大阪大学産業科学研究所のMohamed S. H. Salem特任助教（常勤）、滝澤忍教授、同大学大学院工学研究科の安田誠教授らの共同研究グループは、入手容易な市販原料であるアニリン、キノン、ナフトール類を用いて電解合成を行うことで、世界で初めて簡便・安全・低コストな非対称ヘテロ[8]サーキュレン骨格の構築に成功しました。また、新規ヘテロ[8]サーキュレンの分子構造・電子の動き・光や電気への反応性を解析した結果から、本サーキュレンが有機光触媒として機能することを明らかにしました（図1）。この電解合成の副生物は水のみであり、環境にも低負荷なπ共役分子の合成方法として、有機太陽電池、液晶材料など幅広い分野での応用が期待されます。

本研究成果は、Springer Nature社 『Nature Communications』 に7月1日（火）に公開されました。

図1. 『電気』で触媒製造し、『光』で触媒制御するグリーン触媒反応プロセスの開拓

[8]サーキュレンは、8つのベンゼン環が輪のようにつながった構造を有する分子で、広いπ共役系を持ちます。中でもヘテロ[8]サーキュレンは、窒素（N）や酸素（O）、硫黄（S）などといったヘテロ原子の種類や数、導入する位置を変えることでπ共役骨格の電子的・光学的・化学的性質を自在に調整でき、有機EL、有機トランジスタ、有機太陽電池、液晶材料、エネルギー関連材料など幅広い分野での応用が期待されています。多様なヘテロ[8]サーキュレンがデザイン可能なものの、実際はタイプI, II, III（図2）の合成が報告されているのみです。

図2. これまでに合成された3つタイプのヘテロ[8]サーキュレン

これはヘテロ[8]サーキュレン合成法が、多段階反応による低収率、高温などの過酷な条件、高価な金属試薬や大量の酸化剤の使用を必要とし、官能基及び位置選択性の問題を避けるために対称な構造を有する原料を用いることが一因でした。そのため既存骨格の修飾による機能調整が研究の主流となり、新しい骨格や非対称構造の探索はほとんど研究されてきませんでした。

今回研究グループは、環境調和性と高い化学選択性が期待できる有機電解合成に着目しました。これまでに当研究室が開発してきたヘテロ環を含むヘリセンやその誘導体の電解合成法を応用し、5つの6員環と3つの5員環からなる新しいタイプ（Type Ⅳ）の非対称型ヘテロ[8]サーキュレンの合成手法を設計しました。この方法は市販原料からワンポットで6本の新しい結合を形成でき、効率的かつ簡便です（図3）。

図3. タイプⅣ（新規）の非対称型ヘテロ[8]サーキュレンの電解ドミノ合成

得られた非対称型ヘテロ[8]サーキュレンについては、X線結晶構造解析・吸収スペクトル測定・密度汎関数理論計算などにより構造・光学・電子特性を詳細に評価しました。特に、この分子は低還元電位のカルバゾール供与部位と電荷輸送・電子注入性を持つベンゾビスベンゾフラン受容部位を兼ね備えており、有機光触媒としての機能が期待されました。実際、非対称型ヘテロ[8]サーキュレンにLED光を照射すると有機光触媒として機能し、遷移金属（パラジウムなど）フリーな条件下にて、クロスカップリング反応を最大97%の高収率にて促進することを見出しました（図1下）。

今回開発した電気化学合成プロセスは環境に与える負荷が極めて小さく、実際、酸化・還元試薬を必要とせず、副生成物は水のみです。より環境にやさしく効率的な化学変換法の実現を期待させます。私たちの電気化学プラットフォームは、計算化学や機械学習と組み合わせることで、光電子デバイスや有機合成の新しい材料開発研究を加速します。

本研究成果は、2025年7月1日（火）にSpringer Nature社が刊行するオープンアクセスジャーナル 『Nature Communications』 に掲載されました。

タイトル：“Electrochemical cascade access to hetero[8]circulenes as potent organophotocatalysts for diverse C–X bond formations”
著者名：Ahmed S. Gabr, Mohamed S. H. Salem, Md. Imrul Khalid, Ryota Takahashi, Yoshihiro Nishimoto, Makoto Yasuda, Shinobu Takizawa
DOI：10.1038/s41467-025-60889-w

なお、本研究は、JST 戦略的創造研究推進事業「革新反応研究」、及び文部科学省科学研究費助成事業「学術変革研究A：デジタル化による高度精密有機合成の新展開」の一環として行われました。

滝澤忍 教授　研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/992a83c2c3217e47.html