名古屋大学大学院工学研究科の忍久保 洋 教授、髙野 秀明 助教、Wang Kaisheng（ワン カイシェン）博士研究員らの研究グループは、東京都立大学大学院理学研究科 石田 真敏 准教授、Aninda Ghosh博士後期課程学生、大阪大学大学院基礎工学研究科 岸 亮平 准教授、京都大学大学院工学研究科 清水 大貴 助教との共同研究で、反芳香族化合物であるノルコロールに対して芳香族化合物であるアントラセンを連結することでπ共役系を拡張した新規反芳香族化合物を合成する方法を開発しました。また、合成した化合物が1500 nmにまでおよぶ広範囲の近赤外光を吸収することを見いだし、吸収した光を効率的に熱へと変換できることも明らかにしました。

反芳香族化合物は近赤外光を弱いながらも吸収する性質をもつことがこれまでに知られていました。反芳香族化合物であるノルコロールも1100 nmまでの近赤外光を吸収する特性をもちますが、その光吸収効率は非常に低いものでした。本研究では、アントラセンをノルコロールに対して縮環させることでπ共役系を拡張し、ノルコロールの光吸収の性能を大幅に向上させるとともに、さらに第二近赤外光の領域まで長波長化することに成功しました。また、近赤外レーザーを用いた測定により優れた光熱変換特性を示すことを見いだしました。近赤外光は可視光に比べ生体に対する透過性が高く、生体組織の内部にまで届くことが知られています。このため、光吸収によって発生する熱を活用したがん治療等への応用が期待されます。

本研究成果は、2024年10月31日（日本時間）付『アンゲヴァンテ・ケミー・インターナショナル・エディション』オンライン版に掲載されました。

光エネルギーを熱エネルギーに変換する機能をもつ物質は「光熱変換材料」と呼ばれ、エネルギー変換デバイス、触媒、さらにはがん治療などへの応用が期待されています。たとえば、がん治療法の一つである「光温熱治療法」では、光を吸収して熱に変換できる物質を腫瘍内に集積させたのち、外部から光を照射することで局所的に熱を発生させ、その熱によってがん細胞を死滅させることができます。この技術により、低侵襲で副作用の少ないがん治療の実現が期待されています。

このような物質に求められる特性としては、光を効率的に吸収するとともに、そのエネルギーを高い効率で熱に変換することが求められます。また、光に対する安定性も必要となります。光の中でも可視光（図１）は生体透過性が低く、生体組織の内部まで光エネルギーを届けることはできません。一方で、生体透過性の高い近赤外光を吸収する光熱変換材料を開発できれば、生体組織の深部にあるがんに対しても光温熱治療法を適用することが可能になります。このため、近赤外光を効率的に熱に変換でき、高い光安定性をもつ材料の開発に注目が集まっています。

研究グループはポルフィリンの一種であるノルコロールという反芳香族化合物（図２）に着目しました。反芳香族化合物は、狭いエネルギーギャップをもつことから、長波長領域に光吸収をもつことが知られています。ノルコロールも1100 nmまでの近赤外光を吸収する特性をもちますが、その光吸収効率は非常に低いものでした。

今回、ノルコロールに対して芳香族化合物であるアントラセンを縮環させることでπ共役系を拡張した２種類の新規反芳香族化合物を設計し、これを合成する新手法を開発しました（図３）。得られた反芳香族化合物の光吸収特性はもとのノルコロールに比べて大幅に向上しただけでなく、1500 nmにまで長波長化しており、第二近赤外光とよばれる領域にまで到達することが分かりました。

また、今回合成した２種類の反芳香族化合物の溶液に近赤外レーザーを照射し、その温度上昇を計測することで、それぞれの光熱変換特性を評価しました。その結果、アントラセンを１つ縮環させた化合物Aの方が２つ縮環させた化合物Bよりも優れた光熱変換特性を示すことが判明しました。別の測定から、化合物Aの方が化合物Bよりも顕著な反芳香族性を示すことが明らかになっており、反芳香族性と光熱変換特性との間に関係がある可能性が示されました。また、これらの化合物は十分な光安定性をもっており、繰り返し光を照射しても性能低下が見られませんでした。

これまでに、反芳香族化合物は近赤外光を吸収する性質をもつことが知られていました。しかし、その吸収効率は低いものとなっていました。本研究では、反芳香族化合物であるノルコロールのπ共役系を拡張することで、その近赤外光吸収の性能を大幅に向上させ、長波長化することに成功しました。また、顕著な反芳香族性を示す化合物が優れた光熱変換特性を示したことから、反芳香族化合物の光熱変換材料への応用の可能性が示されました。近赤外光は可視光に比べて生体透過性が高く、生体組織の深部にまで到達することが知られているため、光吸収によって発生する熱を活用したがん治療などへの応用が期待されます。