技術報文­3
機能性材料「フラロデンドロン」のフローマイクロ合成検討

機能性材料「フラロデンドロン」のフローマイクロ合成検討

スペシャリティ事業部門
新事業創出室Speciality Business Departoment,
New Business Creation Oﬃce

Synthesis of Functional Materials"Fullerodendoron" with Microflow Systems

技術開発部門
技術企画室
Technical Development Division,
Technical Oﬃce

石田 則之

Noriyuki ISHIDA

要 旨
サッカーボール形分子として知られるフラーレン（C60）は、有機半導体材料・光電子変換素子および、光触媒としての応用が期待されているナノマテリアルである。
しかし、炭素材料特有の凝集力の高さから分散性・混和性が低く応用展開の妨げになっている。
近年、この様な課題に対し、フラーレンへの修飾技術が盛んであり、特に岡山大学大学院 高口豊准教授らはフラロデンドロンの容易な合成技術を確立している1）-3）。
本報では、高口らのフラロデンドロンの合成技術を用い、工業用大量生産を目的とし、フローマイクロ合成方法による反応時間の短縮化について検討した。

室内 聖人

Masato MUROUCHI高山 裕一

Yuichi TAKAYAMA

溝口 大剛

Daigou MIZOGUCHI

AbstractFullerene（C 60 ）is known as a ball-shaped
molecule and nanomaterial which is expected
to be applied in organic semiconductors, photovoltaic devices, and photocatalysts.
However the practical application of C60 isdiﬃcult because of its very low dispersibility
and miscibility arisen from the cohesive properties of carbon-based materials.
In this context, the functionalization of C 60
have been attracted many attention in the past
two decades.
Recently, Yutaka Takaguchi, a professor ofchemistry at Okayama University, and his colleagues established a facile synthesis of “Fullerodendron”.
We found the eﬃcient method（shorter reaction time and high eﬃciency of energy）using
Microﬂow Systems to realize the industrial
mass production of “Fullerodendron” by modifying the Takaguchiʼs method.

21

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機能性材料「フラロデンドロン」のフローマイクロ合成検討

1. はじめに機能性を有する樹木状多分岐構造化合物である。
フラロデンドロン合成手法に関しては多くの報告 4）,5）

近年、環境対応や安全面から太陽電池、有機 EL 部があるが、中でも高口らは、酸や塩基の試薬を一切使材そして水分解による水素発生等の研究開発が盛ん

用せず、混合のみで比較的高い収率でフラロデンドロである。
そのキー材料の一つに、フラーレン（C60）が挙ンが得られており、分離・精製が容易な合成手法を確げられる。
フラーレンは、有機半導体材料・光電子変換立している。換言すれば、工業用大量生産に最も適して素子および、光触媒として応用が期待されているナノマいる合成手法であると考えられる。
しかし、現状の合成

テリアルであるが、炭素材料特有の凝集力により分散手法では反応時間に多大な時間を要するために、工業性・混和性の低さが応用展開の妨げになっている。
そ用大量生産には課題が残っている。のため、フラーレンを有機溶媒や水に可溶化するための化学修飾に関する研究例は多い4）,5）。

本報は、高口らのフラロデンドロン合成手法に着目し、工業用大量生産を目的に反応時間短縮の可能性につ化学修飾の一つである図１に示すフラロデンドロンいて検討した。

（Fullerodendron）は、フラーレン（Fullerene）とデン

その結果、次世代合成手法の一つであるフローマイドロン（Dendron）の両者の特徴を有することから、次クロ合成装置を用い、反応時間短縮化の手法を確立し世代高機能性ナノマテリアルとして注目されている。
ここたので報告する。

で、デンドロンとは、光捕集機能や自己組織化能等のデンドリマー

デンドロン

フラーレン

フラロデンドロン

図1 フラロデンドロンとは

2.

実験
気下、45℃で20時間撹拌することで、0.0世代ポリアミ2.1 水溶性フラロデンドロンのフラスコ合成方法
概要

ドアミンデンドロン［G0.0-（NH2）］３を合成した。

高口らの合成方法の概要を図2に示す。出発原料で間、窒素雰囲気下45℃で撹拌することで、0.5世代ポリある2-アントラセンカルボン酸１をナスフラスコへ入れクアミドアミンデンドロン［G0.5-（COOMe）2］４を得た。

ロロホルムおよびメタノール溶液とし、濃硫酸とともに窒そして、３のメタノール溶液とアクリル酸メチルを72時

さらに、４を再びエチレンジアミンと21時間、アクリル素雰囲気下、45℃で19時間撹拌し、2-アントラセンカ酸メチルと72時間反応させることで、1.5世代ポリアミドルボン酸メチル２を得た（Fisherのエステル化反応）。

アミンデンドロン［G1.5-（COOMe）4］6を合成した。

２のメタノール溶液とエチレンジアミンは、窒素雰囲

６はフラーレン（Ｃ60）と1,2-ジクロロベンゼン中で、窒23

素雰囲気下、45℃で288時間撹拌することで、1.5世代フラロデンドロン（C60[G1.5（COOMe）4]）７を合成した最後に、KOHと２時間反応させることで水溶性フラロデンドロン８を得た。

（Diels-Alder反応）。

OO

MeOH, H2SO4OH

OMe

45℃, 19H

2-アントラセンカルボン酸

2O

OMe

ONH

O

（5eq. 2）

O

NH2NH

OMe

N

MeOH, 45℃, 72H

OMe
OMe

NH2O

NH

OMe

NOO

MeOH, r.t., 21H

4OO

O（5eq. 4）NH

MeOH, 45℃, 72H

NH

1.0世代ポリアミドアミンデンドロン
G1.0-（NH2）2C60（1.5eq.）
1,2-Cl2-C6H4, 45℃, 288H

NH
N

OMe

O
NH

ONH

ONH

O
OMe

NO

1.5世代フラロデンドロン
C60[G1.5（COOMe）
4]

7O

OMe
O

NO

OMe

6OMe

NO

1.5世代ポリアミドアミンデンドロン
G1.5-（COOMe）
45O

O

NO

NH2NNHO

O（200eq. 2）

OMe

0.5世代ポリアミドアミンデンドロン
G0.5-（COOMe）23O

NH2

H2N
O

0.0世代ポリアミドアミンデンドロン
G0.0-（NH2）NH（400eq.）

MeOH, 45℃, 20H

2-アントラセンカルボン酸メチル

1NH2H2N

OMe

KOH（1.2eq. 4）

NHOKNHNO

THF, MeOH, r.t., 2H

OMe
ONNHO
OKN
O

OK

水溶性1.5世代フラロデンドロン
C60[G1.5（COOK）]

図２ 水溶性フラロデンドロンのフラスコ合成フロー8

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機能性材料「フラロデンドロン」のフローマイクロ合成検討

2.2

2.3

反応時間短縮化検討

反応時間短縮を目的とし、フローマイクロ合成装置
KeyChem-L（（株）
ワイエムシィ製）を用いて検討を行った。写真１に合成装置の外観を、図３に装置略図を示す。

測定

通常合成および、フローマイクロ合成とも得られた生成物の確認は、プロトン核磁気共鳴装置（1H NMR：日本電子株式会社製 AL300）を用い測定し（内部標
準物質としてTMSを使用）構造決定を行った。

3.
混合器

反応器
（滞留時間ユニット）
温度制御

反応液回収

結果と考察

3.1 フラスコ合成
フラスコ合成では、出発原料である2-アントラセンカ
ルボン酸１から1.5 世代フラロデンドロン（C60[G1.5（COOMe）4]）７の合成は、全6段階反応で、総反応時間： 492時間（約20日間）、総収率は33%であった。

流量、吐出量管理
原料ＰＣ

図３ フローマイクロ合成装置略図

3.2 フローマイクロ合成
3.2.1

0.0世代ポリアミドアミンデンドロン［G0.0-（NH2）］３の合成検討2-アントラセンカルボン酸メチル２をメタノール溶液に溶解し、エチレンジアミンとの付加反応を試みた。
しかし、２はメタノールに難溶であり、結晶がフローマイクロ装置の微細な管（直径約 0.3 ㎜）を閉塞するため、溶媒変更が必要となった。

２の可溶性溶媒であるクロロホルムやメタノールとクロロホルムの混合溶媒では、系の閉塞は解消されたが
写真1
フローマイクロ合成は、2つのシリンジに基質と付加物質をそれぞれセットした後、設定流速で順次送液する『2 液混合法』と、すべての原料を事前に混合した1液で反応器に直接送り込む『1液混合法』を試みた。
シリンジから送られた試薬を混合器で混合し、反応器中（4.5ml）で反応を進行させた。混合するときの温目的生成物を得ることはできなかった。
これは、用いた有機溶媒の極性が反応阻害したものと推測される。従って、本反応系ではフローマイクロ合成を適用することは困難と判断した。
3.2.2

0.5世代ポリアミドアミンデンドロン［G0.5-（COOMe）2］４の合成検討

フラスコ合成で得たG0.0-（NH2）３を出発原料とし、度は混合器、そして反応温度は反応器で制御される。

フローマイクロ合成を用いてアクリル酸メチルの付加反反応時間は混合液が反応器を通過する時間となり、シ応条件検討を行った。

リンジから押し出される流速に依存する。
また、フローマイクロ合成は微細空間中の密閉系で行うため、窒素の使用は不要である。

当量数、混合器形状、混合温度、反応温度、流速等
様々な条件の検討を行った結果、最適反応条件を見い出すことができた。

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表１ フラスコ合成法による1.5世代フラロデンドロンの反応時間および収率
出発原料
2-Anthracencarboxylic acid（1）2-Anthracen methyl carboxylate（2）G0.0-（NH2）（3）

G0.5-（COOMe）2（4）G1.0（- NH2）2（5）G1.5-（COOMe）4（6）2-Anthracencarboxylic acid（1）

目的生成物

反応時間

収率

19H

98%

20H

99%

72H

82%

21H

74%

72H

83%

288H

68%

total
492H

total
33%

2-Anthracen methyl carboxylate（2）G0.0-（NH2）（3）

G0.5-（COOMe）2（4）G1.0-（NH2）2（5）G1.5-（COOMe）4（6）C60（G1.5-COOMe）4（7）C60（G1.5-COOMe）4（7）26

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基質とアクリル酸メチルの混合方法（混合器の形状、速度、温度）において、従来のフローマイクロ合成方法とは異なる手法を見い出した。
従来は、基質とアクリル酸メチルの2 液を混合器で混合する2液混合法が一般的である。本反応では基質３をメタノールに溶解し、アクリル酸メチ
G0.0-（NH2）ルとともに事前に混合し、55℃に加温した反応器に流通する1液混合法を試みた。

その結果、目的生成物を容易に得ることができ、反応時間をフラスコ合成の72時間から3時間に短縮することができ、収率は89%であった。
さらに、1 液混合法にすることで装置自体の簡便化、操作の取り扱いやすさ、反応の清掃の容易さ等、多くの工業的に有用な装置構成条件も構築することができた。
3.2.3

1.5世代フラロデンドロン（C60[G1.5（COOMe）4]）７の合成検討とのDiels-Alder 反応について、
６とフラーレン（C60）

フローマイクロ合成の適用検討を行った。

フラーレンは有機溶剤に難溶で凝集傾向が高いた
め、溶剤の選択や使用量によってはフローマイクロ合成装置の微細な管内を閉塞する。
そこで、1,2-ジクロロベンゼン（ο-ジクロロベンゼン）を用い、極力少ない溶剤量でフラーレンを溶解し、デンドロンとフラーレンの反応条件検討を行った。
その結果、反応時間がフラスコ合成では12日間かかっていたものが、15 時間で目的生成物である1.5 世代フラロデンドロン（C60[G1.5（COOMe）4]）７を、収率29%で得ることができた。

1.0世代ポリアミドアミンデンドロン

4. まとめ［G1.0-（NH2）2］５の合成検討

0.5世代ポリアミドアミンデンドロンG0.5-（COOMe）2４は、デンドロン鎖（世代）が伸びることによってメタノールに可溶となった。

同様に反応条件の検討を行った結果、アクリル酸メチル付加反応の様に、基質４をメタノールに溶解し、エチレンジアミンとの混合溶液として調製した1液混合法
で最も良好な結果を得た。
フラスコ合成では21 時間であった反応時間が、3 時間に反応時間を短縮することができ、収率は定量的であった。
3.2.4

3.2.5

1.5世代ポリアミドアミンデンドロン［G1.5-（COOMe）4］６の合成検討

3.2.2で述べた反応条件を適用した結果、ビーカー
反応では72 時間要した反応が、わずか3 時間、収率78%で1.5 世 代ポリアミドアミンデンドロン［G1.5（COOMe）4］６を合成することができた。

この反応は基質とアクリル酸メチル、溶媒としてのメタノールのみを用いるので、精製および反応液中のメタノールや過剰なアクリル酸メチルの回収・再利用が容易で、工業的に非常に有用な反応条件である。

図 4にフローマイクロ合成方法の反応条件および収率を示す。
機能性材料フラロデンドロンの合成は、従来のフラスコ合成では492 時間を費やしていたが、フローマイクロ合成方法によって反応時間を69 時間に短縮することができ、約86%の反応時間削減が可能となった。
しかし、総収率はフラスコ反応 33%であるのに対し、フローマイクロ合成では約 20%であり、さらなる反応条件の探索は必要である。
この次世代材料フラロデンドロンの合成時間短縮は、ファインケミカル材料を工業的に生産する基盤技術を構築することができた。

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MeOH, H2SO4（400eq.）

45℃, 23H

2-アントラセンカルボン酸

MeOH, 45℃, 22H

2-アントラセンカルボン酸メチル

12

フローマイクロ合成適用反応（120eq. 2）
MeOH, 55℃, 3H

0.0世代ポリアミドアミンデンドロン
G0.0-（NH2）yield 89%

43（200eq. 2）（125eq. 4）

MeOH, 60℃, 3H
yield quant.

0.5世代ポリアミドアミンデンドロン
G0.5-（COOMe）2

MeOH, 55℃, 3H

1.0世代ポリアミドアミンデンドロン
G1.0-（NH2）2yield 78%

5

1.5世代ポリアミドアミンデンドロン
G1.5-（COOMe）
46C60（1.5eq.）
1,2-Cl2-C6H4, 60℃, 15H

1.5世代フラロデンドロン
C60[G1.5（COOMe）
4]

yield 29%7

図４ フラロデンドロンのフローマイクロ合成フロー

5.

謝辞

参考文献

本研究を行うにあたり、岡山大学大学院 環境生命

（1）T a k a g u c h i , Y. ; T a j i m a , T. ; O h t a , K . ;科学研究科 有機機能材料学講座 高口准教授ならびに田嶋講師のご指導をはじめ、研究室の方々の多大なご協力に対しまして深く感謝いたします。

Motoyoshiya, J.; Aoyama, H; Wakahara, T.;
Akasaka, T.; Fujituka, M.; Ito, O., Angew.
Chem., Int. Ed. 2002, 41, 817.
（2）Takaguchi, Y.; Sako, Y.; Yanagimoto, Y.; Tuboi,S.Motoyoshiya, J.; Aoyama, H.; Wakahara,T.; Akasaka, T.,Tetrahedron Lett. 2003, 44,5777.
（3）特許第4004976号「フラーレン誘導体」（4）高口豊, 現代化学（株式会社東京化学同人）,381,
pp54-60（2002）（5）高口豊 , 機能材料（株式会社シーエムシー出版）,
24, pp14-22（2004）