アミノ化合物によるナノ結晶（粒子）の成長抑制技術の開発
山形大学大学院理工学研究科

増原陽人
Recently, the demand for cosmetics combined with nanomaterials is increasing to realize the quality that consumer’sneeds. By achieving the nano-sized materials for cosmetics, it is expected that stretchability, texture, and transparency will
be improved in cosmetic efficacy and their nano-sized cosmetics enable to bring the active ingredient to the dermis. On theother hand, fullerene (C 60 ) is greatly expected to be used for cosmetic products owing to its antioxidant effects for humanskins. In order to maximize the antioxidant effect, down-sizing of C 60 is an effective way to penetrate C 60 molecules into thedermis through the skin. Various techniques have been reported for preparing nanosized C 60 crystals, however considering
the penetration into the skin, a technique without using a surfactant is required. We have already succeeded in suppressing
crystal growth of C 60 nanocrystals by using amine compounds in the reprecipitation method which is a simple andconvenient method to prepare the nano-sized various organic crystals under the atmosphere. And we have already prepared
the many kinds of organic nanocrystals by the method and also controlled crystal sizes and shapes. However, the suppression
mechanism of C 60 crystal growth by amine compounds is not clear. Thus, in this study, it was found that carbamino
compounds produced by the reaction of amino solvents and carbon dioxide play an important role in the suppression ofcrystal growth. By TGA and IR analysis of the obtained nanocrystals, it was revealed that C 60 and a compound with acarbamino compound suppress aggregation between C 60 nanocrystals.

1. 緒素の反応を利用することで、C 60 ナノ結晶の結晶成長抑制言が可能であることを偶然発見した。具体的には、再沈法にここ数年、ナノマテリアルを配合した化粧品の数は増加おける任意の良溶媒・貧溶媒を用いて C 60 ナノ結晶分散液傾向にある。ナノサイズにすることにより、伸び、広がりを作製し、その直後に（S）-（−）- 1 -phenylethylamine を添

やすさ、感触、透過性等の向上が期待できることに加え、加することで、結晶成長が抑制された（図 3）。この結晶成角層を越え真皮にまで有効成分を到達させることが可能な長抑制効果は、二酸化炭素を排除したグローブボックス中ことが理由である（図 1）。本研究では、化粧品における有での検討では確認できない（図 4）ことから、本抑制効果は、効成分の到達領域を決める重要な要素である精緻な有効成分のサイズ制御を目的とする。
有効成分として、ビタミン C の 172 倍の抗酸化機能及びその効果が 12 時間を超える等の高い持続性に特徴を有する C 601 , 2）を選定した。ナノ化対象化合物とした C 60 は、これまでにも、我々が扱ってきた物質であり、知見も深い。
この C 60 を、これを極めてシンプルなナノ結晶作製手法である “再沈法 3 , 4）” により、精緻なナノ結晶のサイズ制御を試みた（図 2）。本手法にアミノ化合物を添加し、従来、ナノ結晶サイズの制御に必須であった界面活性剤を導入する

図1

ナノ化により、肌の奥へ有効成分が到達ことなく、目的とするナノ結晶を所望のサイズで直接作製する技術を開発する。一般的に、ナノ化対象化合物が結晶性化合物である場合、結晶成長速度が速いため、目的サイズのナノ結晶を得るには、結晶成長を如何に抑制するかがポイントとなる。我々は最近、アミノ化合物と二酸化炭

Development of techniques suppressing
c r y st a l g r ow t h for n a no c r y st a l s（particles）using amines
Akito MasuharaG r a du a t e S c h o o l o f S c i e n c e a ndEngineering, Yamagata University− 58 −

図2

再沈法の概略図

アミノ化合物によるナノ結晶（粒子）の成長抑制技術の開発

図3

図4

大気下での再沈直後と 2 日間静置後の C60 ナノ結晶
（S-（−）-1-phenylethylamine/acetonitrile）

グローブボックス内での再沈直後と 2 日間静置後のナノ結晶（S-（−）-1-phenylethylamine/acetonitrile）（S）-（−）- 1 -phenyl-ethylamine と空気中や分散液中に溶象化合物、アミン系溶媒と二酸化炭素の 3 物質の有無の条存している二酸化炭素が反応したことにより生成する白色件下で作製したナノ結晶の内部及び表面の構造を比較す化合物が要因である可能性が高い。この白色化合物は、カる。C 60 ナノ結晶のサイズ・形状測定には走査型電子顕微

ルバミノ系化合物の一種であると思われるが、詳細な化学鏡（SEM：Scanning Electron Microscope，JSM 6 7 0 0 M/

組成等に関して未解明である。これら生成した白色化合JEOL）を用いた。試料は、再沈後に得られた分散液をメ物の化学組成等を明らかにし、ナノ結晶の結晶成長抑制効

ンブレンフィルター上に通して吸引濾過した後、導電性カ果の要因を解明し、ナノ結晶サイズを精緻に制御できれば、ーボンテープで試料台に固定した。また、測定試料のチャ所望のサイズのナノ結晶を簡便且つ迅速に作製でき、化粧ージアップ現象発生を防ぐ為、オートファインコーター品は当然のこと、他の有機化合物へも応用が可能となり、（JFCM- 1600 /JEOL）を用いて白金によるスパッタ処理今後のナノ結晶の応用範囲拡大への大きな一助となる。

（10 nm）を行った。（測定条件：真空下、加速電圧：15 kV、2. 方

放出電圧：10 A）法

ナノ結晶の結晶成長抑制効果の要因を解明する為、以下2 . 3 . 成長抑制原因物質の同定

2 . 1 . 〜 2 . 3 . に簡単な本研究における研究方法を示す。

再沈法における導入溶媒に、200 µl のアミン系溶媒を加えた混合溶媒に対し、所定量の二酸化炭素を溶解、反応さ2 . 1. 結晶成長抑制作用の検討せ、生成物を固体 NMR 等にて評価し、生成化合物を同定

結晶成長抑制効果が見込まれるアミン系添加試料に着する。IR スペクトルの測定には、フーリエ変換赤外分光光目し、4 種のアミン系溶媒（R-（+）- 1 -phenylethylamine，度計（FT-IR：Fourier Transform Infrared Spectroscopy，2 -phenylethylamine，N- 1 -methylaniline，aniline）を用IRPrestige- 21 /SHIMADZU）を用いた。測定法は KBr 錠

いて、C 60 ナノ結晶を作製し、アミノ化合物と二酸化炭素剤法、ATR 法で行った。熱重量減衰の測定には熱重量測の反応により生成する化合物の結晶成長面への付着によ定装置（TGA：Thermo Gravimetry Analyzer，TG/DTAる抑制効果を検討する。作製した C 60 ナノ結晶の表面解析、6200 /SII）を用いた。白金パンを用い、窒素雰囲気下で上生成化合物の同定等により、抑制因子の解明を進める。

限 900 ℃まで温度を上げて測定を行った。また下記手順にて、測定サンプルを作製した。まず、C 60（80 mg）
を S-（−）

2 . 2 . 形状解析

- 1 -phenylethylamine（100 ml）中に投入し溶液を作製し 4

C 60 ナノ結晶を分散液より回収・解析し、ナノ結晶化対日間攪拌した。次いで、エバポレーターを用いて大部分− 59 −

コスメトロジー研究報告 Vol.27, 2019の溶媒を除去し、タール状の物質を得た。methanol を注ぎ遠心分離にかけて上澄み（S-（−）- 1 -phenylethylamine，methanol）と沈殿物に分離させた。沈殿物を乾燥させ、茶褐色の粉末を得た。この茶褐色粉末を toluene に投入し、再び遠心分離にかけ、上澄み（C 60 ，toluene）と沈殿物に分離させた。その後、乾燥させ黒色粉末を得た。

3 . 結果と考察
3 . 1. カルバミノ系化合物の生成が C 60 ナノ結晶の結晶成長抑制作用に与える影響
再沈法における最適な良溶媒・貧溶媒種の組み合わせに関して、鋭意検討中であるが、S-（−）-1-phenylethylamineを添加剤としてではなく、良溶媒として導入した場合でも貧溶媒に methanol, ethanol を選択した場合、再沈直後から結晶成長が抑制できることを確認した。この条件に

図 5 用いた良溶媒の構造式（a）R-(+)-1-phenylethylamine（b）2-phenyl-ethylamine（c）N-1-methylaniline（d）anilineて析出するナノ結晶の分子量を測定すれば、C 60 とS-（−）-1-phenylethylamine 間の化学結合・修飾 2）状態を明らかにできる。そのため、ナノ結晶の質量分析を行ったところ、
C 60 と S-（−）-1-phenylethylamine の間に化学結合・修飾 2）の有無の確認を行った。しかし、得られた MS スペクトルから確認できた分子量は C 60 のみであり、化学結合は確認できず、C 60 と S-（−）-1-phenylethylamine との相互作用- 1 -phenylethylamine と同様に顕著に結晶成長抑制効果をの特定には未だ至っていない。

発揮する。これらアミノ系溶媒の検討により、アミノ化合

そこでまず、二酸化炭素とアミノ系化合物が反応し生成するカルバミノ系化合物による結晶成長抑制効果を検討す

物と二酸化炭素から生成するカルバミン酸塩が結晶成長抑制の重要因子である可能性を見出した。

るため、SS-（−）-1-phenylethylamine と類似した分子構し、その後、条件等を相互比較することで、結晶成長抑制

3 . 2 . カルバミノ系化合物が修飾した C 60 ナノ結晶の溶解性作用の解明を試みた。S-（−）-1-phenylethylamine と類似

代表的な C 60 誘導体である PCBM（テトラヒドロフラした分子構造を有するアミノ系溶媒として、（a）R-（+）

ン［6 , 6］-Phenyl-C 61 -Butyric Acid Methyl Ester（ フ ェ- 1 -phenylethylamine，（b）2 -phenylethylamine，（c）

ニル C 61 酪酸メチルエステル））5） が、C 60 とは全く異な

N- 1 -methylaniline,（d）aniline を選定した（図 5）。その結る溶解挙動を示しことを参考に、カルバミノ系化合物修果、aniline，N- 1 -methylaniline では、結晶成長抑制効果

飾 C 60 ナノ結晶の溶解性を評価した。溶解性の検討としが確認できない一方、（a）R-（+）- 1 -phenylethylamine，（b）て、試料として 2 . 3 . の手順で得た黒色粉末、溶媒として

2 -phenylethylamine で は、R-（+）- 1 -phenylethylamine

Tetrahydrofuran（THF）を用いて検討を行った。純粋なと同様に、結晶成長抑制効果が確認でき、用いるアミノ系

C 60 の THF に対する溶解度は、0 . 000 mg/ml である。その溶媒の級数や二酸化炭素との反応性が結晶成長抑制作用ため、図 6（左）に示すように、THF に溶解することなく、に著しく寄与するといえる。アニリンでは、電子供与性沈殿物が生じる。一方、黒色粉末を THF に添加したところ、であるアミノ基が芳香環に直結していると N 原子上の非黒色粉末は溶解し、茶色を呈する溶液となり、明らかに溶共有電子対の電子が芳香環に供与されることで、アニリ解性を示している。これにより、カルバミノ系化合物修飾造を持つ新たな 4 種の溶媒を使用し、C 60 ナノ結晶を作製ンが共鳴構造をとり安定化することが知られている。そC 60 ナノ結晶が、PCBM 同様に、溶解性が向上し、THF にのため、二酸化炭素との反応が低下し、カルバミン酸系溶解し易くなったためであると考えられる。

化合物は生成しないと考えられる。その結果、C 60 と相散液中に存在せず、結晶成長は抑制されない。その一3 . 3 . カルバミノ系化合物とC 60 ナノ結晶との化学結合方、二酸化炭素と反応しカルバミン酸系化合物を生成する

C 60 ナノ結晶とカルバミノ系化合物間の化学結合を評価

phenylethylamine や benzylamine を用いた場合、R-（+）

するため、2 . 3 . の手順で得た黒色粉末を使用し、FT-IR互作用し得るカルバミン酸系化合物が、ナノ結晶成長分− 60 −

アミノ化合物によるナノ結晶（粒子）の成長抑制技術の開発の測定を行った。FT-IRによる測定の結果を図 7 に示す。C 60
由来のピークは 525 cm- 1，575 cm- 1，1180 cm- 1 , 1427 cm- 1，1538 cm- 1 の 5 つであるが、黒色粉末では 525 cm- 1 のみが確認できた。これは純粋な C 60 が大幅に減少した、あるいはなくなったことを示している。低波数側のピークのみが確認できるのは、C 60 の誘導体としてよく知られている
PCBM と同様 1）である（図 8）。また、1722 cm- 1 に新しくカルボニル -C=O のピークが出現している。カルボニルの出現はアミノ化合物と二酸化炭素との反応によるものだと 考 え ら れ る。 ま た、S-（-）- 1 -phenylethylamine で は
図 6 THF に対する溶解性（左：C60，右：S- （−） -1-phenylethylamine_C60）

3300 cm- 1 付近にあった２本の NH 伸縮が黒色粉末では１本になっている。これは、アミノ基 -NH 2 が何かと結合し、-NH になったことが理由だと考えられる。

（赤）：S-(-)-1-phenylethylamine 修飾 C60（青）：S-(-)-1-phenylethylamine（黒）：C60 pristine

図7図8FT-IR スペクトル

PCBM の FT-IR スペクトル− 61 −

コスメトロジー研究報告 Vol.27, 20193 . 4 . カルバミノ系化合物の C 60 ナノ結晶への修飾が重量減衰に与える影響
カルバミノ系化合物の C 60 ナノ結晶への修飾が、重量減を確認できないのは、代表的な C 60 誘導体である PCBM と同様の挙動 2）である。

黒線が C 60、赤線が黒色粉末の重量減衰曲線である。C 60

3 . 5 . カルバミノ系化合物によるC 60 ナノ結晶の結晶成長抑制メカニズムに関しては 800 ℃で大きな重量減衰を確認することができカルバミノ系化合物修飾 C 60 ナノ結晶の溶解挙動、化学る。一方、黒色粉末では、確認できない。また、黒色粉結合および重量減衰の評価を元に、カルバミノ系化合によ末の 300 ℃付近までの減衰は残留溶媒、それ以降の減衰は、る C 60 ナノ結晶の結晶成長抑制メカニズム（図 10）を提案す衰に与える影響を評価した。図 9 に得た TGA 曲線を示す。

カルバミノ系化合物修飾 C 60 ナノ結晶の減衰に由来するとる。はじめに、C 60 とアミン化合物が反応し、化学結合を考えられる。また、C 60 同様に、800 ℃で大きな重量減衰形成する。C 60 とアミン化合物の化学結合後、アミノ基が図 9 PCBM の TGA 曲線（赤）：S-(-)-1-phenylethylamine 修飾 C60（黒）：C60 pristine

図 10

カルバミノ系化合物による C60 ナノ結晶の結晶成長抑制メカニズム− 62 −

アミノ化合物によるナノ結晶（粒子）の成長抑制技術の開発

二酸化炭素と反応し、カルバミノ系化合物と C 60 ナノ結晶される。本研究で明らかにした成長抑制因子の特定は、再との新しい C 60 誘導体が生成すると考えられる。この反応

沈法を用いたナノ結晶の精緻なサイズ制御を多くの有機化が、C 60 ナノ結晶表面で起こり、立体障害により、C 60 ナ合物で達成にも応用できると考えている。
余計な操作、化合物を使用することなくナノ結晶のサイノ結晶の結晶成長が抑制されると考えられる。

4. 総ズを精緻に制御できれば、化粧品における添加剤使用量の括削減に繋がり、本来所望する効果発現を増大させるだけで本研究では、高い抗酸化作用を有し化粧品への応用が期待される C 60 を対象に、界面活性剤フリーでの C 60 ナノ結なく、添加剤による生体への悪影響も減少させることが可能と考える。

晶作製技術の開発を目指し、C 60 ナノ結晶の結晶成長抑制メカニズムを検討した。電子顕微鏡を用いて、C 60 ナノ結晶成長抑制効果を有するのは、アミノ基が芳香環に直結し（引用文献）
1） 篠原久典 , 齋藤弥八 , “フラーレンの化学と物理” , 名古屋大学出版会（1997）．ていないアミノ化合物であり、大気下でカルバミノ系化合物を形成するアミン系溶媒であることを明らかにした。ま2） 谷垣勝己 , 菊地耕一 , 阿知波洋次 , 入山啓治 , “フラーレた、アミノ化合物と二酸化炭素が反応し生成するカルバミン ~ 魅惑的な新物質 群、C60 とその仲間達 ~” , 産業図

ン酸化合物が C 60 ナノ結晶の成長抑制に関わっている可能書（1992）．

性を見出した。結晶成長抑制された C 60 ナノ結晶（黒色粉3） E. Kwon, H. Oikawa, H. Kasai and H. Nakanishi,
Cryst. Growth Des., 7, 600（2007）．

末）の溶解性、化学結合、重量減衰挙動を評価することにより、次に示す C 60 ナノ結晶の結晶成長抑制メカニズムが4） H. Kasai, H. S. Nalwa, H. Oikawa, S. Okada, H.

提案できる。はじめに、C 60 とアミノ化合物が化学結合をMatsuda, N. Minami, A. Kakuta, K. Ono, A. Mukoh and形成し、アミノ化合物のアミノ基部分と二酸化炭素が反応

H. Nakanishi, Jpn. J. Appl. Phys. 31, L1132（1992）．

し、カルボニル基を持つ C 60 誘導体が形成する。この反応

5） K. Chen et al., J. Am. Chem. Soc., 115, 1193（1993）．

が C 60 ナノ結晶表面の至る所で生じ、立体障害が大きくな

6） 松尾豊 , “有機薄膜太陽電池の科学” , 化学同人
（2011）．

る結果、他の C 60 分子間の接近を阻害し、結晶成長が阻害− 63 −