有機・生物化学
有機化学研究室
世の中の問題を解決するような画期的な機能をもつ分子や構造的に美しい分子を創製する研究を行っている。例えば、ナノカーボンを構造的に純粋な分子として自在に合成・活用・理解することを目指し、合成化学や触媒化学を基盤とした「分子ナノカーボン科学」という新分野を開拓している。また、超効率的な分子合成を実現するための新反応や新触媒を開発している。さらに我々が中心となって設立したトランスフォーマティブ生命分子研究所（ITbM）を舞台に、合成化学と植物科学や時間生物学の融合研究領域を生み出している
機能有機化学研究室
ホウ素やケイ素をはじめとする一連の典型元素に注目し、個々の元素の特性を巧みに活かした分子設計と、有機金属化学的手法を用いた新しいタイプの反応開拓による効率的合成法の確立により、真に優れた光機能性・電子機能性有機化合物の創製研究をすすめている。この典型元素化学を基盤とした新物質合成から、有機エレクトロニクスやバイオイメージングへの展開を目指す。
特別研究室
（1）触媒・反応剤や新しいタイプの反応などの研究に基づく効果的合成法の創案（2）構造的に興味ある化合物の合成（3）重要化合物の真に効率的な合成（4）化学合成による有用な物性や新機能をもつ物質の発見と創出、および（5）生物的現象および生理活性の分子レベルにおける解明における融合研究（6）持続可能社会の実現に向けたCO2と水を用いる人工光合成における融合学際研究に焦点をおいて研究を行っている。
生物有機化学研究室
当研究室では主に核酸を研究対象にして創薬分子及び機能性分子の設計原理を有機化学と分子生物学の両観点から研究している。具体的には核酸誘導体を合成し、それらの分子を導入した創薬技術を開発する。例えば、mRNA医薬品、mRNAワクチン、ゲノム編集医療、抗ウイルス薬、抗ガン薬、RNA干渉法、アンチセンス核酸などがキーワードとして挙げられる。有機化学によるこれら分子の合成と分子生物学による機能評価は両分野に精通している研究室ならではの特徴である。これらの分子は生命科学における基礎研究やケミカルバイオロジー研究にも活用できる。遺伝子の世紀と言われる21世紀において核酸研究の重要性は日々増しており、当研究室ではこの分野に基礎と応用の2つの切り口から研究を行っている。
有機金属・材料化学グループ
典型元素化合物と有機金属化合物の有するそれぞれの特性を活用することで、従来にない新しい形式の有機合成反応の開発を行なっている。特に硫黄やホウ素などを含む有機化合物を反応剤として、多様な有機分子群の自在構築を目指し研究を展開している。また独自の配位子設計によって、安定な金属ナノ物質（金ナノ粒子や金ナノクラスターなど）の合成やその触媒機能の開拓を行なっている。さらに開発した反応や化合物を活用することで、トランスフォーマティブ生命分子研究所（ITbM）内で動植物学者との融合研究を推進している。
物理化学
光物理化学研究室
コヒーレントな光のもつ性質を駆使し、先端的分光手法の開拓と新しい超高速現象の発見、化学反応過程の制御に関する研究を行い、物質科学における新たな展開を目指す。特に（1）強レーザーパルスによる超高速分子ダイナミクスの可視化、（2）アト秒領域の超高速分光法の開拓、（3）レーザー反応場による反応コントロール、（4）自由電子レーザー場における非線形光学過程の解明と応用、を推進する。
物性化学研究室
本研究室では、「物質合成」「基礎物性探索」「デバイス展開」研究を縦断的に行う。特徴的なトポロジーをもつ有機伝導体や磁性体を対象に顕著な電子−格子相互作用や電子−電子相互作用を起点とするデバイス特性を追求し、新しい有機エレクトロニクスやエネルギーデバイスを追求している。その一方、トランジスターや光電セル、電気化学セル構造をつくり込むことによって、新たな分子物性を開拓する。物性科学研究と固体電気化学研究を融合し、基礎と応用においてwin-winの成果を目指す。
量子化学研究室
理論及びコンピュータの先端技術を駆使して、化学反応や結合のメカニズムを理解し予測などを行う研究に取り組んでいる。近年、量子力学の方程式を高速計算できる技術（「量子化学計算」）が現れ、化学反応や機能性を計算機上で精密にシミュレートすることが実現されている。本研究室では、先端的な量子化学計算法を駆使した理論研究を進める。挑戦的な化学電子論の問題に向けて、より高い適応性をもつ先進的な理論、アルゴリズム、高性能ソフトウエアの開発研究を行う。実験で提示された問題や未知なる化学や生物化学の謎の解明に取り組み、その原理を導き出すことを目指す。また、計算機を用いた創薬シミュレーションやその手法開発にも取り組んでいる。また、情報科学などの計算技術を取り入れる研究も推し進めている。
無機・分析化学
分子組織化学研究室
生体システムの中に見られる大小様々なビルディングブロック分子は、化学的な多様性があり、また、近年の合成化学やバイオテクノロジーのめざましい進展により、これらの分子への様々な化学修飾や、目的にあった配列やサイズの生体高分子の合成が可能になってきた。そこで、生体に見られる階層的な化学システムから発想を得ることにより、金属錯体などを機能素子とした新しい物質の構築原理の創製、それに伴う機能の創出を目指している。またこれらを、ナノ（分子）レベルの変化とマクロレベルの現象論が双方向に制御できる化学システムの構築へと展開する。
無機化学研究室
様々な化学合成反応において、触媒は極めて重要な働きを担っており、新しい触媒の創製は、物質合成のキーワードである。金属錯体、金属ナノ粒子、酸化物、酵素などの様々な無機物質群を用いた新しい触媒創製を行う。また、先端計測・分光法を用いて、触媒の構造や働きを分子の視点で理解することを目指す。無機化学、物質科学、触媒化学、化学反応学、分光計測等の幅広い分野の視点から、触媒や物質変換を理解するための研究を展開する。
生物無機化学研究室
天然に存在する蛋白質や酵素は、本来の目的とする機能や触媒活性を持つが、蛋白質を構成するアミノ酸を置換する変異導入に代表される蛋白質機能改変や化学的な蛋白質修飾によって、本来とは異なる機能の付与や反応選択性の改変が可能であり、一般的に広く行われる手法として確立されつつある。本研究室では、化学の視点で金属蛋白質や金属酵素を眺め、それらの機能を目的に合わせて改変する新規手法の開発を目指して研究を進めている。たとえば、金属酵素に化学合成した基質類似分子を酵素に取り込ませるだけで変異導入を施すことなしに、基質特異性や反応の位置・立体選択性を変換する手法の開発に成功している。基質類似分子を用いる手法は、これまでに報告例の無い新規手法であるだけでなく、反応によっては、一般的な変異導入法よりも高い効果を示す。蛋白質の結晶構造解析やコンピューターシュミレーションによる構造予測や低分子化合物の結合解析などを駆使して、化学の視点から新規蛋白質機能改変手法の開発に挑む。また、人工核酸と蛋白質の複合体の作成など、核酸を用いる機能性分子の開発も進めており、ペプチド核酸（PNA）について広く研究を展開している。