1）を製品化しました。

文献1) Review: Diarylethenes for memories and switches
M. Irie, Chem. Rev. 2000, 100, 1685.
2) X-ray diffraction analysis of photochromic reaction of fulgides: Crystalline state reaction induced by twophoton excitation
J. Harada, R. Nakajima, K. Ogawa, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 7085.

18

2016.1 No.168

クルクミンの抗腫瘍活性を向上させた新しい類縁体20mg 9,800 円 100mg 29,500 円

B4823 GO-Y030 (1)
O
CH3O

O

O

CH3O

O

O

O

OCH3

O

CH3O

OCH3

HO

OH

OCH3

GO-Y030 (1)Curcumin (2)クルクミン（2）は，種々の悪性腫瘍に対する化学的予防剤および化学療法剤としての可能性が示されていましたが，生物学的利用能が低いため利用されていませんでした。GO-Y030（1）は柴田と岩渕らにより開発された，生物学的利用能だけでなく腫瘍増殖抑制能力も改善した新しいクルク
ミン類縁体で，2 の 30 倍の腫瘍細胞増殖抑制効果を示したことが報告されています 1)。さらに，1の抗腫瘍活性に関係する様々な研究が行われています 2)。例えば，1 はシグナル伝達兼転写活性化因子 3（STAT3）2a,b) や IKKβ キナーゼ 2c) を阻害しています。また，がん幹細胞の増殖も抑制しています 2b)。さらに，抗腫瘍活性に関する構造活性相関解析も行われています 3)。
本製品は試薬であり，試験・研究用のみにご利用ください。
文献1) H. Shibata, H. Yamakoshi, A. Sato, H. Ohori, Y. Kakudo, C. Kudo, Y. Takahashi, M. Watanabe, H. Takano, C.
Ishioka, T. Noda, Y. Iwabuchi, Cancer Sci. 2009, 100, 956.
2) a) B. Hutzen, L. Friedman, M. Sobo, L. Lin, L. Cen, S. De Angelis, H. Yamakoshi, H. Shibata, Y. Iwabuchi, J.
Lin, Int. J. Oncol. 2009, 35, 867. b) L. Lin, Y. Liu, H. Li, P.-K. Li, J. Fuchs, H. Shibata, Y. Iwabuchi, J. Lin, Br. J.
Cancer 2011, 105, 212. c) A. Sato, C. Kudo, H. Yamakoshi, Y. Uehara, H. Ohori, C. Ishioka, Y. Iwabuchi, H.
Shibata, Cancer Sci. 2011, 102, 1045. d) C. Kudo, H. Yamakoshi, A. Sato, H. Ohori, C. Ishioka, Y. Iwabuchi, H.
Shibata, Anticancer Res. 2011, 31, 3719.
3) A. Kohyama, H. Yamakoshi, S. Hongo, N. Kanoh, H. Shibata, Y. Iwabuchi, Molecules 2015, 20, 15374.
20mg 9,800 円 100mg 29,500 円

関連製品 H1525 GO-Y078

キナーゼ阻害剤
200mg 14,000 円 1g 48,700 円

T3074 Tyrphostin A1 (1)
CN
CH3O

CH C
CN

1

チルホスチンはプロテインチロシンキナーゼドメインの基質サブサイトに結合するように設計された小分子群です 1)。チルホスチン A1（1）はシグナル伝達兼転写活性因子 4（STAT4）のリン酸化を阻害します。また，STAT3 のリン酸化は 1 によってダウンレギュレートされます 2)。一方，1は上皮成長因子受容体キナーゼ（EGFRK）には高い IC50（>1,250 μM）を示すので，しばしばネガ
ティブコントロールとして使用されます 3,4)。
1 は組換えアデノ随伴ウイルスによる導入遺伝子の発現を増強させるために使用されています 5)。
それによると，500 μM の 1 で細胞を処理すると，細胞当り 100 ウイルス粒子までのレベルで 1,000倍の増強が達成できることが示されています。
STAT: signal transducer and activator of transcription, EGFRK: epidermal growth factor receptor kinase

本製品は試薬であり，試験・研究用のみにご利用ください。
文献
1) A. Gazit, P. Yaish, C. Gilon, A. Levitzki, J. Med. Chem. 1989, 32, 2344.
2) N. Sugimoto, M. Nakahira, H.-J. Ahn, M. Micallef, T. Hamaoka, M. Kurimoto, H. Fujiwara, Eur. J. Immunol. 2003,
33, 243.
3) M. Nielsen, K. Kaltoft, M. Nordahl, C. Röpke, C. Geisler, T. Mustelin, P. Dobson, A. Svejgaard, N. Ødum, Proc.
Natl. Acad. Sci. USA 1997, 94, 6764.
4) K. Takeyama, K. Dabbagh, H.-M. Lee, C. Agustí, J. A. Lausier, I. F. Ueki, K. M. Grattan, J. A. Nadel, Proc. Natl.
Acad. Sci. USA 1999, 96, 3081.
5) A. D. Smith, R. F. Collaco, J. P. Trempe, J. Virol. 2003, 77, 6394.

19

第2回インターフェックス大阪

2 0 1 6 年 2月2 4日（ 水 ）〜2 6日（金） インテックス大阪

第89回日本薬理学会年会

2 0 1 6 年 3月9日
（ 水 ）〜1 1日（金） パシフィコ横浜 会議センター

日本 化 学 会 第 96春季年会( 2 0 1 6 ) 付設展示会

2016年3月24日（木）〜26日（土） 同志社大学 京田辺キャンパス（デイヴィス記念館）

日本薬学会第136年会併催展示会

2 0 1 6 年 3月2 7日（日）〜2 9日
（火） パシフィコ横浜 展示ホール