7月4日、ReadCrystal Technology の創業者である孫俊良（Junliang Sun）教授は、北京大学の研究チームと共同で最新の研究成果を 「Angewandte Chemie International Edition」（IF 16.6） に発表しました。

本研究では、Cryo-3D 電子回折（一般に MicroED として知られる）を用いることで、COF 材料中の水素原子の位置を特定することに成功しました。この画期的成果は、結晶構造解析分野における MicroED 技術の応用をさらに前進させるものであり、非常に重要なブレイクスルーとなっています。

COF 材料では、大きな単結晶を合成すること自体が非常に困難であり、そのため単結晶 X 線回折による構造解析の適用範囲は大きく制限されています。さらに、水素原子の位置特定となると、課題は一層複雑になります。

従来用いられてきた水素原子の位置決定手法――異方性精密化、粉末 X 線回折、単結晶中性子回折など――はいずれも高品質な結晶とデータを必要とします。

一方で、**三次元電子回折（3D ED）は、電子と物質の強いクーロン相互作用により、COF 構造解析において独自の優位性を持ちます。この強い相互作用により、ナノ結晶からでも高い S/N 比を持つ電子回折データを取得することができます。

さらに運動学的精密化（kinematic refinement）**を用いることで、ゲスト分子を含む全ての秩序立った原子――水素原子を含む――の位置を直接特定することが可能になります。

本研究は、COF 材料中のゲスト分子に存在する水素原子の位置を 3D ED によって確認した初めての例であり、重要な先駆的成果となっています。

要約内容

真空中で空孔を持つ COF-300 サンプルは COF-300-V と表記し、水、メタノール、エタノール中で調製された COF-300 サンプルは、それぞれ

COF-300-H₂O、COF-300-CH₃OH、COF-300-C₂H₅OH

と表記します。

COF-300-V における水素原子の位置：

COF-300-V の 3D ED データは 0.85 Å を超える高い分解能を示し、Rint は約 13.64% でした。データの品質は単結晶 X 線回折（SCXRD）に非常に近い水準です。

COF-300-V の 1 本のチャネル構造は、動力学的精密化（dynamic refinement）によって最終的に決定されました（白＝水素、茶＝炭素、青＝窒素）。

COF-300-H₂O における水素原子の位置：

COF-300-H₂O サンプルの cPEDT データは、0.8 Å を上回る分解能を有し、Rint 値は 16.29% でした。

動力学的精密化（dynamic refinement）によって [001] 方向から得られた COF-300-H₂O の構造モデルを示します（白＝水素、茶＝炭素、青＝窒素、赤＝酸素、破線は水素結合相互作用を表します）。

COF-300-H₂O のチャネル内におけるホスト分子とゲスト分子の相互作用について：

水分子は細孔内で規則的な鎖構造を形成しています。

COF-300-CH₃OH および COF-300-C₂H₅OH における水素原子と無秩序な炭素原子の位置：

COF-300-CH₃OH の 3D ED データは 0.85 Å を上回る分解能を示し、COF-300-C₂H₅OH の 3D ED データは 0.9 Å を上回る分解能を示しました。

それぞれの最終的な構造モデルは、動力学的精密化（dynamic refinement）によって得られています（白＝水素、茶＝炭素、青＝窒素、赤＝酸素。破線は水素結合を示し、色付きの球は部分占有サイトを表します）。

COF-300 に吸着したさまざまな溶媒と、それらのホスト–ゲスト相互作用：

COF-300 に吸着したさまざまな溶媒と、それらのホスト–ゲスト相互作用：

得られた構造モデルに基づくと、ホスト分子とゲスト分子の主な相互作用は、

· 窒素原子とヒドロキシ基との水素結合（N_framework···H—O）

· フレームワーク側の水素原子と水分子の酸素原子との水素結合（H_framework···O_H2）

· ファンデルワールス相互作用

であることがわかりました。これらの水素結合は中程度の強さを持っています。

また、水分子同士の相互作用は、メタノールやエタノール分子同士の相互作用よりも強いことが示されました。これらの相互作用の違いが、サンプル調製時に観察された現象を説明しています。

Conclusion（結論）

本研究では、COF の骨格およびゲスト分子に存在する水素原子の位置を、3D ED によって初めて特定することに成功しました。

秩序だった水素原子は、運動学的精密化（kinematic refinement）によって容易に位置決定できました。

さらに、cPEDT データの運動学的精密化により、多くの水素原子位置が確認されました。これは、動力学的効果（dynamic effects）が抑えられたことと、高品質なデータが得られたためです。

水素原子の位置決定により、COF-300 におけるホスト–ゲスト相互作用の詳細を明らかにすることができました。

COF の単結晶育成が難しいこと、そしてホスト–ゲスト相互作用の重要性を踏まえると、cPEDT 手法はこの分野において極めて重要な役割を果たすと考えられます。

本研究成果は、COF の多様な特性の理解を深め、水分子捕集、触媒反応、プロトン移動などの機能を持つフレームワーク材料の研究に有力なツールを提供するものです。