ナトリウムイオンを選択的に捕捉する新規クラウン化合物
千葉大学 大学院理学研究院 化学研究部門教授 勝田 正一
2023年12月21日
1背 景ナトリウムイオン (Na+) の分析は、医療診断(高血圧、心疾患、腎疾患、神経障害等)、食品管理、環境測定などの分野で重要
NaCl

従来、炎光分析法等の原子スペクトル分析法を用いて分析が行われていたが、大型機器が必要で、分析に時間とコストがかかるなどの課題があった
特定のイオンを選択的に捕まえるイオノフォアを組み込んだイオンセンサーが登場し、簡便・迅速な分析法として広く用いられるようになった2

従来技術とその問題点
現在、Na+ イオノフォアとして実用化・市販されているものには、下記のようなクラウンエーテル類がある
いずれも非常に高価；センサー以外の用途 (例えば抽出分離等の比較的多量の試薬を要する用途) にはコスト的に利用困難（例）Sigma-Aldrich 社のカタログより
H3C (CH2)11CH3OOOOOOOOOOOO

Sodium ionophore IV( DD-16-C-5 )￥188,000 / 500mg

ORO

CH2O

R=OO

O
O

Sodium ionophore VI( ビス[(12-クラウン-4)メチル]-2ドデシル-2-メチルマロナート )￥117,000 / 50mg

H3CH3CO

CH3

CH34Sodium ionophore X( 4-tert-ブチルカリックス[4]アレーン四酢酸テトラエチルエステル )￥54,400 / 50mg

3

新技術の概要• Na+ を選択的に捕捉する新規イオノフォアを容易に製造しうることを見出した• この化合物は Na+ に対するセンサーや抽出剤に利用できる
マロナート架橋ケイ素（シランジオラート）架橋

H3C (CH2)11CH3O
O
O

O
O

O
O

O

O

O
O

R1 R2SiOOOOO

O

従来型のビス(12-クラウン-4)化合物

OO
OO
O

R1, R2 : アルキル基、アレーン基新規ビス(12-クラウン-4)化合物

I. Ikeda, T. Katayama, M. Okahara, and T. Shono,
Tetrahedron Lett., 1981, 22, 3615
4

新規化合物の合成法
OHOO

2O

O+2-(ヒドロキシメチル)-12-クラウン-4 (A)

R1Cl

Si

R2

室温・窒素下Cl

二置換ジクロロR1 R2SiOOOOOOOO

O+2 HClO

シラン (B)(1) A と B を物質量比で約 2 : 1の割合で混合(2) 室温で乾燥 N2 を流しながら約１日撹拌
(3) トルエンを加えて水で数回洗浄後、溶媒留去（収率82 ー 89%）
市販の原料を混ぜて撹拌するだけ！
加熱・溶媒不要、１ステップ、高収率5合成物の同定
1H NMR、ESI-MS（マススペクトロメトリー） によって同定

ESI-MS スペクトルの例

相対強度 (%)[M + Na]+OOOOO

Si687.4465

OOOO[M + NH4]+682.4913

O[M + K]+703.4202[M + NH4]+[M + K]+m/z6

合成した化合物一覧
OR1R2OOSiOOOOOOO

R1

化合物番号

R2

1-(CH2)3CH3ブチル-(CH2)3CH3ブチル

2-(CH2)7CH3オクチル-(CH2)7CH3オクチル

3-CH2CH(CH2)3CH3 2-エチルヘキシル
CH2CH3-CH2CH(CH2)3CH3 2-エチルヘキシル
CH2CH34-CH3メチル-(CH2)7CH3オクチル

5-CH3メチル-(CH2)11CH3ドデシル

6-CH3メチル-(CH2)2C6H52-フェニルエチル

7-C6H5フェニル-C6H5

フェニル

いずれも常温において液体で、疎水性
7コストの比較
100 mg あたりで比較
O

O
O
O

OO

Si

OO

O

O

OOO

O

OO

O
O
O

O
O

O

O

O

OO

O
O

従来化合物
20,000～230,000 円（販売価格）

SiO
O

O
O

O
O

O

Si

O

O
O

O
O

O
O

新規化合物 1 & 3
1,800 円（原料費）

新規化合物 41,400 円（原料費）

原料費が安価で、合成も容易
8+Na イオンセンサーへの応用
試料溶液中の Na+ 濃度とセンサーの電位応答 (化合物 3 のセンサー)(ダブルジャンクション型)

イオンセンサー

感応膜
恒温槽
撹拌子

Na+ を含む試料水溶液

感応膜 の組成：
イオノフォア（3～5%） + NPOE（約70％） +NaTFPB（約1％） + PVC-50

電位差計の表示 (mV)参照電極-100● NaCl のみ■ KCl （0.05 mol/L) 共存下-150-200-250-300-759 mV / decade-6-5-4-3-2Na+ 濃度 (mol/L) の対数値

-1

Na+ と共存イオン (Mn+) との間の選択係数 (kNa-M) を求め、センサーの選択性を評価した

9

kNa-M の対数値

イオンセンサーの選択性差が大きいほどNa+ 選択性が高い

従来化合物（市販品）と同等以上の Na+ 選択性

10イオンセンサーの寿命
化合物 3 のセンサーについてのNa+-K+ 選択係数 (kNa-K) の経時変化*
測定年-月
2022-12 (作成時)2023-22023-52023-72023-9

kNa-K の対数値
−1.87 ± 0.01

−1.85 ± 0.01

−1.84 ± 0.02

−1.85 ± 0.02−1.83 ± 0.02

* 使用時以外は、乾燥状態で常温保管

少なくともセンサー作成から 9 ヶ月間 では性能低下は見られない

11溶媒抽出剤としての応用

振り混ぜ（1時間）

水相(w)

アルカリ金属ピクリン酸塩* の水溶液

有機相(o)

水中のアルカリ金属イオン (M+) はイオノフォア (L) と錯イオン (ML+)
を生成し、それがピクリン酸イオン(Pic ‒) とのイオン対となってジクロロメタンに抽出される

M+w + Lo + Pic−w ⇄ ML+Pic−o

この 抽出反応の平衡定数 (Kex) を求め、抽出能と抽出選択性を評価した

イオノフォアのジクロロメタン溶液
NO2*ピクリン酸イオン (Pic ‒)O2NONO212

抽出能と抽出選択性O

5● 従来化合物Na+OOOOOOOOO

Kex の対数値4● 化合物 1K+310.4

Rb+12-クラウン-4の空孔半径0.81.01.2SiOOO● 化合物 4OOOO1.4

金属イオン半径 /Å1.61.8OOOOLi+0.6OOCs+2OOOOSiOOOOO

Kex(Na+) / Kex(Li+) : 550 (従来), 660 (1), 630 (4)Kex(Na+) / Kex(K+) : 20 (従来), 30 (1), 25 (4)従来化合物 よりも Na+ に対する抽出能・抽出選択性に優れる
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+Na ‒ イオノフォア錯体の分子構造
Gaussian 09 (B3LYP/6-31G(d)) による構造最適化計算

Na+ と 従来化合物 との錯体

Na+Na+ と 化合物 1 との錯体

Na+

いずれのイオノフォアも Na+ を 2 つのクラウン環で挟む
Sandwich 構造をとる点は同じだが、従来化合物よりも化合物 1 の方が Na–O 距離が短く、より安定な構造を取りうる
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新技術の特徴・従来技術との比較• 従来の Na+ イオノフォアの一つであるマロナート架橋型ビス(12-クラウン-4) に類似した構造を持つ ケイ素架橋型ビス(12-クラウン-4) を容易・低コストに合成することに成功。
• 従来の Na+ イオノフォアの用途は、コスト的にセンサーへの利用に限られていたが、低コスト化により、抽出剤としての利用も可能。
• 本化合物は、Na+ センサー用感応物質および Na+ 抽出剤としての利用において、従来のマロナート架橋型ビス(12-クラウン-4) と同等以上の優れた性能をもつ。

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想定される用途• 本技術はより低コスト・高性能な Na+ センサーの製造に利用できる。
• Na+ を分離・分析・除去するための抽出剤としても利用できる。
• また、達成された○○に着目すると、○○や△△といった分野や用途に展開することも可能と思われる。

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実用化に向けた課題• 文献によれば、他の市販の Na+ イオノフォアである
DD-16-C-5 と 4-tert-ブチルカリックス[4]アレーン-四酢酸テトラエチルエステル では、Na+ ‒ K+ 間の選択性が本化合物よりも優れている。一方、Na+ ‒ Li+ 間、Na+‒ Mg2+ 間、Na+ ‒ Ca2+ 間などの選択性は、本化合物のほうが優れている可能性がある。選択性における本化合物の特性を正しく評価するためには、同一の条件で比較する必要がある。
• 実用化に向けて、合成物の純度をさらに向上させる技術を確立する必要もあり。

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企業への期待• 化学物質の合成・精製の技術を持つ企業、イオン測定器の製造企業との共同研究を希望。
• 安価な Na+ センサーを開発中の企業には、本技術の導入が特に有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：イオン選択性を有する化合物、その製造方法およびそれを用いたイオン選択性感応膜• 出願番号：特願2023-034129

• 出願人

：千葉大学

• 発明者

：勝田 正一19

お問い合わせ先
千葉大学
学術研究・イノベーション推進機構
プロジェクト推進部門
ＴＥＬ ０４３－２９０－３０４８
ＦＡＸ ０４３－２９０－３５１９e-mail ccrcu@faculty.chiba-u.jp

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