(57)【要約】【課題】水素原子と水酸基が付加されたフラーレン誘導体の製造方法を提供する。【解決手段】水素化フラーレンの酸化によるフラーレン誘導体の製造方法。（及び、水素原子と水酸基が付加されたフラーレン誘導体。）【選択図】  無し【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素化フラーレンを酸化することを特徴とする、フラーレン誘導体の製造方法。
【請求項２】
酸素分子の存在下に酸化することを特徴とする、請求項１に記載のフラーレン誘導体の製造方法。
【請求項３】
反応が有機溶媒中で行われることを特徴とする、請求項１または２に記載のフラーレン誘導体の製造方法。
【請求項４】
水素化フラーレンが、一般式ＣｎＨｍ（ｎは６０または７０、ｍは３０以上の整数）で表されることを特徴とする、請求項１乃至３の何れかに記載のフラーレン誘導体の製造方法。
【請求項５】
酸化反応がトルエン溶媒中、５０℃〜トルエン還流温度の条件下で空気を吹き込むことにより行われることを特徴とする、請求項１乃至４の何れかに記載のフラーレン誘導体の製造方法。
【請求項６】
還元能と親水性を同時に付与されたフラーレン誘導体。
【請求項７】
親水性を有する水素化フラーレン誘導体。
【請求項８】
フラーレン骨格に直接結合した水素原子及び水酸基を有するフラーレン誘導体。
【請求項９】
水に対する溶解度が０．１ｍｇ／Ｌ以上である請求項６乃至８の何れかに記載のフラーレン誘導体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定のフラーレン誘導体の製造方法及びこの特定のフラーレン誘導体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フラーレンを官能基化して得られるフラーレン誘導体は、元となるフラーレンに更に特徴的な性質が付与されたものであり、工業的に種々の用途が期待される。多くの種類の官能基が付加されたフラーレン誘導体が知られているが、その中でも、水素化フラーレン及び水酸化フラーレンは、官能基の導入が容易であるため、種々の官能基化率のものが公知である（水酸化フラーレンについては特許文献１，２，非特許文献１参照、水素化フラーレンについては非特許文献２〜５参照）。水素化フラーレンは、３級のＣ−Ｈ結合となるため酸化されやすく、言い換えれば、還元的な性質を付与されたフラーレン誘導体である。一方、水酸化フラーレンは、水酸基の導入により親水性を付与されたフラーレン誘導体であり、導入された水酸基の数により、水に対する溶解度が異なる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−８０４１４号公報
【特許文献２】
特開平７−４８３０２号公報
【非特許文献１】
Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．１９９４，５９，３９６０．
【非特許文献２】
Ｌ．Ｂｅｃｋｅｒ  ｅｔ  ａｌ  Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．１９９３，５８，７６３０．
【非特許文献３】
Ｃ．Ｒｕｃｈａｒｄｔ  ｅｔ  ａｌ  Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．Ｅｎｇｌ．１９９３，３２，５８４．
【非特許文献４】
Ａ．Ｄ．Ｄａｒｗｉｓｈ  ｅｔ  ａｌ  Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｐｅｒｋｉｎ  Ｔｒａｎｓ．２  １９９５，２３５９．
【非特許文献５】
Ｒ．  Ｅ．Ｈａｕｆｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ  Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．１９９０，９４，８６３４．
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、水素原子と水酸基が付加されたフラーレン誘導体は、この両方の性質を兼ね備えたフラーレン誘導体となることが予想され、種々の分野への応用が期待されるが、この両方の官能基を有するフラーレン誘導体はこれまでに知られていない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、以上の現状を鑑み、水素原子と水酸基が付加されたフラーレン誘導体、すなわち、還元能と親水性を有するフラーレン誘導体について鋭意研究した。この結果、水素化フラーレンを酸化することにより、水素原子の一部が水酸基に置換され、フラーレン骨格上に水素原子と水酸基とを有するフラーレン誘導体が得られることを見出し、本発明を完成した。
【０００６】
即ち、本発明の要旨は、水素化フラーレンを酸化することを特徴とする、フラーレン誘導体の製造方法に存する。本発明の別の要旨は、還元能と親水性を同時に付与されたフラーレン誘導体に存する。本発明の更に別の要旨は、親水性を有する水素化フラーレン誘導体に存する。また、本発明の更に別の要旨は、フラーレン骨格に直接結合した水素原子及び水酸基を有するフラーレン誘導体に存する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明のフラーレン誘導体の製造方法は、水素化フラーレンを酸化する方法である。
本発明の製造方法において原料となる水素化フラーレンは、通常、対応するカーボン数のフラーレンの水素化反応により得られる。フラーレンは、一般式Ｃｎ（ｎは６０以上の整数を表す）、具体的にはＣ６０（いわゆるバックミンスター・フラーレン）、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２、Ｃ８４、Ｃ９０、Ｃ９４、Ｃ９６及びより高次の炭素クラスター骨格を形成しているが、Ｃ６０およびＣ７０が工業的に入手容易なフラーレンであることから、Ｃ６０骨格、Ｃ７０骨格を有する水素化フラーレンが、本発明の製造方法では特に好ましく用いられる。
【０００８】
水素化フラーレンの製造方法としては、Ｈ２、Ｚｎ／ＨＣｌやＬｉ／ＮＨ３に代表される金属還元試薬、ジヒドロアントラセン、ジイミドなどの水素移動試薬、及びボランなどのヒドリド試薬による還元反応など、一般的な水素化フラーレンの製造方法が挙げられる。Ｈ２還元では、Ｒｕ／ＣやＮｉ／Ａｌ２Ｏ３などの触媒を用いる方法、及び触媒を用いずに高温高圧で還元する方法等が挙げられる。具体的には、溶媒を用いて還元剤で処理する方法、例えばＺｎ／ＨＣｌ還元では、フラーレンをトルエンに溶解し、亜鉛粉末及び濃塩酸を加えて室温で攪拌することによって、また、Ｎｉ／Ａｌ２Ｏ３を触媒とする水素還元では、フラーレンをトルエンに溶解し、Ｎｉ／Ａｌ２Ｏ３触媒を加えてから、オートクレーブ中、１〜２５ＭＰａ、好ましくは５ＭＰａの水素を導入した後、５０〜２００℃、好ましくは１５０℃に加熱して攪拌することによって、製造することができる。以上のような公知の水素化フラーレンの製造方法により、一般式ＣｎＨｍ（ｎは６０以上の整数、ｍは２以上４４以下の数）で表される水素化フラーレンが主に製造される。
【０００９】
本発明のフラーレン誘導体における水素化率は、特に限定されないが、還元条件などに依存して異なり、単一の物質の他、水素化率の異なる複数の水素化体との混合物となる場合もある。水素化フラーレンの水素化率は、通常、単一の物質の場合は質量分析（ＭＳ）により、複数の水素化率の異なるフラーレンの混合物の場合は元素分析により、平均水素化率として求められる。本発明の製造方法において原料となる水素化フラーレンの水素化率は、特に限定されないが、Ｃ６０骨格の場合は、Ｃ６０Ｈｍ（ｍは２〜５８の偶数）、好ましくは非特許文献２に報告されているＣ６０Ｈ２、非特許文献３に記載されているＣ６０Ｈ１８、及び非特許文献３〜５に記載されているＣ６０Ｈ３６が合成容易な化合物として適しており、Ｃ７０骨格の場合には、Ｃ７０Ｈｍ（ｍは２〜６８の偶数）、好ましくは非特許文献５に報告されているＣ７０Ｈ３６及びＣ７０Ｈ３８が適している。以上のうち、特に、Ｃ６０Ｈ３６及びＣ７０Ｈ３８が最も安定で好ましい。また、水素化率の異なる複数の水素化体の混合物となる場合は、Ｃ６０骨格はＣ６０Ｈ３６、Ｃ７０骨格はＣ７０Ｈ３８を各々主成分とするものが好ましく、混合物の元素分析値としては、平均値がＣ６０Ｈ３０〜Ｃ６０Ｈ４０またはＣ７０Ｈ３０〜Ｃ７０Ｈ４４であるもの、つまり一般式ＣｎＨｍのｍが３０以上４４以下のものが最も好ましい。
【００１０】
本発明の製造方法において酸化剤を用いる場合は、酸素やオゾンなどの酸化性ガス、ｔ−ＢｕＯＯＨ、Ｈ２Ｏ２、ＮａＩＯ４などの有機または無機の酸化物などの一般的な酸化剤が用いられ、入手、取り扱い及び生成物の単離が容易な酸素が特に好ましく用いられる。酸化剤を用いる場合の量は、酸化剤が酸化作用を発現すれば良く、通常、原料である水素化フラーレンに対して過剰量用いられる。具体的には、原料である水素化フラーレンに対して２〜１０００００等量、好ましくは１０〜５００００等量、更に好ましくは２０〜２００００等量用いられる。酸素で水素化フラーレンを酸化させる場合は、純酸素でも、空気のように他のガスで酸素が希釈されたものでも、酸素が酸化剤として機能すればどちらでも良いが、入手及び取り扱いの容易性の観点から、空気が最も好ましい。
【００１１】
本発明の製造方法における水素化フラーレンの酸化反応の形態としては、固体状態、溶液状態、スラリー状態のいずれでも行うことができる。溶媒を用いずに固体状態で酸化する方法の場合は、酸化剤は気体であることが好ましく、例えば、具体的には、容器に固体状態の水素化フラーレンを入れ、酸化性の気体の存在下で反応温度下で放置することにより行われる。
【００１２】
溶媒を用いる場合は、原料である水素化フラーレンの溶媒に対する溶解度によって、溶液状態又はスラリー状態で反応を行うことになる。この場合、固体、液体、気体のいずれの酸化剤を用いても酸化することができる。例えば、酸素を酸化剤として用いる場合については、溶液状またはスラリー状の水素化フラーレンに対して、反応温度下で含酸素気体を吹き込むことにより行われる。溶媒として用いられるのは、ベンゼン、トルエン、キシレン類、トリメチルベンゼン類などの芳香族炭化水素、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン類などの芳香族ハロゲン化炭化水素、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族炭化水素、及びアセトン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、水などの極性溶媒が挙げられる。原料である水素化フラーレンの溶解性の観点からは、芳香族炭化水素が好ましく、ある程度酸化が進行したフラーレン誘導体を更に酸化する観点からは、酸化生成物に対して親和性を有する極性溶媒が好ましい。また、生成物中の溶媒除去の容易さから、特に前者ではベンゼン、トルエン、後者では水、アセトンが特に好ましく用いられる。反応初期には、反応液が均一になる芳香族炭化水素溶媒が好ましいが、酸化が進行するにつれて溶解性が低下しスラリーとなるため、酸化が進行した段階で溶媒を極性溶媒に変えて更に酸化を進行させるという、２段階の酸化反応が、特に水酸基の多いフラーレン誘導体を製造する際には好ましい手法となる。
【００１３】
水素化フラーレンの酸化反応温度は、反応を固体状態で行うか、又は溶媒を用いて行うか、更に、用いる溶媒の沸点などによって異なるが、通常、最低温度は室温程度で、最高温度は２００℃、好ましくは１３０℃以下で行う。ここで、反応温度が高すぎると水素と水酸基から脱水が起こり、総官能基数が減少する傾向にある。また、反応時間は、通常、短くとも数分、好ましくは１時間以上、長くとも数十日、好ましくは５０日以内で、反応温度及び反応時間を制御することにより、目的とする官能基数の誘導体を製造することができる。
【００１４】
固体酸化反応の場合はそのまま生成物として得られ、また、溶媒を用いた場合は、濾別または濃縮で単離されるが、用いる酸化剤の種類によっては、さらに有機溶媒や水などで洗浄する工程が必要な場合もある。例えば、本発明の好ましい製造方法である酸素酸化で製造する場合は、生成したスラリーを濾過して溶媒を除去したあと、減圧乾燥することによって目的物を単離することができる。また、濾過せず溶媒を留去することによっても単離することができる。
【００１５】
本発明の製造方法における収率は、反応の実施形態や反応温度、反応時間などの条件に依存するが、通常９０％以上であり、好ましい条件であれば定量的に得られる。
次に、本発明の方法で得られるフラーレン誘導体について説明する。
本発明のフラーレン誘導体は、フラーレン骨格上に還元性官能基と親水性官能基が直接付加したフラーレン誘導体である。その基本骨格は、一般式Ｃｎ（ｎは６０以上の整数を表す）で表される炭素クラスターであり、具体的には、Ｃ６０（いわゆるバックミンスター・フラーレン）、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２、Ｃ８４、Ｃ９０、Ｃ９４、Ｃ９６及びより高次の炭素クラスター骨格などが挙げられる。本発明のフラーレン誘導体の骨格構造は、原料であるフラーレン骨格に依存して決まり、入手の容易さから、Ｃ６０骨格、Ｃ７０骨格を有するものが好ましい。なお、本発明のフラーレン誘導体の骨格は、基本となるフラーレン骨格の一部が開環しているものであってもよい。
【００１６】
本発明のフラーレン誘導体の各種溶媒に対する溶解度については、官能基の種類や数、骨格構造により異なるが、塩基性水溶液に対する溶解度は、塩基濃度が高いほど高くなる傾向にあり、例えば１モル／Ｌ（リットル）のＮａＯＨ水溶液１Ｌに、通常、室温で１〜５００ｇ溶解する。また、ジメチルスルホキシドのような極性溶媒には易溶で、例えばジメチルスルホキシド１Ｌに、通常、室温で１〜５００ｇ溶解するが、トルエンのような非極性有機溶媒には難溶である。
【００１７】
また、本発明のフラーレン誘導体が有する親水性とは、いわゆる水溶性を有することを示し、具体的には、通常、室温で中性の水１Ｌに対して０．１ｍｇ〜１ｇ、好ましくは０．５〜５００ｍｇ、更に好ましくは１〜１００ｍｇ溶解することをいい、本発明のフラーレン誘導体における親水性官能基の例としては、水酸基、アミノ基、カルボキシル基、スルホニル基等があげられる。このうち、合成の容易さ及び安定性の観点から水酸基が特に好ましい。
【００１８】
本発明のフラーレン誘導体における還元性官能基とは、酸化剤と反応する官能基をいい、好ましくは酸素分子と反応する性質を有する。具体的には、３級Ｃ−Ｈの形でフラーレン骨格に対して直接付加した水素原子、アルデヒド基などがあげられる。
本発明のフラーレン誘導体が有する還元性官能基及び親水性官能基の数は、特に限定されないが、少なすぎると本発明のフラーレン誘導体の特徴ある機能が十分発揮されない。通常、両官能基数の合計は３６個以下で、各官能基が２〜３０個、好ましくは６個〜２０個程度である。また、両官能基以外の官能基が少量、例えば、１フラーレン骨格あたり１個〜２個程度含まれていてもよい。
【００１９】
本発明のフラーレン誘導体は、本発明の製造方法すなわち水素化フラーレンの酸化反応の他、水酸化フラーレンの還元反応やフラーレンの水和反応などによっても得られる。しかしながら、反応の簡便性及び単離の容易さから、本発明の製造方法で製造するのが最も好ましい。
以上のようにして得られたフラーレン誘導体は、それ自体が還元能と親水性を兼ね備えた誘導体であるため、例えば、水溶性の酸化防止剤として生理活性を有することなどが期待される。また、本発明のフラーレン誘導体に、更にエステル基、アルキル基、アリール基、エーテル基、糖類、ペプチド類のような種々の官能基を付加するなど誘導体化することもできるため、その更なる誘導体化で導入された官能基による性質を備えた生理活性物質または電子材料としての応用も期待される。
【００２０】
【実施例】
次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り以下の実施例に限定されるものではない。
製造例１（Ｃ６０Ｈ３６の製造）
攪拌器、冷却管、温度計、塩化水素ガス吹き込み管を設置したガラス製１Ｌの４つ口フラスコを窒素置換し、Ｃ６０（フロンティアカーボン（株）社製）７．０２ｇを加えた。そのガラス製フラスコに脱気したトルエン５００ｍｌ（Ｃ６０とトルエンの仕込み比；１４ｇ／Ｌ）、亜鉛２１０．４５ｇ、脱イオン水１００ｍｌを加え、塩化水素ガスボンベにより塩化水素ガス３５１ｇを吹き込み管を通してフラスコ内底部近傍より２時間かけて流通させた。流通終了後にトルエン相を分取した後、脱気したトルエン２５０ｍｌを用い２回抽出した。トルエン相は、脱イオン水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液で洗浄したのち、硫酸マグネシウムで乾燥させた。窒素雰囲気下でセライト濾過（展開溶媒トルエン）を行い、溶媒を留去した。その後、窒素雰囲気下２３０℃で２時間乾燥し、クリーム色固体（水素化フラーレン）６．００ｇを得た。
【００２１】
実施例１（Ｃ６０Ｈ３６の加熱酸化処理）
製造例１と同様の方法により、Ｃ６０をＺｎ／ＨＣｌで還元して得られたＣ６０Ｈ３６１．０ｇを、トルエン１００ｃｍ３に溶解した。この溶液を８０℃に加熱し、液温を８０℃に保持したまま、平均０．５Ｌ／ｍｉｎの流量で空気を８時間バブリングした。空気吹き込み開始後約１０分で溶液が濁り始め、８時間経過後の反応終了時にはオレンジ色粉末が沈殿していた。この沈殿を濾別して、室温で真空乾燥し、黄土色の粉末を得た。この黄土色粉末に脱塩水１００ｃｍ３を加え、液温８０℃にて、平均０．５Ｌ／ｍｉｎの流量で空気を８時間吹き込んだ後、冷却してから濾過し、得られた固体を４０℃で真空乾燥して、茶色の粉末１．２８ｇを得た。
【００２２】
以上のようにして得られた粉末（試料粉末）の種々の溶媒に対する溶解度は、イオン交換水に対しては、４ｍｇ／Ｌ溶解し、黄色均一溶液となった。また、ジメチルスルホキシド及び１モル／ＬのＮａＯＨ水溶液には易溶で，１００ｍｇ／ｃｍ３溶解した。トルエンには不溶であった。
試料粉末３０３ｍｇを２．５ｃｍ３のジメチルスルホキシド−ｄ６に溶解して、カーボンの核磁気共鳴スペクトル（１３Ｃ−ＮＭＲ）測定を行った。装置はＢｒｕｋｅｒ社製Ａｖａｎｃｅ  ＥＲＸ５００分光計を用い、パルス繰り返し時間２１秒、フリップ角４５度の条件で測定した。炭素種を区別するために、Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｌｅｓｓ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｂｙ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＤＥＰＴ）１３５スペクトルも測定した。何れもブロードに観測された各ピークが、δ：３５−６５ｐｐｍ（Ｃ−Ｈ）、６５−８５ｐｐｍ（Ｃ−Ｏ）、８５−１００ｐｐｍ（Ｃ−Ｏ）、１２０−１６５ｐｐｍ（Ｃ［ｓｐ２］）、１８５−２１５ｐｐｍ（Ｃ＝Ｏ）と同定された。更に、試料粉末そのもののＩＲ分析を行った結果で、１３Ｃ−ＮＭＲで観測されたカルボニルピークに対応する吸収が１７００ｃｍ−１に現れたこと、及びこれがＮａＯＨ水溶液処理で消失（１５８０ｃｍ−１にシフト）したことから、１３Ｃ−ＮＭＲで観測されたカルボニルピークが、カルボン酸のカルボニル基と同定できた。ＮＭＲのピーク面積比から各官能基の数を算出し、Ｃ６０あたりに換算して求めた推定構造式は、Ｃ５８Ｈ１５（ＯＨ）９（ＣＯ２Ｈ）２（推定組成式Ｃ６０Ｈ２６Ｏ１３）であった。なお、１３Ｃ−ＮＭＲ及びＩＲで、トルエンに対応するシグナルは観測されなかった。
【００２３】
試料粉末の元素分析結果は、Ｃ６０換算で、Ｃ６０Ｈ２８Ｏ１５であった。また、カールフィッシャー法による水分分析により、物理吸着水が脱離すると考えられる温度である１２０度で気化する水分量を測定したところ、試料粉末の誘導体１分子あたり３分子の水が気化することがわかった。元素分析から得られた組成式（Ｃ６０Ｈ２８Ｏ１５）から３分子のＨ２Ｏを差し引くと、Ｃ６０Ｈ２２Ｏ１２となり、ＮＭＲとＩＲの分析結果で得られた推定組成式（Ｃ６０Ｈ２６Ｏ１３）に対し、測定誤差由来と推定される若干の差異は認められたが、ほぼ良い相関が得られた。
【００２４】
以上の分析結果を総合的に解釈した結果、水素化フラーレン（Ｃ６０Ｈ３６）の一部が酸化され水酸基となり、一部はＣ−Ｈのまま残っているほか、官能基が脱離して官能基数が減少していることがわかった。また、一部フラーレン骨格が開環してカルボン酸が生成していることも示唆された。
実施例２（Ｃ６０Ｈ３６の常温酸化処理）
製造例１と同様の方法により得られたＣ６０Ｈ３６１．０ｇを、トルエン１００ｃｍ３に溶解した。このまま、室温で４０日間放置したものを濾過後、真空乾燥し、黄土色粉末１．３０ｇを得た。得られた粉末の元素分析結果及びガスクロマトグラフィーによるトルエンの含有量から算出した推定組成式は、Ｃ６０Ｈ３１Ｏ２０で、実施例１の推定組成式Ｃ６０Ｈ２８Ｏ１５に対し、より酸化が進行しており、また反応温度が低いためと推測されるが官能基の数は多かった。
【００２５】
生成物はトルエンに不溶であり、ジメチルスルホキシドや１モル／ＬのＮａＯＨ水溶液に可溶であった。
製造例２（Ｃ７０Ｈ３８の製造）
製造例１とほぼ同様の方法より、Ｃ７０をＺｎ／ＨＣｌで還元して、白色の水素化フラーレンＣ７０Ｈ３８を得た。
【００２６】
実施例３（Ｃ７０Ｈ３８の酸化処理）
製造例２で作製したＣ７０Ｈ３８０．１８７ｇを、トルエン３０ｃｍ３に溶解した。この溶液に空気を吹き込みながら、室温で１時間、８０℃で６．５時間撹拌した。濾過後、真空乾燥し、黄土色粉末０．２１４ｇを得た。得られた粉末の元素分析及びガスクロマトグラフィーによるトルエン含量測定結果から算出した推定組成式はＣ７０Ｈ３６Ｏ１０であった。
【００２７】
生成物はトルエンに不溶であり、ジメチルスルホキシドや１モル／ＬのＮａＯＨ水溶液に可溶であった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のフラーレン誘導体の製造方法は、製造容易な水素化フラーレンを簡便な方法で水溶性のフラーレン誘導体に置換できるため、工業的に極めて有用である。更に、本発明のフラーレン誘導体は、還元性と親水性を兼ね備えたフラーレン誘導体であり、生理活性物質としての応用、及び種々の電子材料への適用が期待される。