フラーレン誘導体
【課題】非ＩＰＲ型のフラーレンの電子分布を明らかにし、化学反応サイト（部位）を特定し、かつ、化学反応サイトの化学的特性を把握することによって、物理的特性（溶解度など）や化学的特性（化学反応性など）を所望の特性に制御することができるフラーレン誘導体を提供すること。
【解決手段】縮合している二つの炭素五員環５０のそれぞれの縮合化学結合において、二個の炭素原子のうちの少なくとも一個を、かご型分子の外側から化学修飾する。
【解決手段】縮合している二つの炭素五員環５０のそれぞれの縮合化学結合において、二個の炭素原子のうちの少なくとも一個を、かご型分子の外側から化学修飾する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラーレン誘導体の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フラーレンは，炭素六員環と炭素五員環とで構成されていて，１２個の炭素五員環によって、閉じた「かご型分子」となる。
【０００３】
フラーレンにおいては、炭素五員環が互いに接触していないとき、すなわち、どの炭素五員環も５個の炭素六員環によって取り囲まれているとき、安定である、といわれている。この経験則を "Isolated Pentagon Rule"（以下、ＩＰＲ）という。
【０００４】
ＩＰＲを満たすフラーレン（以下、ＩＰＲフラーレンとよぶ）としては、炭素原子数が７０個以下では、Ｃ６０（炭素原子数が６０個のサッカーボール型）とＣ７０（炭素原子数が７０個で、ラグビーボール型）の二種類が知られている。炭素原子数が７０個を超えると、高次フラーレン（higher fullerene）と呼ばれている。
【０００５】
一方、フラーレン分子を化学修飾する化学的手段はいろいろと知られていて、いずれも分子のかごの外側を化学修飾している。例えば、非特許文献１を参照。このように化学修飾されているフラーレンを「フラーレン誘導体」と呼ぶ。例えば、特許文献１や特許文献２など。ここでフラーレン分子を互いに化学修飾して連結したフラーレン誘導体も知られている。以上のフラーレン誘導体はいずれも、ＩＰＲフラーレンを基に誘導体化されている。
【０００６】
ＩＰＲを満たさないフラーレン（以下「非ＩＰＲフラーレン」と呼ぶ）は、極めて不安定であるといわれている。その理由は、二つの炭素五員環が縮合した（接触した）場合、それらの五員環と近傍との「ゆがみ」が大きくなるため、とされている。以下、このような縮合した二つの五員環を「五員環対」と呼ぶ。一つの五員環対は８個の炭素原子から構成されている。また、一つの五員環対において、二つの五員環を縮合している化学結合を、以下「縮合化学結合」と呼ぶ。
【０００７】
非ＩＰＲフラーレンの一種であるＣ６６は、その「かご」の内側に、金属を内包することが実験的に観測されている。非ＩＰＲフラーレンは多種多様に存在すると思われるが、このように観測された例は珍しい。非特許文献２を参照。
【０００８】
非ＩＰＲフラーレンにおける化学反応サイト（化学反応部位）の化学的性質は、炭素五員環対とその近傍も含めて、ほとんど知られていない。
【特許文献１】特開２００５―２６３６９２号公報
【特許文献２】特開平９―２５２４６号公報
【非特許文献１】Lecture Notes on Fullerene Chemistry, by R. Taylor, Imperial College Press (London, 1999）第２章、第６章。
【非特許文献２】Endofullerenes : a New Family of Carbon Clusters, edited by Takeshi Akasaka and Shigeru Nagase. Kluwer Academic Publishers (Dordrecht , 2002）第９章，pp. 185-216。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上のように、従来の安定なフラーレン類ではＩＰＲ型であって、非ＩＰＲ型をどのように利用すればよいか、明らかではなかった。
【００１０】
解決しようとする課題は、非ＩＰＲ型フラーレンの電子分布の特徴を明らかにし、その電子分布に基づいて、炭素五員環対とその近傍の化学反応サイトの化学的特性を把握することによって、非ＩＰＲ型フラーレン類を安定した状態のフラーレン誘導体として提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記課題を解決するために、縮合している二つの炭素五員環がかご型分子の外側から化学修飾されている構造を有することを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項１に記載のフラーレン誘導体において、前記縮合している二つの炭素五員環のそれぞれにおいて、八個の炭素原子のうち少なくとも一個がかご型分子の外側から化学修飾されている構造を有することを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項１に記載のフラーレン誘導体において、前記縮合している二つの炭素五員環のそれぞれの縮合化学結合において、二個の炭素原子のうちの少なくとも一個がかご型分子の外側から化学修飾されている構造を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、フラーレンが非ＩＰＲ型であっても炭素五員環対が化学修飾されている構造を有することで、金属原子や金属イオンを内包しなくても、安定化されたフラーレン誘導体を多種多様に（炭素数がいろいろ可能になり、かごのサイズや形を選べるようになること）提供することができる。また、誘導体化する際に利用する化学修飾用の官能基を選択することによって、物理的特性（溶解度など）や化学的特性（化学反応性など）を所望の特性に制御することができる非ＩＰＲ型のフラーレン誘導体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の非ＩＰＲ型のフラーレン誘導体は、炭素五員環対を有し、かつ、その五員環対上において化学修飾されている構造を有するものである。このとき、炭素五員環対一個において八個の化学反応サイト（炭素原子）があり、それらのサイトの少なくとも一個が化学修飾されているようにする。このようにすることで、金属原子や金属イオンを内包しなくても、非ＩＰＲ型フラーレンの誘導体が安定化し、かつ、物理的特性（溶解度など）や化学的特性（化学反応性など）を所望の特性に制御することができる。
【実施例】
【００１６】
本発明を実施するための形態を以下、実施例により説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００１７】
非ＩＰＲ型のフラーレンの例（Ｃ６６分子）を図１に示す。この図では、三次元的かご型分子を二次元の平面上に射影していて、シュレーゲル線図（Schlegel diagram）と呼ばれている。この分子では炭素原子数が６６個で、分子の幾何学的対称性は、Ｃ２ｖである。
【００１８】
図1に基づき説明する。このフラーレンでは、２３個の炭素六員環６０と１２個の炭素五員環５０が読み取れる。それらの炭素五員環５０のうち四個が、二つの五員環対をつくり、図の上と下に分かれて置かれている。
【００１９】
図１において、二つの炭素五員環対を除く、残りの八個の炭素五員環５０はＩＰＲを満たしている。
【００２０】
図１の分子に原子価論と分子軌道法とを適用した結果、次の事実が明らかになった。スピン密度は、Ｃ６６カチオンでは炭素原子１と炭素原子４とで大きくて、Ｃ６６アニオンでは炭素原子９と炭素原子１６とで大きくて、Ｃ６６三重項状態では炭素原子９と炭素原子１６とで大きい。非ＩＰＲフラーレンおいては、五員環対近傍に局在化した電子の分子軌道エネルギーが上昇して、不安定化するのである。なお、符号１〜２０は、炭素原子を表している。
【００２１】
前項の結果から、非ＩＰＲフラーレンであるＣ６６分子は、図１の、下方にある五員環対においては炭素原子９で、上方にある五員環対においては炭素原子１６で、合計二個の炭素原子が化学修飾されていれば、金属原子や金属イオンを内包しなくても、安定に存在することが明らかになった。最も簡単な化学修飾基として、水素原子を選べる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
ＩＰＲフラーレン誘導体は、数多くの特許が開示しているように、産業上利用されてきている。本発明では、不安定なため利用できなかった非ＩＰＲフラーレンを誘導体化して安定化する。非ＩＰＲフラーレンは、炭素原子数やかごのサイズや形がＩＰＲフラーレンとは異なる。したがって、安定化された非ＩＰＲフラーレン誘導体は、ＩＰＲフラーレン誘導体と同様な産業上の利用に加えて、さらに、多様な、炭素原子数やかごのサイズや形がＩＰＲフラーレンとは異なる、産業上の利用の可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例に係わる非ＩＰＲ型フラーレンを示す、立体を平面に射影した、概念図である。
【符号の説明】
【００２４】
１〜２０ 炭素原子
５０ 炭素五員環
６０ 炭素六員環
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラーレン誘導体の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フラーレンは，炭素六員環と炭素五員環とで構成されていて，１２個の炭素五員環によって、閉じた「かご型分子」となる。
【０００３】
フラーレンにおいては、炭素五員環が互いに接触していないとき、すなわち、どの炭素五員環も５個の炭素六員環によって取り囲まれているとき、安定である、といわれている。この経験則を "Isolated Pentagon Rule"（以下、ＩＰＲ）という。
【０００４】
ＩＰＲを満たすフラーレン（以下、ＩＰＲフラーレンとよぶ）としては、炭素原子数が７０個以下では、Ｃ６０（炭素原子数が６０個のサッカーボール型）とＣ７０（炭素原子数が７０個で、ラグビーボール型）の二種類が知られている。炭素原子数が７０個を超えると、高次フラーレン（higher fullerene）と呼ばれている。
【０００５】
一方、フラーレン分子を化学修飾する化学的手段はいろいろと知られていて、いずれも分子のかごの外側を化学修飾している。例えば、非特許文献１を参照。このように化学修飾されているフラーレンを「フラーレン誘導体」と呼ぶ。例えば、特許文献１や特許文献２など。ここでフラーレン分子を互いに化学修飾して連結したフラーレン誘導体も知られている。以上のフラーレン誘導体はいずれも、ＩＰＲフラーレンを基に誘導体化されている。
【０００６】
ＩＰＲを満たさないフラーレン（以下「非ＩＰＲフラーレン」と呼ぶ）は、極めて不安定であるといわれている。その理由は、二つの炭素五員環が縮合した（接触した）場合、それらの五員環と近傍との「ゆがみ」が大きくなるため、とされている。以下、このような縮合した二つの五員環を「五員環対」と呼ぶ。一つの五員環対は８個の炭素原子から構成されている。また、一つの五員環対において、二つの五員環を縮合している化学結合を、以下「縮合化学結合」と呼ぶ。
【０００７】
非ＩＰＲフラーレンの一種であるＣ６６は、その「かご」の内側に、金属を内包することが実験的に観測されている。非ＩＰＲフラーレンは多種多様に存在すると思われるが、このように観測された例は珍しい。非特許文献２を参照。
【０００８】
非ＩＰＲフラーレンにおける化学反応サイト（化学反応部位）の化学的性質は、炭素五員環対とその近傍も含めて、ほとんど知られていない。
【特許文献１】特開２００５―２６３６９２号公報
【特許文献２】特開平９―２５２４６号公報
【非特許文献１】Lecture Notes on Fullerene Chemistry, by R. Taylor, Imperial College Press (London, 1999）第２章、第６章。
【非特許文献２】Endofullerenes : a New Family of Carbon Clusters, edited by Takeshi Akasaka and Shigeru Nagase. Kluwer Academic Publishers (Dordrecht , 2002）第９章，pp. 185-216。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上のように、従来の安定なフラーレン類ではＩＰＲ型であって、非ＩＰＲ型をどのように利用すればよいか、明らかではなかった。
【００１０】
解決しようとする課題は、非ＩＰＲ型フラーレンの電子分布の特徴を明らかにし、その電子分布に基づいて、炭素五員環対とその近傍の化学反応サイトの化学的特性を把握することによって、非ＩＰＲ型フラーレン類を安定した状態のフラーレン誘導体として提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記課題を解決するために、縮合している二つの炭素五員環がかご型分子の外側から化学修飾されている構造を有することを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項１に記載のフラーレン誘導体において、前記縮合している二つの炭素五員環のそれぞれにおいて、八個の炭素原子のうち少なくとも一個がかご型分子の外側から化学修飾されている構造を有することを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項１に記載のフラーレン誘導体において、前記縮合している二つの炭素五員環のそれぞれの縮合化学結合において、二個の炭素原子のうちの少なくとも一個がかご型分子の外側から化学修飾されている構造を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、フラーレンが非ＩＰＲ型であっても炭素五員環対が化学修飾されている構造を有することで、金属原子や金属イオンを内包しなくても、安定化されたフラーレン誘導体を多種多様に（炭素数がいろいろ可能になり、かごのサイズや形を選べるようになること）提供することができる。また、誘導体化する際に利用する化学修飾用の官能基を選択することによって、物理的特性（溶解度など）や化学的特性（化学反応性など）を所望の特性に制御することができる非ＩＰＲ型のフラーレン誘導体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の非ＩＰＲ型のフラーレン誘導体は、炭素五員環対を有し、かつ、その五員環対上において化学修飾されている構造を有するものである。このとき、炭素五員環対一個において八個の化学反応サイト（炭素原子）があり、それらのサイトの少なくとも一個が化学修飾されているようにする。このようにすることで、金属原子や金属イオンを内包しなくても、非ＩＰＲ型フラーレンの誘導体が安定化し、かつ、物理的特性（溶解度など）や化学的特性（化学反応性など）を所望の特性に制御することができる。
【実施例】
【００１６】
本発明を実施するための形態を以下、実施例により説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００１７】
非ＩＰＲ型のフラーレンの例（Ｃ６６分子）を図１に示す。この図では、三次元的かご型分子を二次元の平面上に射影していて、シュレーゲル線図（Schlegel diagram）と呼ばれている。この分子では炭素原子数が６６個で、分子の幾何学的対称性は、Ｃ２ｖである。
【００１８】
図1に基づき説明する。このフラーレンでは、２３個の炭素六員環６０と１２個の炭素五員環５０が読み取れる。それらの炭素五員環５０のうち四個が、二つの五員環対をつくり、図の上と下に分かれて置かれている。
【００１９】
図１において、二つの炭素五員環対を除く、残りの八個の炭素五員環５０はＩＰＲを満たしている。
【００２０】
図１の分子に原子価論と分子軌道法とを適用した結果、次の事実が明らかになった。スピン密度は、Ｃ６６カチオンでは炭素原子１と炭素原子４とで大きくて、Ｃ６６アニオンでは炭素原子９と炭素原子１６とで大きくて、Ｃ６６三重項状態では炭素原子９と炭素原子１６とで大きい。非ＩＰＲフラーレンおいては、五員環対近傍に局在化した電子の分子軌道エネルギーが上昇して、不安定化するのである。なお、符号１〜２０は、炭素原子を表している。
【００２１】
前項の結果から、非ＩＰＲフラーレンであるＣ６６分子は、図１の、下方にある五員環対においては炭素原子９で、上方にある五員環対においては炭素原子１６で、合計二個の炭素原子が化学修飾されていれば、金属原子や金属イオンを内包しなくても、安定に存在することが明らかになった。最も簡単な化学修飾基として、水素原子を選べる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
ＩＰＲフラーレン誘導体は、数多くの特許が開示しているように、産業上利用されてきている。本発明では、不安定なため利用できなかった非ＩＰＲフラーレンを誘導体化して安定化する。非ＩＰＲフラーレンは、炭素原子数やかごのサイズや形がＩＰＲフラーレンとは異なる。したがって、安定化された非ＩＰＲフラーレン誘導体は、ＩＰＲフラーレン誘導体と同様な産業上の利用に加えて、さらに、多様な、炭素原子数やかごのサイズや形がＩＰＲフラーレンとは異なる、産業上の利用の可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例に係わる非ＩＰＲ型フラーレンを示す、立体を平面に射影した、概念図である。
【符号の説明】
【００２４】
１〜２０ 炭素原子
５０ 炭素五員環
６０ 炭素六員環
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縮合している二つの炭素五員環がかご型分子の外側から化学修飾されている構造を有することを特徴とするフラーレン誘導体。
【請求項２】
請求項１に記載のフラーレン誘導体において、前記縮合している二つの炭素五員環のそれぞれにおいて、八個の炭素原子のうち少なくとも一個がかご型分子の外側から化学修飾されている構造を有することを特徴とするフラーレン誘導体。
【請求項３】
請求項１に記載のフラーレン誘導体において、前記縮合している二つの炭素五員環のそれぞれの縮合化学結合において、二個の炭素原子のうちの少なくとも一個がかご型分子の外側から化学修飾されている構造を有することを特徴とするフラーレン誘導体。
【請求項１】
縮合している二つの炭素五員環がかご型分子の外側から化学修飾されている構造を有することを特徴とするフラーレン誘導体。
【請求項２】
請求項１に記載のフラーレン誘導体において、前記縮合している二つの炭素五員環のそれぞれにおいて、八個の炭素原子のうち少なくとも一個がかご型分子の外側から化学修飾されている構造を有することを特徴とするフラーレン誘導体。
【請求項３】
請求項１に記載のフラーレン誘導体において、前記縮合している二つの炭素五員環のそれぞれの縮合化学結合において、二個の炭素原子のうちの少なくとも一個がかご型分子の外側から化学修飾されている構造を有することを特徴とするフラーレン誘導体。
【図１】
【公開番号】特開２００７−１４５６３５（Ｐ２００７−１４５６３５Ａ）
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３４１１０６（Ｐ２００５−３４１１０６）
【出願日】平成１７年１１月２５日（２００５．１１．２５）
【出願人】（５０５３９５２２７）国立大学法人上越教育大学 (2)
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２５日（２００５．１１．２５）
【出願人】（５０５３９５２２７）国立大学法人上越教育大学 (2)
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【Ｆターム（参考）】
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