研究報告集
第

34

集

2019年度助成研究

2023 年 3 月

公益財団法人松籟科学技術振興財団

SHORAI FOUNDATION FOR SCIENCE AND TECHNOLOGY

研究報告集第34集発刊によせて公益財団法人

しょう ら い松籟科学技術振興財団
理事長

長谷川

吉弘

第37回（2019年度）研究助成金を贈呈した研究者の方々による研究成果を収録した「研究報告集第34集をお手許にお届けします。1983年 3 月の財団創立以来、科学技術に関する調査・研究・国際交流に対する助成・奨励を行うことを目的として事業を継続してまいりました。これも、ひとえに皆様方のご理解とご協力の賜物と厚くお礼申しあげます。
さて、2020年初頭より始まったコロナウイルスの感染拡大は収束の気配が見えず、ロシアによるウクライナへの侵攻も終わりが見えないなか、世界経済に大きな影響を与えています。特に日本の現状を見ると、国内経済はかつての勢いがないところに上記の事変による影響で記録的な円安となっています。
天然資源を持たない我が国においては、日本人特有の感性により科学技術を発展させ、かつての半導体産業のように他国の追随を許さない産業分野の確立を目指すことが重要課題と思われます。
そのためには我が国が得意としている化学の力で、SDGsを意識した新素材の開発、既存品の新製造法／合成システムの改良・開発による省エネ・省資源に向けた研究への注力が必要と考えます。
しかしながら、自然科学分野における引用論文数で我が国は過去最低の12位に後退したとの報道があり、世界の趨勢から立ち遅れが危惧されます。
当財団では、SDGsにも関連する研究テーマである「植物有用成分およびバイオマス資源の高度利用に関わる研究」、「エレクトロニクス複合材料および次世代実装に関わる研究」、「持続可能な社
会を実現する有機系新素材およびその機能化に関わる研究」を対象に科研費ではサポートされにくいといわれている基礎研究および先進的で独創的な研究に対する研究助成事業を継続してまいります。
今年度で創立40周年を迎える当財団では、これまでに766件の研究を支援し、助成金を贈呈した研究者として、2001年に野依良治先生（現・科学技術振興機構研究開発戦略センター長）
が、2010年には鈴木章先生（現・北海道大学名誉教授）
が、それぞれノーベル化学賞を受賞されています。
これからも研究助成および国際交流支援事業を通じ、研究者の皆さんへの支援活動を続けていく
所存ですので、皆様の一層のご指導とご支援をお願い申しあげます。
2023年 1 月
松籟（しょうらい）：「松の梢に吹く風」の意味

i

設立の

さ

、

と化した国

、

的な

から立

った

国は、国

興と成長を

現し、その国

生産は

国の科学技術は、

技術に

しつつも

し、

国としての

の

さと

な技術

や全世界の１

を

とを

めるまでに

りました。
この

、

ね、世界に

り

しかしな

る

くの技術を創ら科学技術全用技術ににびつかない研究をれております。このことは他国のを移しますと、
する
への

な

を

を

めてまいりました。

国は、とかく成

を

科学の立

れ

り、

研究成

技術開発への

国の

り

を

くな

的な科学技術を

に創

し、

する
内

り、応

より

さ

、国際

の

となっております。
や開発
を

国は、世界の国として創用、科学技術の
め、世界

このような

に

の活
の要

さなかった国化と社会の発展にをよびこれらに対する助成なへの援助、生
していく

を

科学の人

の

ル

ー

生活への応用なっています。

まえ、松籟科学技術振興財団は、科学技術に関し、調査・研究おを行い、全的な科学技術の振興に

ります。

ii

しようとするもので

設立の経緯と財団の概況
設立の経緯
ハリマ化成グループ株式会社創業者の長谷川末吉は、はやくからトール油をさまざまな用途に適応可能な素材として着目していました。そして、かねてからの考えを行動に移し、1952年にはトール油の試験生産を開始しました。以来、トール油に対する研究開発を通じて、トール
油の持つ素晴らしさを全国に紹介し、その可能性を拓いていきました。その長年にわたる功績受賞しました。
ハリマ化成グループは、この栄誉を機に、さらなる科学技術の振興と世界文化の発展を願って、科学技術に関する調査･研究･国際交流に対する助成･奨励を行うことを目的として、1983

設立より30年を迎えた2013年４月１日をもって、公益法人の認定を受け「公益財団法人

松籟科学技術振興財団」となりました。引き続き、科学技術の発展に寄与する研究開発への支援
事業活動を行ってまいります。

事業の概要
当財団では、科学技術の振興と世界文化の発展に寄与することを願い、以下の事業を行っております。
⑴

科学技術に関する調査・研究およびこれらに対する助成（研究助成事業）⑵

科学技術に関する国際交流に対する援助（国際交流派遣事業）⑶

その他、当財団の目的を達成するために必要な事業

財団の概要
名

称：公益財団法人松籟科学技術振興財団

設立：1983年３月12日

移行登記：2013年４月１日
行 政 庁：内閣府

財務状況（2022年３月31日現在）
正味財産

11億22百万円

iii

目

次

第37回（2019年度）助成金受領研究報告
抗がん剤耐性克服を目指した未利用資源からの新規機能性分子の探索
岐阜薬科大学

生命薬学大講座遠藤

智史…… 3

人工生体モデル膜の動的構造変化および相分離ドメイン構造の観察を利用したリンゴ等に含まれる
プロシアニジン等機能性物質の簡易検出法開発と新規機能探索
青森県産業技術センター

八戸工業研究所

依田

毅…… 8

植物および微生物資源から関節リウマチ滑膜細胞のアポトーシスシグナル経路を選択的に活性化する天然物の探索
千葉大学

大学院薬学研究院

原

康雅…… 15

廣瀬

大祐…… 20

新屋友規…… 26

西川

慶祐…… 30

ゼロ・エミッション型直接的フルバイオベースポリマー合成法の開発
金沢大学

理工研究域物質化学系

昆虫の蛹室作りに学ぶ植物由来接着剤の開発と 3 次元造形への応用
岡山大学

資源植物科学研究所

リングサイズ発散合成を応用した植物天然物の量的供給と構造活性相関研究への展開
大阪公立大学 大学院理学研究科
高性能エステル交換触媒を用いるバイオディーゼル合成
神戸薬科大学

薬学部

波多野

学…… 36

生薬由来化合物をリードにしたアミロイドβオリゴマー特異的な核磁気共鳴イメージングプローブの開発
京都大学

大学院農学研究科

村上

一馬…… 40

日本大学

小菅

康弘…… 44

沖縄産植物由来エキスを活用した新規神経炎症治療薬の創製
薬学部

皮膚ケアへの多機能を指向した植物由来長鎖塩基含有新規アシルセラミド（植物性ハイブリッド脂質）の創製
北海道大学

大学院先端生命科学研究院

村井勇太…… 49

光応答性蛍光スイッチング分子を用いた分布帰還型レーザの創製
横浜国立大学 大学院工学研究院
理化学研究所 開拓研究本部

生方

俊

礒島

隆史…… 54

瑞枝、成島淳也…… 59

Cuナノ粒子インクを用いたフレキシブル基板上への大気中Cu配線技術の開発
長岡技術科学大学

技学研究院

溝尻

ヘテロ元素ナノチューブの同心複合化による機能材料の開発
大阪大学

大学院工学研究科

井ノ上

泰輝…… 67

ダブル（ 5 + 1 ）環化反応を基盤とした新規ホール輸送材料の創出
学習院大学

理学部

諸藤

達也…… 71

大学院理学系研究科

山口

博則…… 75

物質理工学院材料系

相良剛光…… 79

室温有機磁石の実現に向けた拡張π共役ラジカルによる磁気相関の設計
大阪府立大学
エネルギー移動機構を組み込んだ超分子メカノフォアの開発
東京工業大学iv

有機系新素材の開発：芳香環直接構築法の利用
千葉大学

大学院理学研究院

吉田

和弘…… 83

京都工芸繊維大学 繊維学系

田中

知成…… 88

糖鎖高分子のワンポット化学-酵素合成法の開発
ヘテロ縮環芳香族を基盤とした非フラーレンアクセプターによる高効率有機薄膜太陽電池の実現
兵庫県立大学

大学院工学研究科

梅山

有和…… 94

大学院工学研究科

東野

智洋…… 99

大学院工学研究院

矢貝

史樹……102

新規縮環ホスホール誘導体の合成法開発と物性解明
京都大学
発光性ポリカテナンの創出と革新的機能の探求
千葉大学

フローフォーカシングデバイスを用いた有機無機複合型球状液晶エラストマーの創出
立命館大学

生命科学部

金子

光佑……107

玉手

亮多……113

植村一広……117

耐湿性と耐クリープ性を有する自己修復性イオン伝導ソフトマテリアル
物質・材料研究機構

エネルギー・環境材料研究拠点

異種金属結合による第一遷移金属の一次元配列化と磁気物性評価
岐阜大学

工学部

超巨大高分子による透明性と強靭性を両立したナノ相分離プラスチックの開発
物質・材料研究機構

機能性材料研究拠点

山内

祥弘……122

可視光を用いた選択的脱芳香族化による交差共役および拡張キノイド型機能性分子の創製
東北大学

v

大学院理学研究科

石田

真太郎……125

第37回（2019年度）

助成金受領研究報告

申請者

岐阜薬科大学遠藤智史

抗がん剤耐性克服を目指した未利用資源からの新規機能性分子の探索
岐阜薬科大学

1 ．研究の背景と目的

生命薬学大講座遠藤智史

ト で あ るenzalutamide（Enz）、apalutamide（Apa）と世界規模での抗がん剤市場はおよそ10兆円/年であり、darolutamide（Dar）とタキサン系抗悪性腫瘍薬である

今後 5 年間でさらに1.5倍以上に拡大されると予想され

cabazitaxelが承認され、臨床現場で有用性が示されてきている。世界の高齢化の急速な進展に伴い抗がん剤の市た。しかし、これら薬剤についても同様にアンドロゲン場が伸びている一方で、がん罹患者数は増加している。

シグナルを阻害するため耐性獲得が懸念される。

このことは、がんの進展スピードや多様化に抗がん剤のそこで、本研究では、既存抗がん剤をより効果的に使開発が追い付いていないことを示唆する。近年、がん細用することを目指し、抗がん剤感受性増強効果や抗がん胞の特徴を標的とした分子標的薬や抗体医薬、さらには剤耐性克服効果を有する天然由来化合物を探索した。

ゲノム医薬が開発され、優れた臨床成績が報告されている。しかし、特徴が細分化されたことにより効果が望ま

2 ．結果と考察れる一方、新薬が有効な症例は限定的であり、治療の改

2 ．1 ．桂皮酸誘導体による前立腺がん細胞の増殖抑制効果と抗がん剤耐性克服効果

善が望まれている。すべての抗がん剤は耐性化の問題を擁しており、抗がん剤耐性化の克服は非常に重要な課題

プロポリスから調製したエキスやプロポリス含有化合である。抗がん剤耐性化機序の解明やその克服に関する物が、種々のがん細胞に対して細胞死を誘導することは研究は国内外問わず多くの研究者によって進められてい過去に報告されている［1, 2］。しかし、アンドロゲンシる。その機序としては、細胞から抗がん剤を排出する機

グナルに対する影響はほとんど明らかにされていない。

構（薬剤排出トランスポーター）の活性化、細胞内代謝

強 力 な ア ン ド ロ ゲ ン で あ るtestosteroneと5α系の変動、増殖因子の異常活性化など多くの機序の関与-dihydrotestosterone（5α-DHT） は、 そ れ ぞ れがこれまでに示唆されており、多くの製薬企業が開発に

4-androstene-3,17-dione（A4） と5α-androstenedione

参画しているが、現時点で成功例はない。

（Adione）の17位が17β-hydroxysteroid dehydrogenase

前立腺がんは進行が比較的遅く、10年相対生存率がtype 3（HSD17B3）、AKR1C3（HSD17B5） やDHRS11

98.8%を超える予後の良いがんである。現在では、約 6をはじめとするHSD17Bsによって還元されることで主人に 1 人の男性が生涯に前立腺がんと診断されるが、前に生成される。筆者らは、ブラジル産グリーンプロポリ

立腺がん診断時の平均年齢範囲は60歳から70歳であり、ス に 特 徴 的 に 含 有 さ れ る 3 種 の 桂 皮 酸 誘 導 体、

その約 3 分の 2 が65歳以上であるなど、主に年配の男性

baccharin（Bac）、artepillin C（ArtC）、drupanin（Dru）の罹患リスクが高い。前立腺がんの治療にはホルモン療の中で、BacのAKR1C3に対するIC50値が0.11 μMであ法が用いられるが、ほとんどの症例において半年から数り、ArtC（IC50 = 1.0 μM）と比べて約10倍強い阻害活

年、平均19ヶ月で耐性を獲得し、去勢抵抗性前立腺がん性を示すことを明らかにしている［ 3 ］。そこで、A4誘（castration-resistant prostate cancer； CRPC） へ と 移

導性細胞増殖に及ぼす 3 種の桂皮酸誘導体の効果を検討

行 す る。CRPC治 療 薬 と し てcytochrome P450（CYP）した。 3 種の桂皮酸誘導体の中で、ArtCとBacが有意な

17A1阻害剤であるabiraterone（Abi）、ARアンタゴニス

細胞増殖抑制効果を示し、その効果はArtCがより強力―3―

図 2 ．ArtCによるARアンタゴニスト作用（A）
AR-EcoScreen GR KO M1細 胞 を 用 い た レ ポ ー
ターアッセイ．**p < 0.01 vs control, ##p < 0.01, NS p
> 0.05 vs A4 alone、（B）
AR LBD-ArtC結合モデルの全体像、（C）想定されるArtCによるAR結合様式

図 1 ．桂皮酸誘導体によるアンドロゲンシグナル抑制効果（A）生細胞数測定、（B）定量PCR法**p < 0.01 vs control, ##p < 0.01, NS p > 0.05 vs A4 alone（PDB： 5CJ6）を鋳型とし、シミュレーションソフト
MF myPrestoを用いてArtC-AR複合体モデルを作製しであった（図1A）。
次に、AR下流で発現誘導されるPSAとTMPRSS2のた（図2B-C）。現在臨床で使用されている前立腺がん治

発現に及ぼす桂皮酸誘導体の効果を検討した。 3 種の桂療薬を含め、ほとんどのARアンタゴニストはリガンド

皮酸誘導体の中でArtCのみが既存のARアンタゴニスト

結合ドメインに結合することで阻害活性を発揮する。ア

flutamide（Flu）と同様にA4によって誘導されたPSAとンドロゲン（testosterone、5α-DHT）と合成アンドロ

TMPRSS2発現レベルを顕著に低下させた（図1B）。 一

ゲ ンR1881のAR LBDへ の 結 合 に はAsn705、Gln711、方、BacとDruはPSAとTMPRSS2の 発 現 レ ベ ル に 影 響

Arg752、Thr877の 4 残基が重要であることが知られるしなかった。BacはArtCよりも高いAKR1C3阻害活性を［ 5 ］。これらの残基の中でArtCはArg752とその近傍に示すにもかかわらず、AR下流シグナルの抑制効果は位置するGln711と水素結合可能な位置に存在した。一方

ArtCの み で 認 め ら れ た こ と か ら、ArtCの 作 用 点 はで、Thr877との相互作用は確認されなかった。LNCaPAKR1C3よりも下流に存在すると考えられた。アンドロ細胞ではThr877Ala変異、22Rv1細胞ではHis874Tyr変

ゲンは細胞質に存在するアンドロゲン受容体（AR）に異 が 知 ら れ る が、 ド ッ キ ン グ モ デ ル か ら はArtCは結合し、ARを核内移行させることで、PSAやTMPRSS2

Thr877やHis874の い ず れ と も 相 互 作 用 が 確 認 さ れ なの転写を誘導する。

かったことから、これら残基との相互作用が重要になる

そこで、ArtCがARアンタゴニスト作用を示すかどう
かAR-EcoScreen GR KO M1細胞を用いたレポーターとは考えにくく、両細胞でアンドロゲンシグナルを阻害した前述の結果と矛盾しない。

アッセイ法にて評価した（図2A）。A4や5α-DHT、合成

CRPCへの進展にはARの発現や機能の異常が関わる

アンドロゲンR1881によって増加したルシフェラーゼのことが知られる。最近、150人のCRPC患者から採取し蛍光はArtCによって抑制された。ARのLBDとARアンた骨または軟部組織腫瘍生検の全ゲノムおよび全トラン

タ ゴ ニ ス トcompound 6［ 4 ］ の 複 合 体 の 結 晶 構 造

スクリプトーム解析において、AR遺伝子の異常の頻度―4―図 4 ．22Rv1/Apa細胞におけるApa感受性に及ぼすArtCの影響（A）
免疫蛍光染色法. 青：DAPI、緑：AR. Bar＝20μm.
（B）ウエスタンブロット解析. NS p > 0.05 vs control,##p < 0.01 vs Apa alone、（C）
JC-1染色. NS p > 0.05 vscontrol, ##p < 0.01 vs Apa alone

図 3 ．ArtCによる核内AR発現（A）定量PCR法、（B）ウエスタンブロット解析．**p <0.01 vs control, NS p > 0.05 vs R1881 alone、（C）免疫
蛍光染色法. 青：DAPI、緑：AR. Bar＝20μm.

なかった（図3AB）。一方で、免疫蛍光染色法によって、が62.7%で見られ、原発性前立腺がん患者と比較して高R1881で処理した22Rv1/Apa細胞における核内でのARいことが報告された［ 6 ］。また、CRPC治療薬に対するの蛍光強度の増大をArtCは有意に低下させることが示

耐性化が高頻度で起こることから、CRPC治療薬耐性前された（図3C）。

立腺細胞株が樹立され、Enz［ 7 ］やAbi［ 8 ］に対する耐性細胞株においてARの発現亢進が見られることも報

次に、22Rv1/Apa細胞におけるApa感受性に及ぼす告された。そこで、前立腺がん22Rv1細胞にApaを処理

ArtCの効果を検証した。Apa感受性が低下した22Rv1/

濃度を増加させながら継続的に添加することで、100 μApa細胞において、100 μM Apaと50 μM ArtCを単独

M Apaで 維 持 培 養 が 可 能 なApa耐 性22Rv1（22Rv1/処理したところ、アポトーシスの指標となる切断型カスApa）細胞を樹立した。22Rv1/Apa細胞では、22Rv1細パーゼ-3の発現はほとんど変化しなかったが、Apaと胞と比べて明らかなAR発現量の増加が認められた。まArtCの併用によって有意に増大し、アポトーシス誘導

た、合成アンドロゲンR1881によって誘導されるPSA発が確認された（図4A）。また、ウエスタンブロットにお現レベルも高かったことから、基底レベルでアンドロゲ

いても、PARPの切断型の割合やミトコンドリア機能障

ンシグナルが亢進していることが考えられた。ArtCが害の指標となるBax/Bcl-2比は単独処理群では増加しな

22Rv1/Apa細胞のアンドロゲンシグナルを抑制するかかったが、併用時には有意な切断型PARP発現とBax/

ど う か 検 討 し た と こ ろ、 3 種 の 桂 皮 酸 誘 導 体 の 中 で

Bcl-2比の増加が認められた（図4B）。抗がん剤によるア

ArtCのみがFluと同様に有意にアンドロゲンシグナルをポトーシス誘導には、多くの場合、ミトコンドリア障害抑制した。また、R1881によって上昇したARのmRNAに伴う活性酸素種の産生が関与する。そこで、蛍光プロー

発現量とタンパク質発現量をArtCはほとんど変化させ

ブJC-1を用いて、ミトコンドリア膜電位差の評価を行っ―5―た。ApaやArtCの単独処理群では、JC-1の赤色/緑色蛍
光比がわずかに低下したものの有意な低下は認められなかった（図4C）。一方で、ApaとArtCの併用時には、赤色蛍光はほぼ完全に消失し、ミトコンドリア機能障害が生じていることが明らかとなった。これらの結果は、
22Rv1/Apa細胞で低下したApa感受性に対するArtCの回復効果を示唆するものである。
2 ．2 ．Carex kobomugi花部由来新規ポリフェノールによる抗アンドロゲン作用
Carex kobomugi（コウボウムギ）はカヤツリグサ科スゲ属の多年草で、砂浜に生育する海浜植物である。救荒植物として知られるが、現在は食利用されることもなく、
大阪府など一部地域ではレッドリスト入りしている。過図 5 ．C4-2細胞におけるアンドロゲンシグナルに及ぼす化合
物 2 の影響（A-D）
定量PCR法. **p < 0.01, NS p > 0.05 vs control,##p < 0.01 vs DHT, 11KDHT, Adione or 11KAdione
alone.

去に食利用された経験があり安全性が保証されているため、その含有成分を探索し、8 種のポリフェノール
（化合
物1-8）
を単離、同定した。近年、8 種のポリフェノールの中で、化合物2 は最も強力にDHRS11を阻害した（IC 50 = 0.35 μM）。最近、11-ketotestosteroneとC4-2細胞において、化合物 2 と構造が類似する化合物 1

1 1 - k e t o d i h y d r o t e s t o s t e r o n e （ 1 1 K D H T ）がと化合物3-5についても有意なAR発現抑制が認められ

11-testosteroneやDHTと同程度のアンドロゲン作用をた。また、ウエスタンブロット法と免疫蛍光染色法によっ示すことが明らかにされた。また、CRPC患者においてて、化合物 2 が核内AR発現を顕著に抑制することが示

11-ketotestosteroneの血漿中濃度はtestosteroneよりもされた。ARタンパク質の核/細胞質量比も減少させたこ高いことも報告されている。そこで、強力なアンドロゲとから、化合物 2 はDHRS11の阻害による活性アンドロンであるDHTと11KDHT の前駆体であるAdioneと11-

ゲン量の低下とAR発現抑制のデュアル作用によってア

keto-5α-androstenedione（11KAdione）によって誘導さンドロゲンシグナルを制御することが示唆された。前述

れるアンドロゲンシグナルへの化合物 2 の効果についての通り、CRPCにおいてARの高発現が認められること検討した。C4-2細胞において化合物 2 はAR下流で発現から、化合物 2 はCRPCに耐性獲得した前立腺がん細胞誘導されるPSAとTMPRSS2発現量を有意に低下させたにおいても有効であると考えられる。

（図 5 ）。一方で、予想に反して、化合物 2 はDHRS11に
3 ．結論

よって生成されるDHTと11KDHT誘導性アンドロゲンも抑制した。同様の結果は、LNCaP細胞、22Rv1細胞を

今回、前立腺がんを対象とし、抗がん剤耐性克服を目用いた場合にも得られた。このことは、より下流に作用指した新規機能性化合物の探索を行い、プロポリスに含点があることを示唆する。

有するArtCとCarex kobomugiに含有する化合物 2 が、そこで、AR発現に及ぼす影響について検討した。化

作用機序はそれぞれ異なるものの、アンドロゲンシグナ

合物 2 は前立腺がんC4-2、LNCaP、22Rv1細胞におけるルを抑制することを見出した。これらの化合物は前立腺AR mRNA発現量とタンパク質発現量をいずれも有意にがん細胞のアンドロゲン依存性細胞増殖を抑制した。ま

低下させた。22Rv1細胞には、リガンド非存在下でもシた、ArtCについてはApa耐性細胞のApa感受性を回復

グナルを活性化させるAR V7を含めたスプライシング

させ、耐性克服効果が期待された。前立腺がんは比較的

バリアントが発現することが知られるが、化合物 2 は予後が良いものの罹患者数が多く、治療期間も長期に亘ARスプライシングバリアントについても発現抑制した。

ることから、 抗がん剤に加えて、患者の生活の質の改―6―

善を目指した補完療法の開発も望まれている。アンドロ［ 4 ］A. Saeed, G.M. Vaught, K. Gavardinas, D. et al.,

ゲンシグナルを制御するこれらの天然化合物の機能性の2-Chloro-4-［［（1R,2R）-2-hydroxy-2-methyl-

解明は、前立腺がんを含めたアンドロゲンが関わる疾患

cyclopentyl］amino］-3-methyl-benzonitrile： Aの治療薬やサプリメントの開発に繋がると考える。

Transdermal Selective Androgen Receptor
Modulator（SARM）for Muscle Atrophy, J Med

4 ．謝辞

Chem 59（2016）750-5.

本研究の遂行にあたり、研究助成を賜りました公益財［ 5 ］K. Ohta, T. Goto, S. Fujii, M. et al, Crystal

団法人松籟科学技術振興財団に厚く御礼申し上げます。

structure, docking study and structure-activity
relationship of carborane-containing androgen

5 ．参考文献

receptor antagonist 3-（12-hydroxymethyl-1,12dicarba-closo-dodecaboran-1-yl）benzonitrile,［ 1 ］M . R . A h n , K . K u n i m a s a , T . O h t a e t a l . ,Bioorg Med Chem 19（2011）3540-8.

Suppression of tumor-induced angiogenesis by
Brazilian propolis： major component artepillin C［ 6 ］D. Robinson, E.M. Van Allen, Y.M. Wu, et al.,inhibits in vitro tube formation and endothelial

Integrative clinical genomics of advanced

cell proliferation, Cancer Lett 252（2007）235-43.

prostate cancer, Cell 161（2015）1215-1228.

［ 2 ］F. Li, S. Awale, Y. Tezuka, S. et al., Cytotoxic［ 7 ］K.E. Ware, J.A. Somarelli, D. Schaeffer, J. Li, et al.,constituents from Brazilian red propolis and their

Armstrong, Snail promotes resistance tostructure-activity relationship, Bioorg Med Chem

enzalutamide through regulation of androgen

16（2008）5434-40.

receptor activity in prostate cancer, Oncotarget 7（2016）50507-50521.

［ 3 ］S. Endo, T. Matsunaga, A. Kanamori, Y. et al.,
Selective inhibition of human type-5 17beta-［ 8 ］C. Liu, C.M. Armstrong, W. Lou, et al., Inhibitionhydroxysteroid dehydrogenase（AKR1C3）byof AKR1C3 Activation Overcomes Resistance tobaccharin, a component of Brazilian propolis,

Abiraterone in Advanced Prostate Cancer, Mol

Journal of natural products 75（2012）716-21.

Cancer Ther 16（2017）35-44.

―7―

申請者

青森県産業技術センター

依田毅

人工生体モデル膜の動的構造変化および相分離ドメイン構造の観察を利用したリンゴ等に含まれるプロシアニジン等
機能性物質の簡易検出法開発と新規機能探索
青森県産業技術センター

1 ．研究の背景と目的

八戸工業研究所

依田

毅

かしながら、直近で最大であった 1988 年の栽培面積

細胞膜の構造は、脂質二重膜中を脂質やタンパク質分

25,600 ヘクタールから18.75%減少している。りんご産業

子が自由に動き回れる流動モザイクモデルが提唱されては、地域の産業経済上のみならず、文化・観光面においいた。流動モザイクモデルを発展させ、より細胞膜の特ても重要な役割を果たしている。主産地としての地位を徴を捉えたモデルとして、ラフトモデルが提唱されてい維持、確保することは重要な課題である。

た［ 1 ］。タンパク質分子等が脂質二重膜中をある程度「りんご一日一個で医者いらず」ということわざがあ制限されたラフト（イカダ）
ドメインと呼ばれる範囲内でる。申請者の地域では、りんごに含まれる機能性成分が動き、ラフトドメインは細胞間の信号伝達等に伴って、健康維持や病気の予防に効果があるという研究が蓄積さくっついたり離れたりしながら動いているとされていれており、果実としてプロシアニジンが有する内臓脂肪

る。実際の細胞上で観察されるドメイン構造は提唱されを減らす機能を表示できる「プライムアップル！（ふじ）」たラフトモデルを証明するのではないかと言われていた。

が機能性表示食品として登録された。

生体モデル膜およびヒト由来細胞を用いたこれらの研免疫を活性化させる成分として、刀豆に含まれるコン

究は、膜の三次元ダイナミクス、二次元（ドメイン構造）

カナバリンAは、細胞膜上のドメイン構造の集積を引きの集積ダイナミクスと細胞内カルシウムイオンを指標と起こすことや細胞内信号伝達を活性化することが蛍光顕した信号伝達が関わっていること［ 2 ］や、脂質やステ微鏡観察から分かっていた［ 2 ］。また、抗酸化機能性

ロール類の構造を変化させるとラフトを模倣した相分離成分として知られるレスベラトロールやテアフラビンとドメイン構造の温度応答が変化することなどの研究成果いったポリフェノール類が、膜の収縮や揺動などの膜ダが得られていた［ 3 ］。

イナミクスを引き起こし、膜のドメイン形成を起こすこ

申請者は酸化ストレスに対する生体モデル膜のダイナとなどが分かっていた［ 5 ］。

ミクスにおいて、不飽和脂質よりもコレステロールが重これらのことから人の健康に役立つ機能性成分と膜と要な役割を持つことを発見した［ 4 ］。酸化ストレスのの相互作用を観察により明らかにすることで、信号伝達

結果、生成した酸化コレステロールの検出に成功した。

等に関わる新たな機能の発見が期待された。

酸化コレステロールを含む生体モデル膜は温度応答性が著しいことを生体モデル膜小胞の顕微鏡観察により発見

2 ．研究の方法した。また、抗酸化物質を含む膜が酸化ストレスを受け

2 ．1

均一な人工生体モデル膜に与えるプロシアニジン等の影響

ると相分離ドメイン構造が生じることを明らかにした

一般的に人工生体モデル膜の実験で用いられる不飽和［ 5 ］。
さて、りんご栽培は青森県の主要産業である。 2018

脂質（Dioleoylphosphocholine以下DOPCと略）からなる

年の統計によると、青森県におけるりんごの栽培面積は膜にプロシアニジンをあらかじめ加えて静置水和法によ20,800 ヘクタールであり、全国の半分を占めている。しり調製した人工生体モデル膜小胞を位相差顕微鏡により―8―観察した。
2 ．2

相分離構造に与えるプロシアニジン等の影響

一般に相分離ドメイン観察実験で用いられるDOPC、飽和脂質（Dipalmitoylphosphatidylcholine以 下DPPCと略）、コレステロール（Cholesterol以下Cholと略）の三成
分

と

蛍

光

色

素Lissamine™ Rhodamine B

1,2-Dihexadecanoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamine（以下Rhodamine DHPEと略）からなる人工生体モデル
膜小胞を対照実験として静置水和法により作製した。液体秩序相（Liquid ordered、以下Loと略す）からなる相分
離ドメインはRhodamine DHPEで染まらない部分として観察した。その人工生体モデル膜小胞中にプロシアニ
ジンの濃度基準物質として用いられるプロシアニジン
B2（以下PB2と略）を加えた時の相分離ドメイン構造の変化を蛍光顕微鏡により明らかにした。
図1

2 ．3

ドメイン構造変化を指標にした簡単で迅速なプ
ロシアニジン濃度推定法への応用

典型的な人工生体モデル膜小胞の顕微鏡写真
（A、
（i）
DOPC、
（ii）
DOPCとPB2を50 mol%ずつ含むもの）と平
均サイズ
（B）
［9］

相 分 離 ド メ イ ン 観 察 実 験 で 用 い たDOPC、DPPC、下ではありえないが、10〜50％の比較的濃い濃度に設定

Chol、Rhodamine DHPEとPB2のからなる人工生体モデ

し、PB2の生理学的機能としての膜への影響を調査する

ル膜を対照実験として作製した。既存の方法であることを意図し実験を行った。 DOPCとPB2を含む人工生

HPLCによって濃度測定をする際の方法を参考にして

体モデル膜小胞は、膜にDOPCのみを含むものよりも有［6-8］、市販のリンゴジュースから、プロシアニジンを意に大きくなった（図 1 ）［ 9 ］。

アセトンと水、フィルターを用いて抽出した。この抽出

次に、人工生体モデル膜小胞の直径に対するPB2濃度

液とDOPC、DPPC、Chol、Rhodamine DHPEからなるの影響を研究した。最大の平均直径は50％PB2の時に観人工生体モデル膜を作製し相分離ドメイン構造に注目し察された。平均直径はPB2濃度に依存して増加したが、て観察し、PB2標品を用いた観察結果と比較し濃度推定

PB2濃度が10％、20％、30％、40％の場合、人工生体モに使用できるかどうか検討した。

デル膜小胞はPB2を含まない人工生体モデル膜小胞との有意差はなかった（図 2 ）［ 9 ］。申請者の知る限り、これ3 ．結果と考察

はPB2を含む細胞サイズ人工生体モデル膜小胞のサイズ

3 ．1

均一な人工生体モデル膜に与えるプロシアニジ

変化に対するPB2濃度の影響に対しての最初の報告でン等の影響についてあった。

以前の研究では、50％コレステロールが細胞サイズの人工生体モデル膜小胞のサイズ変化は、浸透圧耐性や

人工生体モデル膜小胞を形成するためのほぼ最大の含有内包したDNAの局在形態などの物理化学的特性と生理量であるため、50％DOPC /50％コレステロールの膜ダ学的機能を変化させる可能性があった［10,11］。実際のイナミクスを研究することで、コレステロール含有の効

酵母細胞では、特定の香り成分を高生産する株の細胞サ果に対する酸化ストレスの影響を研究していた［ 4 ］。

イズが増殖ステージによって、大きいもしくは小さいこ

この報告に基づいて、50％は生理学的機能への影響を実とも明らかにしてきた［12,13］。この結果よりPB2はリ証するためのより良い濃度であると考えられた。したン脂質と相互作用し、人工生体モデル膜小胞のサイズ変がって、in vitro実験として成分の濃度は生理学的条件

化を引き起こしたと考えた。この現象はPB2添加膜が、

―9―

図2

PB2濃度と人工生体モデル膜小胞のサイズ［ 9 ］

受容体活性化に関連する私たちの体の脂質代謝など、細胞の生理学的機能を変化させるように影響を与える可能性がある。
本研究では、さらにPB2を含む人工生体モデル膜小胞のサイズ決定のメカニズムをより深く明らかにすること

図3を目指した。以前の研究では実際のヒト細胞にプロシア

プロシアニジンを含む細胞サイズの人工生体モデル膜
小胞の流動性［ 9 ］

ニジンが添加され、膜の流動性が増加した報告が有った［14］。あるグループは、膜の流動性が単層リン脂質液滴

ンを使用した。本研究では、 0 〜1 µg / mlのプロシアのサイズに影響を与えたと報告した［15］。私たちのグニジンが 0 〜10％の濃度に相当するため、細胞実験では

ループはまた、カプロン酸エチルや酢酸イソアミルなど

脂質相互作用だけでなく、代謝経路などの多くの複雑なの日本酒特有の香り化合物が膜の流動性に影響を及ぼ条件も考慮する必要があるが、これらの結果とよく一致

し、人工生体モデル膜小胞のサイズを変化させることをしていると言える。 PB2を10％含む人工生体モデル膜

報告した［12,13］。そこで、PB2を含む人工生体モデル

小胞は、サイズに関してPB2を含まない人工生体モデル

膜小胞の膜流動性の調査を行うことにした。

膜小胞とそれほど違いはないが、流動性は増加した（GP

膜流動性の指標であるgeneralized polarization 値（以

値が低いほど流動性が高いことに注意が必要）。

下GP値と略す）について、蛍光色素ラウルダンおよび蛍本研究は、プロシアニジンを含む細胞サイズの人工生

光顕微鏡を用いて膜流動性を調べた。対照実験として、

体モデル膜小胞の流動性について初めて報告するものでDOPCのみから作製された細胞サイズ人工生体モデル膜ある。プロシアニジン含有人工生体モデル膜小胞の濃度小胞を観察しGP値を測定した。この値は以前の研究とが 0 〜50％の場合、流動性はその濃度に依存しなかった。

よく一致しており［16］、PB2を含む人工生体モデル膜

以前、私たちがリンゴ由来のプロシアニジンの含有量を小胞についてもGP値の測定し比較した。PB2を含むラ測定するための標準として同じPB2を使用した。プロシ

ウルダンの蛍光画像を図3Aに示し、PB2を含むDOPCを

アニジンの多量体化は膜の特性と効果を変化させること

含む膜のGP値を図3Bに示す。結果では、人工生体モデが報告されているが、本研究での実験の場合、PB2を含ル膜小胞の流動性に対するPB2の濃度依存性は観察されむ細胞サイズ人工生体モデル膜小胞はサイズ増加が濃度なかった（図3B）。以前の研究では、PB2が15 nmol の依存性を持っていたため、膜の流動性を変化させる可能

DPH（1,6-ジフェニル-1,3,5-ヘキサトリエン）とJurkat T細性はないかもしれないが、PB2濃度に依存した（図 2 ）。

胞（※注：ヒト白血病由来の球状浮遊細胞でこの種の実サイズ増加のこれらの結果およびPB2を含む人工生体モ

験でよく用いられる。
）
を用いた蛍光偏光観察を使用した

デル膜小胞の流動性の傾向に基づいて、PB2含有細胞サ実験により、膜流動性を増加させたことが報告されていイズ人工生体モデル膜小胞の場合、サイズ増加メカニズ

た［12］。彼らは、 0 〜1 µg / mlの濃度のプロシアニジ

ムはおそらく膜の流動性に依存していない。私たちのグ― 10 ―

ループは、従来の研究とは異なり、別の香り化合物であ定化し、脂質の混合を強化したことを示した。PB2をるイソバレルアルデヒド（以下IVAと略す）を含む人工生50％含む人工生体モデル膜小胞は、相分離構造の比率が体モデル膜小胞の場合、サイズがIVA濃度に依存して増

わずかに大きかった。 PB2による相分離構造の増加は、加していることを発見した［17］。その研究によると、

PB2自体が蛍光観察でいくつかのドメインを作ることに人工生体モデル膜小胞がより高い濃度のIVAを含む際につながるようであった。これは、以前の研究で、PB2とは、より高い温度で膜が揺らぎ始める割合が高くなった同様の構造を持つテアフラビンを含む膜でドメイン構造

ことから、物質が人工生体モデル膜小胞のサイズへ影響が見つかった［ 5 ］こととよく似ていた。
PB2を含まないDOPC / DPPCをモル濃度比50/50含を与える場合、サイズのみならず物理化学的性質へも影む対照実験では、45％の固体秩序（So）/液体無秩序（Ld）

響を与えるのではないかと考察した。

相分離人工生体モデル膜小胞が観察された。以前の研究
3 ．2

相分離構造に与えるプロシアニジン等の影響のと比較して、相分離した人工生体モデル膜小胞の比率は解明についてわずかに小さいが、確実に観察された。図 6 に示すよう

PB2を 含 ま な いDOPC、DPPC、Cholを モ ル 濃 度 比に、濃度が10％から50％のPB2を添加しても、相分離構

40/40/20含 む 対 照 実 験 で は、90％ のLo/液 体 無 秩 序 相造の割合に大きな変化は見られなかった。PB2 40％と（Liquid disordered, 以下 Ldと略す）相分離構造が観察

50％の濃度でLo/Ld相分離が観察された。Loを不安定化された。結果は以前の研究と一致していることを確認でするような影響を与えたPB2（図 5 ）は、Soに大きな影響きた（図 4 および図 5 ）。

を与えなかったため、興味深い結果であった。 そしてPB2を10％添加することで、人工生体モデル膜小胞のもう 1 つ興味深いことに、比較的高濃度のPB2が、Chol

半数以上が相分離構造を示したが、Lo/Ld相分離の比率の存在なしに膜上にLoを作るように誘導されることがは減少し、均一相の比率は増加した。DOPC/DPPC相分わかった（図 6 ）。

離構造の割合（固体秩序相（Solid ordered、以下Soと略

次に、相分離した膜に対するPB2の効果の詳細を調べ

す）/ LdとLo / Ldの合計）は15％（PB2 20％）、15％（PB2

るため、人工生体モデル膜小胞の流動性をGP値として

30％）
、5％
（PB2 40％）、21％（PB2 50）であるため、こ調査した。GP値は図 7 にまとめた。LoドメインとLdド

れらの結果は、PB2がLo / Ld相分離構造の存在を不安

メインはどちらも、PB2濃度の増加においてほぼ同じ傾向であった。
PB2の濃度が10％、20％、50％の場合、GP値に有意差はなかった。PB2の濃度が30％と40％の場合、値は大幅に異なった。Lo/Ld相分離人工生体モデル膜小胞はPB2 10％から20％で劇的に減少したが（図 5 ）、GP値は
PB2濃度20％から30％に変化する際に大幅に変化した。
LoとLdの流動性の違いは、膜上の相分離の重要な要因

図4

細胞サイズ人工生体モデル膜小胞の相分離構造［18,19］のようだと考えられた。結果や以前の研究に基づくと、

図5

細胞サイズ人工生体モデル膜小胞の液体秩序相/液体
無秩序相（Lo/Ld）相分離構造 に対するPB2濃度の影響［18,19］

図6― 11 ―

細胞サイズ人工生体モデル膜小胞の固体秩序相/液体
無秩序相（So/Ld）相分離構造 に対するPB2濃度の影響［18］減少させると仮定した。プロシアニジンはLo / Ld膜に影響を与えるが、So / Ld膜は影響を与えない。プロシ
アニジンは炭素環とヒドロキシ基を持っているため、Loドメインに移動しているようである（図 1 ）。Loドメ
インの流動性はSoドメインよりも大きいため、プロシ
アニジンがLoドメインに挿入される可能性がある。LoドメインにDPPCとCholが豊富に存在し、そこにプロシ
図7

プロシアニジンを含む細胞サイズ人工生体モデル膜小胞のLo/Ld相分離ドメインの流動性［18］アニジンが挿入されると流動性が高まる。すると、Lo
ドメインの流動性が増し、LoドメインとLdドメイン（DOPCリッチドメイン）の流動性の差が小さくなり、混約10％から30％の濃度のPB2が膜の流動性に影響を与合して均一な人工生体モデル膜小胞が増加する。 So /え、相分離を引き起こしたと考えられた［16,20］。

Ld相分離人工生体モデル膜小胞では、Soドメインは飽LdでPB2濃度を増加させて変化するGP値の変動は、和炭素鎖と固体のような状態を持つDPPCを豊富に持っ1,2-ジ ミ リ ス ト イ ル-sn-グ リ セ ロ-3-ホ ス ホ コ リ ンているが、プロシアニジンは炭素環を持つ一方でヒドロ（DMPC）から作られた脂質二重層からなる人工生体モ

キシ基も構造内に有するため、それほど頻繁にそのドメ

デル膜小胞の結果の研究とよく一致した［21］。このインに移動しない可能性が高い。次に、プロシアニジン

DMPCを 使 用 し た 実 験 で は プ ロ シ ア ニ ジ ン は 三 量 体

は、しばしばSo / Ld相分離構造を持つ人工生体モデル（PB3）を使用し、人工生体モデル膜小胞のサイズはnm

膜小胞上でDOPCリッチドメインを含むLdドメインにスケールであった。その研究では、PB3は脂質の約10〜移動する。SoドメインとLdドメインの流動性の違いは20％に相当するモル濃度範囲にあったが、三量体と二量大きく変化しなかったため、人工生体モデル膜小胞の体が使用されたため、この濃度範囲はこの研究の濃度範So / Ld相分離比は大きく変化しなかったのだろうと考囲に相当すると見なすことができると考えられる。

えられた。比較的高濃度の場合、プロシアニジンの一部

対照的に、Lo / Ld相分離構造を持つ生体モデル膜小はDPPCが豊富な領域に移動する。次に、DPPCとLoド胞の比率およびPB2含有人工生体モデル膜小胞の流動性

メインを形成するために、Cholのように作用するプロシの観察された減少に基づくと、So / Ld相分離人工生体

アニジンがわずかにあり、Lo / Ld相分離人工生体モデ

モデル膜小胞において安定性のメカニズムは膜流動性に

ル膜小胞は少ない割合で観察されたのではないだろうか

依存しない可能性がある。これは興味深い発見がなされ（図 6 ）。

たといえる。したがって、プロシアニジンを含む人工生

関連する現象が報告されている。村岡らの報告による

体モデル膜小胞の相分離メカニズムをより詳細に考察すと、DOPCから作られた細胞サイズの人工生体モデル膜

ることができた。

小胞を使用して、イオンチャネルとして合成された膜貫本研究では、プロシアニジンが膜流動性を変化させ、通型マルチブロック両親媒性物質を含有させることでのいくつかの濃度でLo / Ld相分離構造を減少させるよう機能的活性化を膜圧の変化として誘発する可能性があるに働くことを発見した。プロシアニジンは、受容体またことが報告されていた［24］。また、Wangらによってはそれらのチャネル関連活性、あるいはその両方の変換

PB2およびその関連化合物が脂質代謝に関連する酵素のを通じて脂質代謝を変化させる可能性があると考えてい活性を低下させたことが報告されていた［25］。これは、る。本研究の結果では、プロシアニジンはSo/Ld相分離

プロシアニジン誘導体と脂質分子との相互作用による脂構造に大きな変化をもたらさない。
いくつかの研究では、質ラフトの摂動により、そのような酵素の遺伝子の発現

Lo / Ld相分離とSo / Ld相分離の特性が異なることが報が少なくなり、受容体の活性化が少ないために引き起こ

告されている［22,23］。

されたものと考察されていた。この研究においてWang

これらの以前の報告に基づいて、私はプロシアニジン

らは、生細胞とコンピューターシミュレーションを使用

が以下のようにSo / Ld相分離ではなくLo / Ld相分離をしていた。彼らの発見が、代謝活動のないモデル膜シス― 12 ―

テムを使用した我々の研究によっても裏付けられたこと

応用の可能性を示すことができたと考えている。

は重要であったと考えられた。
生物物理学的および生物学的意味については上記で説4 ．謝辞明したが、結果の応用についても説明する。人工生体モ

本研究にご支援を賜りました公益財団法人松籟科学技

デル膜小胞を作るための脂質に対する比率としてPB2ま術振興財団に深く感謝申し上げます。また、研究遂行にたはプロシアニジン濃度を検出するために使用するためあたりまして実験計画や手順、結果の考察に対して暖かに、Lo/Ld相分離構造を持つ人工生体モデル膜小胞の割く、時には厳しく御指導くださいました弘前工業研究所

合が減少する結果（図 5 ）
を適用した。私たちの研究所は前所長齋藤知明氏、同発酵食品部長宮木博氏、同主任研

濃縮リンゴジュースの開発など、リンゴに含まれるプロ究員小倉亮氏に深く感謝いたします。

シアニジンが効果的に私たちの体に受け入れられるよう

最後に、主研究対象とは異なる部署に異動になったもに努めていた［8,26］。これらの研究では、HPLCを使用のの、研究遂行に配慮していただきました現所属、八戸したプロシアニジン濃度の測定が必須であった。HPLC

工業研究所の佐々木正司氏に感謝いたします。

は、初期コストと実行コストの両方で比較的高価な機器であり、時間（最低でも数時間）が必要だった。そのため、5 ．参考文献

研究開発と品質保証においては、より経済的に検出する

1 ．Simons, K., and Ikonen, E. Functional rafts in cell
membranes Nature 1997, 387, 569–572ことが求められており、脂質に混合するだけで作製でき

2 ．Yabuuchi, S., Endo, S., Baek, K., Hoshino, K.,る人工生体モデル膜小胞を観察すれば十分に濃度を推定することができるので、本研究の結果は迅速で低コスト

Tsujino, Y., Mun’delanji, C. V.,

and Takagi, M.

な検出方法の候補となり得る。そこで次に、抽出した

Raft-dependent endocytic movement and

PB2をリンゴジュースに使用して、相分離した人工生体

intracellular cluster formation during T cell

モデル膜小胞に適用して観察した。 結果の要約を図 8

activation triggered by concanavalin A Journal ofに示す。

bioscience and bioengineering, 2017, 124, 685-693.

観察では、純粋なリンゴジュース、 2 倍に希釈した

3 ．Beattie, M. E., Veatch, S. L., Stottrup, B. L., andジュース、および純粋な水（ネガティブコントロールとKeller, S. L., Sterol structure determines miscibility

して）を対象とした。推定された各PB2濃度は、純粋なversus melting transitions in lipid vesicles.

リンゴジュース、 2 倍に希釈されたリンゴジュース、おBiophys. J., 2005, 89, 1760-1768.

よび純粋な水で50％、33％、および 0 ％であった。それ

4 ．Yoda, T., Vestergaard, M. C., Akazawa-Ogawa, Y.,らのPB2濃度と相分離人工生体モデル膜小胞の比率の関Yoshida, Y., Hamada, T., and M., Takagi M.,

係は図 3 と一致していた。現時点で未だ 3 種類の状況しDynamic response of a cholesterol-containing

か実行しなかったため、データはまだ予備的なものではmodel membrane to oxidative stress, Chem. Lett.

ある。しかし、相分離人工生体モデル膜小胞を用いた観2010, 39, 12731274

察システムを用いて、プロシアニジン含有量の測定への5 ．Phan, H.T.T., Yoda, T., Chahal, B., Morita, M.,
Takagi, M., and Vestergaard M. C., Structuredependent interactions of polyphenols with abiomimetic membrane system, Biochim. Biophys.
Acta, Biomembr. 2014, 1383, 2670-2677
6 ．庄司 俊彦,リンゴのプロシアニジン分http://fmric.
or.jp/ffd/ffmanual/manual40107.pdf, Accessed
May 23, 2022

図8

リンゴジュース抽出物を含む細胞サイズ人工生体モデ
ル膜小胞の相分離構造［18,19］

7 ．Shoji, T., Masumoto, S., Moriichi, N., Kanda, T., and― 13 ―

Ohtake, Y. Apple（Malus pumila）procyanidinsfraction-ated according to the degree ofisovaleraldehyde on cell-sized lipid bilayer vesicles,

polymerization using normal-phase

Biophys. Chem. 2021, 279, 106698

chromatography and characterized by HPLC-ESI/

18．Yoda, T., Flavonoid molecule procyanidin reduces

MS and MALDI-TOF/MS. J. Chromatogr. A. 2006,

phase separation in model membranes, submitted
19．依田 毅、細胞サイズリポソーム、プロシアニジン

1102, 206–213.

濃度推定方法、およびプロシアニジン濃度測定方法、

8 ．Yoda, T., Miyaki, H., and Saito, T. Effect of

特願2022-026340

container shape on freeze concentration of apple
juice. PLoS One. 2021, 16, 0245606.

20．Hanzal-Bayer, M. F., and Hancock, J. F., Lipid rafts
and membrane traffic. FEBS Lett. 2007, 581,

9 ．Yoda, T., Direct observation of cell-sized liposomes

2098–2104.

containing a functional polyphenol procyanidin B2

21．Cyboran-Mikołajczyk, S., Żyłka, R., Jurkiewicz, P.,from apple, submitted
10．Ohno, M., Hamada, T., Takiguchi, K., and Homma, M.,

Pruchnik, H., Oszmiański, J., Hof, M., andDynamic Behavior of Giant Liposomes at Desired

Kleszczyńska, H., Interaction of procyanidin B3

Osmotic Pressures, Langmuir 2009, 25, 11680-

with membrane lipids–fluorescence, DSC and

11685.

FTIR studies. Biochim. Biophys. Acta Biomembr.
2017, 1859, 1362–1371.

11．Hamada, T., Fujimoto, R., Shimobayashi, S.F.,
Ichikawa, M., Takagi, M., Molecular behavior of

22．Hamada, T., Morita, M., Miyakawa, M., Sugimoto, R.,

DNA in a cell-sized compartment coated by lipids,

Hatanaka, A., Vestergaard, M.C., and Takagi, M.

Phys. Rev. E. 2015, 91, 062717.

Size-dependent partitioning of nano/micro-

12．Yoda, T., Ogura, A. and Saito, T., Influence ofparticles mediated by membrane lateral

Ethyl Caproate on the Size of Lipid Vesicles andheterogeneity. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134,

Yeast Cells, Biomimetics 2020, 5, 16

19788–19794.

13．Y o d a , T . , a n d S a i t o , T . , S i z e o f C e l l s a n d

23．Morita, M., Hamada, T., Tendo, Y., Hata, T.,

Physicochemical Properties of Membranes are

Vestergaard, M. C., and Takagi, M., Selective

Related to Flavor Production during Sake Brewing

localization of Alzheimer’s amyloid beta inin the Yeast Saccharomyces cerevisiae, Membranes,

membrane lateral compartments. Soft Matter.

2020, 10, 440.

2012, 8, 2816–2819.

14．Verstraeten, S.V., Oteiza P.I., and Fraga, C.G.,

24．Muraoka, T., Umetsu, K., Tabata, K., Hamada, T.,

Membrane effects of cocoa procyanidins inNoji, H., Yamashita, T., and Kinbara, K., Mechano-liposomes and Jurkat T cells, Biol. Res. 2004, 37,

Sensitive Synthetic Ion Channels, J. Am. Chem.

293-300.

Soc. 2017, 139, 18016-18023.

15．Arisawa, K., Mitsudome, H., Yoshida, K., Sugimoto,

25．Wang, R., Dang, M., Zhu, W., and Li, C., Galloyl

S., Ishikawa, T., Fujiwara Y., and I. Ichi, Saturated

Group in B-type proanthocyanidin dimers was

fatty acid in the phospholipid monolayer contributes

responsible for its differential inhibitory activity

to the formation of large lipid droplets, Biochem.

on 3T3-L1 preadipocytes due to the strong lipid

Biophys. Res. Commun. 2016, 480, 641-647.

raft-perturbing potency., J. Agric. Food Chem.
2021, 69, 5216-5225.

16．Sugahara, K., Shimokawa N., and Takagi, M.,
Destabilization of phase-separated structures in

26．Yoda, T., Miyaki, H., and Saito, T., Freeze

local anesthetic-containing model biomembranes,

concentrated apple juice maintains its flavor, Sci.

Chem. Lett. 2015, 44, 1604-1606.

Rep. 2021, 11, 12679

17．Yoda, T., Yamada, Y., and Chounan, Y., Effects of― 14 ―

申請者

千葉大学

原

康雅

植物および微生物資源から関節リウマチ滑膜細胞のアポトーシスシグナル経路を選択的に活性化する天然物の探索
千葉大学

1 ．背景と目的

大学院薬学研究院

原

康雅

や1500種を超える土壌や河川、海砂から分離した微生物

関節リウマチは、主に関節における慢性炎症疾患であ1 株の単独培養（単培養）抽出物を独自に保有しており、り、自己免疫疾患の 1 つである。日本の患者数はおよそ目標とする生物活性を持つ天然物を単離できる可能性が60〜100万人と推定され、男性よりも女性が多く発症すある。しかし、更なる天然物探索資源の拡充のために、る。関節リウマチ患者の滑膜では炎症性免疫細胞の浸潤

今回、微生物の「共培養」にも着目した。これまでの研と滑膜組織中の滑膜線維芽細胞の過増殖により炎症が慢

究成果3-5より、通常微生物 1 種では産生しない天然物を、性化し、やがて骨や軟骨が蝕まれ関節破壊がもたらされ微生物が他生物との相互作用を経て産生していたことかる。現在の関節リウマチ治療は、メトトレキサートを第ら、微生物と他生物が直接的な相互作用や分泌分子など

一 選 択 と し た 抗 リ ウ マ チ 薬（disease modified antiを介した間接的な相互作用を行うことで、微生物は新た

rheumatic drugs, DMARDs） を 用 い る 治 療 法 や、な天然物を産生すると考えた。自然界にて同一環境に存DMARDsとTNF-α阻害薬やIL-6阻害薬などの生物学的在する微生物と他生物間でも直接的、あるいは間接的な製剤を併用する治療法が推奨され、炎症反応の抑制が行相互作用が行われていることから、微生物の生育環境をわれているが、半数以上の患者が十分な治療効果を得ら模倣した共培養が未知の天然物探索に有効であると考れておらず、また治療薬による易感染性などの副作用がえ、生育環境が近い微生物同士を組み合わせた微生物 2報告されている。そのため、関節リウマチの治療には抗株の共培養抽出物を得ることで、天然物探索資源の拡充

炎症療法とは異なる別のアプローチが求められている。

が図れるのではないかと考えた。

関節リウマチにおいて、滑膜線維芽細胞は、疾患初期

そこで、今回、微生物の共培養による天然物探索資源

から関節内で異常増殖し、免疫細胞とのサイトカインをの拡充をしつつ、独自に保有する天然資源である熱帯植

介した相互作用による炎症発生や関節破壊などに重要な物や微生物の抽出物から、関節リウマチ滑膜線維芽細胞

役割を担っている。近年、関節リウマチの病態に関して、のアポトーシスシグナル経路を選択的に活性化する天然

滑膜線維芽細胞が産生するGM-CSF が関節炎の炎症に物を探索することとした。

重要であること や、アポトーシスを誘導するデスレセ
1

プター経路に関与するdeath receptor（DR）5に対して

2 ．方法

抗DR5抗体投与により関節リウマチ患者由来の滑膜線維1 ）使用細胞株

芽細胞は特異的にアポトーシスが誘導されること2、な関節リウマチ滑膜細胞のアポトーシスシグナル経路をど様々な滑膜線維芽細胞に関する知見が報告されてい選択的に活性化する天然物を探索するため、各細胞株でる。これらの知見をもとに、我々は関節リウマチの滑膜の細胞生存率に着目した。細胞生存率の評価には、関節線維芽細胞の異常増殖抑制やアポトーシス等の細胞死をリウマチ患者由来滑膜線維芽細胞株MH7A（RCB1512）、

誘導する化合物が関節リウマチ治療に有効ではないかと

ヒト胎児腎由来細胞株HEK293および正常ヒト由来肺線考え、研究に着手した。

維芽細胞株WI-38 VA13 sub 2 RA（JCRB9057）を用い当研究グループは、400種を超える熱帯植物の抽出物

た。MH7A 6 は文部科学省/国立研究開発法人日本医療― 15 ―

開発機構ナショナルバイオリソースプロジェクトを介し酢酸エチル層を乾固した後、50 mg/mL DMSO溶液とて、理研BRCより購入した。WI-38 VA13 sub 2 RA 7はして調整した。これを微生物単培養抽出物コレクション

JCRB細 胞 バ ン ク よ り 購 入 し た。MH7A はとし、スクリーニングの際には、50 μg/mLに調整し用

RPMI1640+10%FBS培 地、HEK293はDMEM+10%FBS

いた。

培地、WI-38 VA13 sub 2 RAはEMEM（非必須アミノ5 ）微生物共培養

酸、1.5 g/L NaHCO3含 有 ）+10%FBS培 地 で、37℃、単培養にて生物活性を示さなかった微生物でも、生物5 %CO2下で培養した。

活性を示す天然物の遺伝子等が発現していない可能性が2）
生物活性試験

ある。そこで、微生物を用いた共培養を行い、生物活性

細胞生存率は、Fluorometric Microcultureを示す天然物の遺伝子や他の微生物の産生した天然物をCytotoxicity Assay（FMCA法 ） に よ り 測 定 し た。96

修飾する遺伝子が発現すれば、新規骨格構造や生物活性ウェル黒色マイクロプレートに、細胞を各ウェルに 2 ×を有する天然物を産生する可能性が期待できる。そのた

10 cells/200 mLで播種し、24時間後にサンプルを添加

め、共培養には、生物活性を示さなかった微生物の組みした。72時間後に培地を除去後、3.5 mg/mL fluorescein

合わせを選択した。また、共培養には、同一日、同一環

diacetate（FDA）含有PBS溶液を各ウェルに200 mL添境より単離された 2 種の微生物の組み合わせを用いた。

加し、 1 時間、37℃、 5 %CO2下で培養した。培養後、Waksman液体培地2 mLを各ウェルに加えた24ウェル透

生体内酵素によりFDAから生じるfluoresceinの蛍光量

明マイクロプレートに微生物を播種し、28℃、160 rpm

を、マイクロプレートリーダー Fluoroskan Ascentにての往復振盪培養により 5 日間前培養した。培養後、前培測定した（Ex： 485 nm、Em： 538 nm）。ネガティブコ

養液のOD620値を測定した。Waksman液体培地2 mLをントロールには0.1%DMSOを用い、ポジティブコント

各ウェルに入れた別の24ウェル透明マイクロプレートを

ロールにはactinomycin Dを用いた。 1 次スクリーニン

用いて、各微生物前培養液をOD620 0.01となるように各

グ に は、MH7Aを 用 い、 2 次 ス ク リ ー ニ ン グ に は、

ウェルに添加し、2 株の微生物による共培養を開始した。

HEK293またはWI-38 VA13 sub 2 RAを用いた。

このプレートは、28℃、160 rpmの往復振盪培養により

83各細胞株に対する細胞毒性評価は、n = 3で行った。

5 日間共培養を行った。同時に共培養に用いた微生物の細胞生存率は、次の式で求めた。細胞生存率（%）

単培養を実施した。培養後、2000 rpmで30分間遠心分=100×［サンプルの蛍光量］/［ネガティブコントロー

離し、得られた培養上清100 μLを凍結乾燥により乾固ルの蛍光量］。

後、50 mg/mL DMSO溶液として調整した。スクリー
ニングの際には、50 μg/mLに調整し用いた。

3）
植物
3 ．結果

植物は、当研究グループがこれまでに共同研究者と採1 ）植物資源のスクリーニングと成分探索取し保管していたタイ産植物（KKP）を用いた。各植物をメタノールで抽出した後、得られたメタノール抽出物

タイ産植物抽出物コレクション内の724種について、を50 mg/mL DMSO溶液として調整した。これをタイ

MH7Aを用いた一次スクリーニングを実施した。MH7A

産植物コレクションとし、スクリーニングの際には、50の細胞生存率が30%以下を示したサンプルをヒットサン

μg/mLに調整し用いた。

プルとしたところ、211種がヒットサンプルとして得られた。次に、正常ヒト由来細胞株に対して細胞毒性の低4）
微生物単培養い ヒ ッ ト サ ン プ ル を 見 出 す た め に、HEK293とWI-38

微生物は、当研究グループがこれまでに日本国内で採VA13 sub 2 RAを用いた二次スクリーニングをそれぞ取した土壌、河川サンプルより単離した微生物（CKK）

れ実施した。このスクリーニングではMH7Aの細胞生存を用いた。微生物 1 株をWaksman液体培地にて培養し率と比較して各細胞株の細胞生存率が30%以上高いものて得られた培養液を酢酸エチルで液液分配し、得られたを ヒ ッ ト サ ン プ ル と し た と こ ろ、211種 の う ち、― 16 ―

HEK293を用いた場合では85種が、WI-38 VA13 sub 2

画し、メタノールとアセトン画分に分画した。メタノー

RAを用いた場合では38種がヒットサンプルとして得らル画分を10%メタノールで再溶解し、ヘキサン、酢酸エ

れ た。 ま た、 こ れ ら の う ち12種 は 両 細 胞 で 生 存 率 がチル、n-ブタノールで順次液液分配した。液液分配後のMH7Aよりも高いサンプルであった。

4 画分に関して、MH7AおよびWI-38 VA13 sub 2 RA

まず、分画対象として、HEK293と比較してMH7Aのに対する細胞毒性評価を行ったところ、酢酸エチル画分

細胞生存率が低い、タイ産オオホザキアヤメ科植物

は、WI-38 VA13 sub 2 RAと比較してMH7Aに強い細Cheilocostus speciosusの根茎を選択した。本植物根茎40

胞毒性を示した。酢酸エチル画分をシリカゲルおよびgをメタノールで抽出した。得られたメタノール抽出物

ODSカラムクロマトグラフィー、HPLCにて分画し、化合3.2 gをシリカゲル、ODSを担体としたカラムクロマト

物4-8を得た。化合物4-8のNMRおよびMSなどの各種スグラフィー及びHPLCにより分画することで、化合物1-3ペクトルデータを解析した結果、化合物 4 をquercetin、を得た。化合物1-3のNMRおよびMSなどの各種スペク

化合物 5 をquercetin3-O-β-D-glucopyranoside、化合物

トルデータを解析した結果、化合物 1 をdioscin、化合6 をrhamnetin4-O-rutinoside、化合物 7 をeschweilenol

物 2 をprotodioscin、化合物 3 をgracillinと同定した（図C、化合物 8 をeIlagicacid4-O-α-xylopyranosideと同定

1）。いずれも本植物より単離報告のある既知サポニン

した（図2a）。化合物4-7はいずれも本植物より単離報告であった。

のある天然物であったが、化合物 8 は本植物より初めて

MH7Aに対する化合物1-3のIC50はそれぞれ、2.9μM、の単離報告であった。

10.0 μM、3.5 μMであった。また、HEK293に対する化合物4-8のうち、化合物 7 は濃度依存的にMH7Aに化合物1-3のIC50はそれぞれ、4.4 μM、7.0 μM、4.7 μ対する細胞毒性を有し、そのIC50は51.8 μMであった。

Mであった
（図 1 ）。

また、WI-38VA13sub2RAに対する化合物 7 のIC50は次に、HEK293およびWI-38VA13sub2RAと比較し38.1μMであった（図2b）。化合物 4 はいずれにも濃度てMH7Aに 細 胞 毒 性 を 示 し た タ イ 産 ウ ル シ 科 植 物

依存的な細胞毒性を示し、細胞間のIC50に差は見られな

Spondias mangiferaの葉部を選択した。本植物葉部131

かった。化合物 4 は 3 位に単糖が結合している化合物 5 、gをメタノールで抽出し、得られたメタノール抽出物

二糖が結合している化合物 6 よりもMH7Aに対して強20.1gを、DaiaionHP-20カラムクロマトグラフィーで分い細胞毒性を示した。また、化合物 7 、 8 は糖の種類により、MH7Aに対する細胞毒性が異なっていた。
さらに、WI-38 VA13 sub 2 RAと比較してMH7Aに細胞毒性を示したタイ産マメ科植物Xylia kerriiの葉部

12

viability (%)

MH7A
100

50

50

0

cont.

1

5

a)

HEK293

100

0

10

cont.

1

1 (µM)

5

4

10

6

7

50

cont.

1

5

10

タイ産植物Cheilocostus speciosusより単離された天然物1-3の構造とその細胞毒性

図2― 17 ―

WI-38 VA13 sub 2 RA

MH7A

3 (µM)

図1

8

b)

100

viability (%)

viability (%)

3

0

5

2 (µM)

100

100

50

50

0

cont. 10100 140 170 200

4 (μM)

0

cont. 11040

7 (μM)

70 100 イ産植物Spondias mangiferaより単離された天然物
タ4-8の構造（a）
と化合物 4 、 7 の細胞毒性（b）

を選択した。本植物葉部113 gをメタノールで抽出し、を産生する微生物12種を用いて15種の組み合わせで共培得られたメタノール抽出物20.1 gを10%メタノールで再養を実施し、培養抽出物を作成した。共培養抽出物のう

溶解し、ヘキサン、酢酸エチル、n-ブタノールで順次液

ち、 4 種の共培養抽出物は単培養抽出物と比較して、液分配した。液液分配後の 4 画分のうち、酢酸エチル画

MH7Aに対する細胞毒性を有していたが、その細胞生存

分は、WI-38 VA13 sub 2 RAと比較してMH7Aに強い率の差は大きくなかった。

細胞毒性を示した。酢酸エチル画分をシリカゲルおよび

そこで、分画対象として、WI-38 VA13 sub 2 RAとODSカラムクロマトグラフィー、HPLCにて分画し、化比較してMH7Aの細胞生存率が低いCKK1305を選択し合物9-12を得た。化合物9-12のNMRおよびMSなどの各た。本菌株は2014年 3 月に千葉大学亥鼻キャンパスにて

種スペクトルデータを解析した結果、化合物 9 を新規ビ採取した土壌より分離した微生物で、16S rRNA遺伝子

フ ラ ボ ノ イ ド、 化 合 物10を（+）
-catechin、 化 合 物11をの 解 析 に よ りMycolicibacterium septicum IFM12283とmyricitrin、化合物12をmyricetin-3-β-xylosideと決定し同定した。本菌株をWaksman液体培地24 Lで、28℃、た（図 3 ）。既知化合物12は本植物より初めての単離報

160 rpmの往復振盪培養により 5 日間培養した。酢酸エ

告 で あ っ た。 化 合 物9-12の う ち、 化 合 物 9 、11、12はチルにて液液分配し、得られた酢酸エチル抽出物6.6 g

MH7Aに対する細胞毒性を有し、そのIC50は100 μM未をシリカゲルおよびODSカラムクロマトグラフィー、

満であった。一方で、WI-38 VA13 sub 2 RAに対して、

HPLCにて分画することで、化合物13-18を得た。13は化合物 9 、11、12はいずれも100 μMで細胞毒性を示さ

mycobactin H、15、17はmycobactin Hの脂肪鎖の長さなかった。

が異なる新規類縁体であり、化合物14、16、18は13、15、18の鉄複合体であることが明らかとなった（図 4 ）。

3）
微生物資源のスクリーニングと成分探索

化合物13、15、17は鉄複合体である14、16、18と比較し微生物単培養抽出物コレクション内の772種の抽出物て、MH7Aに対して強い細胞毒性を示した。

について、MH7A細胞毒性を指標とした 1 次スクリーニ
ングを実施した。細胞生存率が30%以下を示したサンプ

4 ．結論

ルをヒットサンプルとしたところ、76種がヒットサンプ

本研究にて、MH7Aに対する選択的な細胞毒性を有しルとして得られた。次に、WI-38 VA13 sub 2 RAを用た タ イ 産 植 物 3 種（Cheilocostus speciosus、Spondias

いた 2 次スクリーニングを実施し、MH7Aの細胞生存率

mangifera、Xylia kerrii）より化合物12種を単離した。

よりWI-38 VA13 sub 2 RAの細胞生存率が高いものをま た、 土 壌 由 来 微 生 物Mycolicibacterium septicum

ヒットサンプルとしたところ、51種のうち、17種がヒッIFM12283よ り 化 合 物 6 種 を 単 離 し た。 そ の う ち、

トサンプルとして得られた。

MH7Aに 選 択 的 な 細 胞 毒 性 を 有 す る 天 然 物 と し て、

また、MH7Aの細胞生存率が95%以上を示した抽出物

myricitrinやmycobactin H等を見出した。今後、単離した化合物による細胞死が、アポトーシス誘導によるもの
か否かの検討を進めるともに、さらなる生物活性天然物の単離を通して、関節リウマチ滑膜線維芽細胞の細胞死を誘導する創薬シードを見出したいと考える。

図3

タイ産植物Xylia kerriiより単離された天然物10-12の構造

図4― 18 ―

Mycolicibacterium septicum IFM12283よ り 単 離 さ れた天然物13および14の構造

5 ．謝辞

cells. J. Nat. Med. 2018, 72, 280-189.

本研究に対して多大なご支援を賜りました公益財団法

4 ．H ara Y, Arai MA, Toume K, Masu H, Sato T,

人 松籟科学技術振興財団に、心より御礼申し上げます。

Komatsu K, Yaguchi T, Ishibashi M. Coculture of

また、菌株同定にご協力いただいた千葉大学真菌医学研

a pathogenic actinomycete and animal cells to

究センター 矢口 貴志 博士に御礼申し上げます。

produce nocarjamide, a cyclic nonapeptide with
Wnt signal-activating effect. Org. Lett. 2018, 20,

6 ．参考文献

5831-5834.

1 ．Hirota K, Hashimoto M, Ito Y, Matsuura M, Ito H,

5 ．Jomori T, Hara Y, Sasaoka M, Harada K, Setiawan

Tanaka M, Watanabe H, Kondoh G, Tanaka A,

A, Hirata K, Kimishima A, Arai M. Mycobacterium

Yasuda K, Kopf M, Potocnik A J, Stockinger B,

smegmatis alters the production of secondary

Sakaguchi N, Sakaguchi S. Autoimmune Th17

metabolites by marine-derived Aspergillus niger. J.

cells induced synovial stromal and innate lymphoid

Nat. Med. 2020, 74, 76-82.

cell secretion of the cytokine GM-CSF to initiate

6 ．Miyazawa K, Mori A, Okudaira H. Establishment

and augment autoimmune arthritis. Immunityand characterization of a novel human rheumatoid

2018, 48, 1220-1232.

fibroblast-like synoviocyte line, MH7A,

2 ．Ichikawa K, Liu W, Fleck M, Zhang H, Zhao L,
Ohtsuka T, Wang Z, Liu D, Mountz J D, Ohtsuki

immortalized with SV40 T antigen. J. Biochem.
1998, 124, 1153-1162.

M, Koopman W J, Kimberly R, Zhou T. TRAIL-R2

7 ．Girardi AJ, Weinstein D, Moorhead PS. SV40

（DR5）mediates apoptosis of synovial fibroblasts

transformation of human diploid cells. A parallelin rheumatoid arthritis. J. Immunol. 2003, 171,

study of viral and karyologic parameters. Ann.

1061-1069.

Med. Exp. Biol. Fenn. 1966, 44, 242-254.

3 ．Hara Y, Arai MA, Sakai K, Ishikawa N, Gonoi T,

8 ．L i n d h a g e n E , N y g r e n P , L a r s s o n R . T h e

Yaguchi T, Ishibashi, M. Dehydropropylpantothe-

fluorometric microculture cytotoxicity assay. Nat.

namide isolated by a co-culture of Nocardia

Protoc. 2008, 3, 1364-1369.

tenerifensis IFM 10554 in the presence of animalT― 19 ―

申請者

金沢大学

廣瀬

大祐

ゼロ・エミッション型直接的フルバイオベースポリマー合成法
の開発
金沢大学

はじめに

理工研究域物質化学系

廣瀬

大祐

うためにはエステル化やエーテル化などの高分子反応にプラスチック製造を始めとした化学工業は二酸化炭素よる修飾が必要である5。

の発生源となる有限な石油資源に依存しており、再生利

しかし、一般的なエステル化やエーテル化のための溶用可能資源であるバイオマス資源への転換が求められて媒として使われる非水系の有機溶媒には一切溶解しないいる 。リグノセルロース系バイオマスは二酸化炭素とことから、非常に効率の悪い不均一懸濁状態での高分子

水から太陽光による光合成によって生成するが、このよ反応を行う必要があった。そのため大過剰の試薬が必要

うなバイオマス資源のみで合成されたフルバイオベースとなるだけでなく対応する廃棄物も同時に大量に発生

ポリマーは燃焼廃棄しても地表における正味の二酸化炭

し、さらには従来のエステル化やエーテル化反応に直接素存在量が変化しないため、これらの製造および利用は用いることができる天然由来化学物質は殆ど存在しな

カーボンニュートラルに大きく貢献する 。

かったことから石油資源由来の原料を使用する必要が12しかし、従来のポリ乳酸などのバイオベースプラス

あった。すなわち、環境に良いバイオベース材料を環境

チックは多工程を経て合成されるものが殆どであり、モに悪い手法で合成しなければならない状況にあった6。

ノマーの合成や精製などの余分なプロセスを必要とする

そのため、セルロースなどの広範なバイオマスを溶解ことから、実際には色々な試薬の利用や廃棄物の発生、させることができる非水系溶媒としてイオン液体に注目

そしてそれらを輸送するための燃料消費などの観点からが集まっており、実際にイオン液体中で均一に溶けた状

果たして環境と調和できているのかなどの疑問が生じ

態で化学修飾を行うことで反応効率が大幅に改善される

3, 4

る 。

ことが報告されているが、用いることができる反応や試

極力廃棄物を出さないように天然から得られるものを薬が相変わらず環境不調和であり、真に環境調和型のバ

できる限り直接反応させて一工程で目的のポリマーを合イオマス修飾法が求められていた7-12。

成すること、すなわちゼロ・エミッション型直接的フル

このような状況下において、筆者は最近、イオン液体

バイオベースポリマーの合成法は、カーボンニュートラ

中にわずかに発生するN-ヘテロサイクリックカルベン

ルの観点から非常に重要である 。

（NHC）種が触媒する酸化的エステル化反応に着目し、

1

リグノセルロース系バイオマスの一つであるセルロー

樹皮由来の天然精油に含まれるシナモン由来の不飽和アスはグルコースユニットを繰り返し構造として有する地

ルデヒドであるシンナムアルデヒドとセルロースをイオ

球上に最も豊富に存在するとされる天然高分子である。

ン液体に溶かすだけでフルバイオベースプラスチックが繰り返しユニットに対して 3 つの水酸基を有しており、13-15生成することを見出した（Figure 1A）。水素原子一つ

これら水酸基間の水素結合形成により高い結晶性を示も損失しない原子効率（アトムエコノミー）
100%の理想す。そのため、高分子であるにも関わらず分解温度以下

的な反応形式であり、ゼロ・エミッションの前提条件をでは熱可塑性などの一般的な高分子らしさを示さない。

初めて満たす可能性を持つ次世代のセルロースエステル

さらには湿式加工を施すにも水素結合を切断できる特殊化手法として注目されている3。

な溶媒系にしか溶解しないため、プラスチックとして扱― 20 ―

天然にはシンナムアルデヒド以外にもシトラールやヘFigure 2：イオン液体の構造

ルデヒドを滴下し、反応混合物を60℃で24時間撹拌した。
反応後、混合物をメタノールに加えることで目的ポリ
マーが析出した。メタノールで洗浄した後、真空乾燥すFigure 1：本申請内容

ることで対応するセルロースエステルを得た。プロトン
NMRおよびIR測定によりそれぞれの構造を定性した。

キセナール、ペリルアルデヒドなどの様々な不飽和アル
2 ．実験結果デヒドが存在するが16-27、触媒かつ溶媒として機能する
市販のカルボキシレート型イオン液体1-エチル-3-メチル

条件検討を行うにあたり、モデル天然不飽和アルデヒ

イミダゾリウムアセテート（EmimOAc）では、反応時にドとしてシンナムアルデヒド（1）を用いた。はじめに、

アセテートアニオンが混合酸無水物を経由してエステル

非カルボキシレート型イオン液体としてEmim構造を持基としてセルロース上に導入される副反応が生じること

つEmimヘキサフルオロホスフェート
（PF6）
、テトラフ

が確認されていた28, 29。すなわち、真にフルバイオベー

ルオロボレート（BF4）を用いた（Figure 2）。これらにセスプラスチックを合成するには、この副反応を抑える必

ルロースは一切溶解せず、得られたポリマーにはエステ要があった。

ルの形成を示唆する1730cm-1付近のカルボニル基に由来

そこで、真のゼロ・エミッション型直接的フルバイオ

するIR吸収が確認されなかったことから、一切反応がベースポリマー合成法を開発するために、反応機構的に10進行していないと判断した（Table 1）。次にセルロース

混合酸無水物を形成しないと予想される非カルボキシを溶解することが知られているEmimClを用いたとこ

レート型イオン液体に着目し、セルロースの酸化的エス

ろ、セルロースは明確に溶解していることが確認されたテル化反応への適用性について検討を行った（Figure

ものの、反応の進行は一切確認されなかった。酸化的エ1B） 。

ステル化を触媒するNHCの発生にはイミダゾリウムC230位のプロトンを引き抜くための塩基性がアニオンに求め
1 ．実験

られるが、クロライドの塩基性では不十分であったと考1-1．非カルボキシレート型イオン液体合成えられる。次に、NHCの発生が確認されているEmimジ

事前に市販の1-エチル-3-メチルイミダゾリウムクロラ

シアナミド（N（CN）2）を用いたところセルロースは溶解

イド（EmimCl）をアセトニトリル中で再結晶することでせず、得られた回収物からはエステルに由来するIR吸精製した。EmimClを水酸化カリウムと低温でイオン交収を観測できなかった。

換することで1-エチル-3-メチルイミダゾリウムヒドロキシドを合成した（EmimOH）。EmimOHを各種酸性物質と反応させることで、対応する非カルボキシレート型イ
オン液体をそれぞれ合成した。各種NMR、IR測定および質量分析によりそれぞれの構造を定性した。
1-2．セルロースの酸化的エステル化
セルロースを非カルボキシレート型イオン液体と混合し、真空条件下80℃で 3 時間加熱することで乾燥した。
ジメチルスルホキシド（DMSO）を添加した後、不飽和ア― 21 ―

Table 1：本反応におけるイオン液体の影響

Table 2：本反応における基質適用性

塩基性のEmimフェノキシド（OPh）を用いたところ、アニオンの熱安定性の低さに由来する反応条件におけるイオン液体の分解が確認されたため、反応に利用することが困難であった31。そこで、アニオンを安定に非局在化させるために芳香環の 2 位に窒素原子を有するEmim
2-ピリジノレート（OPy）を設計し反応に用いたところ、セルロースは容易に完全に溶解し、得られた生成物からは1730cm-1付近のエステル基に由来するIR吸収が明確に確認された32。
プロトンNMRは、セルロースには見られない7 ppm
付近のシンナムアルデヒド（1）の芳香環に由来するブロードしたピークや、酸化的エステル化によって二重結合が還元されたシンナムアルデヒドのメチレン基水素に由来するブロードした2 ppm付近のピークが観測されたことから、目的のセルロースの酸化的エステル化が進行していると判断した。
一方で、OPyが導入した場合に観測されると予想され
る8 ppm以上の低磁場領域のピークは一切観測されなかったことから、懸念された副反応によるアニオン構造

るキュウリ由来のノナジエナール（4）を用いた場合にもの導入は生じていないことが確認された。同じOPyアニ

高置換度（DS = 2.7）の対応するセルロースエステルが得オン有する1-エチル-2-フェニル3-メチルイミダゾリウムられた。一方で、アルデヒドのβ位に置換基を有するレ

OPy（EmpimOPy）を用いたところ、セルロースは溶解

モングラス由来のシトラール（5）を用いた際には立体障するものの反応は一切進行しなかったことから、C2位

害の影響によると思われる置換度の低下が見られたものにプロトンを有するイミダゾリウム塩を用いる必要性がの（DS = 0.9）、目的の生成物が得られることが確認されあることが明らかとなった。

た。α位に置換基を有するシソ由来のペリルアルデヒド

EmimOPyを最適イオン液体として種々条件の最適化（6）を用いた際にも反応は進行し（DS = 1.1）、特に、芳を行った結果、シンナムアルデヒドを滴下により加える

香環を有するカモミール由来のヘキシルシンナムアルデ

ことで反応効率が向上し、セルロース上の置換反応の進ヒド（7）を用いた場合には比較的高い置換度を示した

行度合いを示す置換度（DS）は最大値である 3 に達した。

33（DS = 2.4）
。EmimOAcを用いて 7 によるセルロース

置換度 3 であるセルロースエステルは、水酸基に由来す修飾を行ったところ、エステル化反応は進行するもののるIR吸収が完全に消失している様子が確認された。さその半分がイオン液体のアニオン由来であったことかららに、反応の進行速度を追跡したところ、およそ 1 時間

も、真にフルバイオベースのセルロースエステルを合成

後には置換度の増加は飽和に達していることが確認されするためには適切なイオン液体を選択する必要があるこた。

とが示された。

最適条件下、セルロースの酸化的エステル化における対照実験として、飽和アルデヒドであるシトロネラー

天然精油由来不飽和アルデヒドの適用範囲を調べた

ル（8）を用いた際にはセルロースが回収されるのみだっ（Table 2）。青葉に含まれるヘキセナール
（2）
や、そばの

たことからも、酸化的エステル化経由で本修飾反応が進成分などとして知られるノネナール（3）などの脂肪族系

行していることが支持された。

の不飽和アルデヒドを用いた場合にも同様に目的のセル
ロースエステルを高置換度（DS = 2.8~3.0）で与えた。さらなる高分子反応の足がかりとなるアルケン構造を有す― 22 ―

3 ．結言Developments in Biobased Polymers toward

様々なイオン液体を用いた系統的な調査により、セル

General and Engineering Applications：Polymers

ロースの酸化的エステル化反応において、非カルボキシthat Are Upgraded from Biodegradable Polymers,

レート型イオン液体 1-エチル-3-メチルイミダゾリウム

Analogous to Petroleum-Derived Polymers, and

2-ピリジノレート（EmimOPy）が高置換度のフルバイオ

Newly Developed. Polymers-Basel 2017, 9.

ベースセルロースエステルの直接合成に必要であること（5）．Kostag, M.； Gericke, M.； Heinze, T.； El Seoud, O.

が明らかとなった。種々の比較検討から、イオン液体がA., Twenty-five years of cellulose chemistry：

触媒かつ溶媒として機能することの重要性が確認されinnovations in the dissolution of the biopolymer

た。イミダゾリウム環のC2プロトンの脱プロトン化に

and its transformation into esters and ethers.

基づき発生するNHCが本酸化的エステル化の触媒活性

Cellulose 2019, 26, 139-184.
（6）．Onwukamike, K. N.； Grelier, S.； Grau, E.；

種であることが支持された。
最適条件下において、EmimOPyは多種多様な不飽和

Cramail, H.； Meier, M. A. R., Critical Review on

アルデヒドとセルロース間の酸化的エステル化反応を進Sustainable Homogeneous Cellulose Modification：

行させ、いずれの場合においても従来EmimOAcを用い

Why Renewability Is Not Enough. ACSた場合に確認されていたイオン液体のアニオン成分が導Sustainable Chemistry & Engineering 2019, 7,

入される副反応は一切確認されなかったことから、得ら

1826-1840.

れたセルロースエステルは全てフルバイオベースである（7）．Chen, J. Q.； Tang, C. Q.； Yue, Y. Y.； Qiao, W. C.；
Hong, J. G.； Kitaoka, T.； Yang, Z., Highlyと判断した。
以上のように、100%アトムエコノミーで進行する酸

translucent all wood plastics via heterogeneous

化的エステル化によるセルロースの直接変換、すなわち

esterification in ionic liquid/dimethyl sulfoxide.

ゼロ・エミッション型直接的フルバイオベースポリマー

Ind Crop Prod 2017, 108, 286-294.
（8）．Kakuchi, R.；Yamaguchi, M.；Endo, T.；Shibata,

合成法が確立された。

Y.； Ninomiya, K.； Ikai, T.； Maeda, K.；
4 ．謝辞

Takahashi, K., Efficient and rapid direct

本研究に遂行に際して、ご支援を賜りました公益財団transesterification reactions of cellulose with

法人松籟科学技術振興財団に心より深く感謝御礼申し上

isopropenyl acetate in ionic liquids. Rsc Adv 2015,

げます。

5, 72071-72074.
（9）．Farran, A.； Cai, C.； Sandoval, M.； Xu, Y. M.；

5 ．参考文献

Liu, J.； Hernaiz, M. J.； Linhardt, R. J., Green（1）．Dube, M. A.； Salehpour, S., Applying theSolvents in Carbohydrate Chemistry：From Raw

Principles of Green Chemistry to Polymer

Materials to Fine Chemicals. Chemical Reviews

Production Technology. Macromol React Eng

2015, 115, 6811-6853.

2014, 8, 7-28.

（10）．Wang, H.； Gurau, G.； Rogers, R. D., Ionic liquid
processing of cellulose. Chem Soc Rev 2012, 41,（2）．I w a t a , T . , B i o d e g r a d a b l e a n d B i o - B a s e d

1519-1537.

Polymers： Future Prospects of Eco-Friendly
Plastics. Angew Chem Int Edit 2015, 54, 3210-（11）．B a r t h e l , S . ； H e i n z e , T . , A c y l a t i o n a n d
carbanilation of cellulose in ionic liquids. Green

3215.

Chemistry 2006, 8, 301-306.

（3）．Constable, D. J. C.；Curzons, A. D.；Cunningham,
V. L., Metrics to ‘green’ chemistry—which are（12）．Wu, J.； Zhang, J.； Zhang, H.； He, J. S.； Ren, Q.；

the best? Green Chemistry 2002, 4, 521-527.

Guo, M., Homogeneous acetylation of cellulose in（4）．Nakajima, H.； Dijkstra, P.； Loos, K., The Recent

a new ionic liquid. Biomacromolecules 2004, 5,― 23 ―

Catalan, C. A. N., A comparison of chemical,

266-268.
（13）．Hirose, D.； Kusuma, S. B. W.； Ina, D.； Wada, N.；antioxidant and antimicrobial studies of

Takahashi, K., Direct one-step synthesis of a

cinnamon leaf and bark volatile oils, oleoresinsformally fully bio-based polymer from cellulose

and their constituents. Food Chem Toxicol 2007,

and cinnamon flavor. Green Chemistry 2019, 21,

45, 1650-1661.
（22）．Zachariah, T. J.；Leela, N. K., 11 - Volatiles from4927-4931.
（14）．Knappke, C. E. I.； Imami, A.； Jacobi vonherbs and spices. In Handbook of Herbs andWangelin, A., Oxidative N-Heterocyclic Carbene

Spices, Peter, K. V., Ed. Woodhead Publishing：

Catalysis. Chemcatchem 2012, 4, 937-941.

2006；pp 177-218.

（15）．Sohn, S. S.； Bode, J. W., Catalytic generation of（23）．Lee, S. J.； Umano, K.； Shibamoto, T.； Lee, K. G.,

activated carboxylates from enals： A product-

Identification of volatile components in basil

determining role for the base. Org Lett 2005, 7,（Ocimum basilicum L.）and thyme leaves

3873-3876.

（Thymus vulgaris L.）and their antioxidant
properties. Food Chem 2005, 91, 131-137.

（16）．Tisserand, R.； Young, R., 13 - Essential oil
profiles. In Essential Oil Safety （Second Edition）,（24）．Santos, J. R.； Carneiro, J. R.； Guido, L. F.；

Tisserand, R.； Young, R., Eds. Churchill

Almeida, P. J.； Rodrigues, J. A.； Barros, A. A.,

Livingstone：St. Louis, 2014；pp 187-482.

Determination of E-2-nonenal by high-（17）．Degenhardt, A.； Liebig, M.； Kohlenberg, B.；

performance liquid chromatography with UVHartmann, B.； Brennecke, S.； Schäfer, U.；detection - Assay for the evaluation of beer

Schrader, D.； Kindel, G.； Trautzsch, S.；ageing. J Chromatogr A 2003, 985, 395-402.

Krammer, G. E., Chapter 45 - Studies on Stability（25）．Haze, S.； Gozu, Y.； Nakamura, S.； Kohno, Y.；of Citrus Flavors and Insights into Degradation

Sawano, K.； Ohta, H.； Yamazaki, K., 2-Nonenal

Pathways of Key Aroma Compounds. In Flavour

newly found in human body odor tends toScience, Ferreira, V.； Lopez, R., Eds. Academic

increase with aging. J Invest Dermatol 2001, 116,

Press：San Diego, 2014；pp 237-240.

520-524.

（18）．Chang, X. L.； Zhao, Z. L.； Li, X. L.； Xu, H.；（26）．Schieberle, P.； Ofner, S.； Grosch, W., Evaluation

Sun, Y.；Wang, W. H., Extraction and Advancedof Potent Odorants in Cucumbers（Cucumis-

Adsorbents for the Separation of Perillaldehyde

Sativus）and Muskmelons（Cucumis-Melo）by

from Perilla frutescens（L.）Britton var. crispa f.

Aroma Extract Dilution Analysis. J Food Sci

viridis Leaves. Food Sci Technol Res 2014, 20,

1990, 55, 193-195.
（27）．Morris, J. A.； Khettry, A.； Seitz, E. W.,

189-199.
（19）．Janes, D.； Kantar, D.； Kreft, S.； Prosen, H.,

Antimicrobial activity of aroma chemicals and

Identification of buckwheat （Fagopyrum

essential oils. Journal of the American Oil

esculentum Moench）aroma compounds with

Chemists’ Society 1979, 56, 595-603.

GC-MS. Food Chem 2009, 112, 120-124.

（28）．Hirose, D.； Kusuma, S. B. W.； Nomura, S.；（20）．Clarke, S., Chapter 3 - Families of compounds

Yamaguchi, M.； Yasaka, Y.； Kakuchi, R.；

that occur in essential oils. In Essential

Takahashi, K., Effect of anion in carboxylate-

Chemistry for Aromatherapy （Second Edition）,

based ionic liquids on catalytic activity of

Clarke, S., Ed. Churchill Livingstone：transesterification with vinyl esters and the

Edinburgh, 2008；pp 41-77.

solubility of cellulose. Rsc Adv 2019, 9, 4048-（21）．Singh, G.； Maurya, S.； deLampasona, M. P.；― 24 ―

4053.

Rate and Capacity in Ionic Liquids. Energ Fuel

（29）
．Kohler, S.； Liebert, T.； Schobitz, M.； Schaller, J.；

2013, 27, 3928-3935.

Meister, F.； Gunther, W.； Heinze, T.,Interactions of ionic liquids with polysaccharides（32）．Fischer, C. B.； Steininger, H.； Stephenson, D. S.；

1. Unexpected acetylation of cellulose withZipse, H., Catalysis of aminolysis of p-nitrophenyl

1-ethyl-3-methylimidazolium acetate. Macromol

acetate by 2-pyridones. J Phys Org Chem 2005,

Rapid Comm 2007, 28, 2311-2317.

18, 901-907.

（30）．Kusuma, S. B. W.； Hirose, D.； Yoshizawa, A.；（33）．Yatham, V. R.； Harrying, W.； Kootz, D.；

Szabó, L.； Ina, D.； Wada, N.； Takahashi, K.,

Neudorfl, J. M.； Schlorer, N. E.； Berkessel, A.,

Direct Synthesis of Full-Biobased Cellulose

1,4-Bis-Dipp/Mes-1,2,4-Triazolylidenes： Carbene

Esters from Essential Oil Component

α,βCatalysts That Efficiently Overcome Steric-Unsaturated Aldehydes. ACS Sustainable

Hindrance in the Redox Esterification of alpha-Chemistry & Engineering 2021, 9, 8450-8457.

and beta-Substituted alpha,beta-Enals. Journal of（31）．Gimeno, M. P.； Mayoral, M. C.； Andres, J. M.,
Influence of Temperature on CO2 Absorption― 25 ―

the American Chemical Society 2016, 138, 26702677.

申請者

岡山大学

新屋

友規

昆虫の蛹室作りに学ぶ植物由来接着剤の開発と3 次元造形への応用
岡山大学

1 ．研究背景と目的

資源植物科学研究所

新屋友規に、幼虫の吐き戻し液に含まれている植物細胞断片の糖植物を摂食する植食性昆虫の幼虫のなかには、体液や鎖をイネが感知し、イネの防御システムを駆動すること

腸管液を吐き戻す生理現象を示すものが知られていを見出している。この糖鎖断片はクサシロキヨトウによる1,2。昆虫の生存戦略における吐き戻しの役割を研究しり濃縮されており、「なぜクサシロキヨトウは、植物のた例はいくつか知られており 、その一つがマツノキハ

害虫監視システムの標的糖鎖をわざわざ集積しているのバチの天敵昆虫から身を守る戦略である。マツノキハバ

か？」という疑問が生じた。この研究を進めるなかで、チの幼虫は松のロジンを摂食した後、天敵忌避作用を持当該糖鎖が植物において細胞接着に関わる糖鎖であるこつテルペン分子群を体内の小袋状の器官に集積し、天敵とをヒントに「植物の粘性多糖を昆虫体内で精製/濃縮

昆虫に襲われた際に吐き戻すことで身を守ることが報告

し、なんらかの接着剤として転用しているのではない

されている 。このように植食性昆虫の一部は、餌となか？」というユニークな昆虫の植物分子利用戦略を推察る植物の様々な有用成分を集積した後、吐き戻して利用した。一部の昆虫では、蛹化直前に粘性体液を吐き戻すすることが知られている。したがって、新規な植物由来

ことで周囲の植物組織や土を固め、蛹室（図1d）と呼ば機能性分子を探索するうえで、吐き戻し液は有用なシーれる部屋構造を作り、その中で蛹化するという行動が知ズを含んでいると期待できる。

られていた5。そこでクサシロキヨトウの蛹室作りにお1,3

4

我々は、イネを食害する植食性昆虫であるクサシロキ

いて、植物由来の粘性多糖を接着剤として利用している

ヨトウ（Mythimna loreyi、ヤガ科、図1a-c）を用いて、のはないかと考えた。我々は、この粘性吐き戻し液を「蛹

イネとクサシロキヨトウの攻防を分子レベルで研究を進

室接着剤」と名付け、本研究では蛹室接着剤の接着特性めてきた。クサシロキヨトウの幼虫がイネを摂食する際

や分子組成の検証を行った。
2 ．実験方法
2-1

クサシロキヨトウの飼育と蛹室作りの観察

クサシロキヨトウは岡山県倉敷市に所在する岡山大学
資源植物科学研究所の圃場で採集した。クサシロキヨト
ウは人工飼料またはイネ幼植物体を用いて実験室で継続的に飼育し、実験に用いた6。クサシロキヨトウの蛹室作りを撮影するために、ガラス板とシリコンスペーサーで観察ケージを作製し、ガラスビーズでケージの半分を満たした（図2a）。このケージに蛹化直前のクサシロキヨ
図 1 ．クサシロキヨトウと蛹室
クサシロキヨトウの（a）成虫、（b）幼虫、（c）蛹。
（d）土の中の蛹室中で蛹化したクサシロヨトウの蛹を掘り出した。

トウ終齢幼虫を入れ、タイムラプス撮影を行った。

― 26 ―

の治具の間に20 mgの吐き戻し液を加え、50℃で 1 時間
以上乾燥後、引張り試験によって剝離荷重を測定した。
取得したデータの最大荷重をもとに接着力を計算した。
3 ．結果と考察
クサシロキヨトウの終齢幼虫は蛹化する前に、蛹室とよばれる区画を作製し、蛹室の中で蛹化する（図1d）。
野外では土壌や作物の中に蛹室を作るが、その際にクサシロキヨトウは蛹室接着剤を吐き戻し、土や植物組織断図 2 ．蛹室作製観察に用いたケージ（a）と接着力測定に用いた治具（b,c）

片を固めることで蛹室を作製していると考えられる。そこで、クサシロキヨトウが蛹室を作る過程で蛹室接着剤を吐き戻し、利用する過程を実際に観察するために、土2-2

吐き戻し液の回収の代わりにガラスビーズを敷き詰めた観察用ケージを準吐き戻し液はイネ幼植物体を 3 日以上与えたクサシロ

備した。タイムラプス撮影を行ったところ、クサシロキ

キヨトウの幼虫より回収した。蛹化直前の吐き戻し液のヨトウ幼虫が粘性のある蛹室接着剤を吐き戻し、接着剤

回収は、ナイロンメッシュを入れたプラスチックシャー

あるいは漆喰のように利用してガラスビーズを固めて立レを用いて行った。クサシロキヨトウ終齢幼虫をプラス

体的な蛹室を作製している行動が観察された（図3a-i）。

チックシャーレに入れ、蛹室接着剤が吐き戻されたメッ

クサシロキヨトウが蛹室を作製後、蛹室内での蛹化もあシュ部分を切断し回収した。水抽出によりメッシュからわせて観察できた（図3i,j）。

回収した蛹室接着剤は凍結乾燥機で乾固した後、乾燥重蛹室接着剤の構成成分や接着特性を解析するために蛹量を測定した。あわせて、蛹化直前でない吐き戻し液を化直前のクサシロキヨトウ幼虫から蛹室接着剤を採取し4 齢〜 6 齢のクサシロキヨトウ幼虫より回収した。吐きた。蛹室接着剤の分子組成解析として、接着性がクサシ

戻し液の回収は細いプラスチック管を用いて、吐き戻し

ロキヨトウの餌であるイネの粘性多糖に起因する可能性

液を回収するトラップをつけたポンプにより吸引しながが考えられため、構成単糖の分析を行った。その結果、ら行った。

蛹室接着剤ではガラクトースやアラビノースが主要な構
成単糖として検出された（表 1 ）。ガラクトースやアラビ

2-3糖組成の解析

ノースは、植物細胞壁マトリックスに存在するペクチン

回収した吐き戻し液は、フェノール硫酸法に従って糖やアラビノガラクタンを構成する単糖でもある。ペクチの含有量を測定した。濃度決定にはグルコースを標品とンやアラビノガラクタンは粘性多糖であり、これらが蛹した検量線を用いた。吐き戻し液に含まれる糖鎖の構成

室接着剤の接着性に寄与する可能性が示唆された。
また、単糖の解析のため、吐き戻し液を4Nトリフルオロ酢酸

クサシロキヨトウの餌となるイネでは、セルロースやヘで加水分解した。得られた単糖は、高速液体クロマトグ

ミセルロースの構成単糖であるグルコースが主要単糖でラフィー（DX-500シリーズ、サーモフィッシャーサイエ

あるが、蛹室接着剤ではグルコースは検出されず、一方

ンティフック）により分析した。

でガラクトースやアラビノースは吐き戻し液での存在比がイネサンプルと比較して増加していた。この結果から、

2-4接着特性の解析

クサシロキヨトウが植物細胞接着糖鎖を昆虫体内で精製

接着特性の測定は引張試験機（FGS-50E+FGP-0.5、/濃縮して蛹室接着剤を作製している可能性が考えられ

日本電産シンポ）により行った。吐き戻し液の接着性をた。

測定するための治具を作製した。接着面に用いるスライ

続いて蛹室接着剤の接着特性の測定を試みた。5 mg/

ドグラス（松浪No.1）を円形（内径14 mm）にカットしてµLに溶解した4 µLの蛹室接着剤（乾燥重量20 mg）を用作製し、アクリルとフックを取り付けた（図2b,c）。 2 個いて接着力の測定を引張り試験で測定したところ、10.1-― 27 ―

図 3 ．クサシロキヨトウによる蛹室作製の観察。幼虫が粘性のある蛹室接着材を吐き戻している（f,g 矢印）。作製した蛹室の中で蛹化したクサシロキヨトウ（i,j）。
表1

り、オオモンシロチョウと同様の防御戦略に粘性吐き戻

蛹室接着剤の構成単糖比し液を利用している可能性も考えられた。
本研究では、クサシロキヨトウが蛹室作製時に吐き戻す蛹室接着剤に注目して、その接着特性と分子組成に初めて迫った。糖組成の解析から、餌となるイネの粘性多糖が接着力に寄与する可能性が示された。今回、定量的な接着力測定法を確立したことから、蛹室接着剤の接着
表2性が植物細胞壁糖鎖に由来するのかどうか、糖加水分解

蛹室接着剤の接着力の解析

酵素と組み合わせた実験を行うことで明らかにしていきたい。また今後、蛹室接着剤を用いた 3 次元造形を行うとともに、さらなる接着特性の解析を行うことで蛹化する環境に適した接着特性を有しているのか調べていきたい。接着成分の候補糖鎖は、植物の防御機構を活性化するため昆虫にとって不利な分子であるにもかかわらず、
11.7 kPaの接着力があった（表 2 ）。さらに蛹室作製時に植物と昆虫の共進化を経てもなお維持・利用されている。

加えて、蛹室作製時より若齢の幼虫から回収した吐き戻このことは、蛹室接着剤は他には代えがたい独特な機能

し液（4 µL、推定乾燥重量100 mg）についても接着力をや機能性分子を含んでいる可能性を示唆している。蛹室測定したところ、9.1-14.3 kPaの接着力が観察された（表接着剤のユニークな特性を探ることで、植物素材による

2）。この結果より、クサシロキヨトウが蛹室接着剤を

天然接着剤創出の手がかりが得られることを期待してい調製する過程で、より接着力が高まっていることが明らる。

かになった。また、吐き戻し液を回収した若齢の幼虫が4 ．謝辞

粘性のある吐き戻し液を自身の外敵からの防御に使用するという報告もある。オオモンシロチョウの幼虫は、自本研究の遂行に際して、多大なご支援を賜りました公身を攻撃する天敵昆虫に向けて吐き戻し液を吹き付ける益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上げまことが知られている7。粘性のある吐き戻し液を天敵昆す。また、大阪公立大学大学院理学研究科の森英樹准教

虫の羽に付着させることで、天敵昆虫の飛翔行動を抑え授、信州大学繊維学部の秋山佳丈教授、埼玉大学大学院

ると考えられている。クサシロキヨトウの幼虫も物理的理工学研究科の小竹敬久教授、岡山大学資源植物科学研な刺激に応じて吐き戻し液を勢いよく噴射することがあ究所のGalis Ivan教授、北條優子氏、藤原由佳氏をはじ― 28 ―

めとする共同研究者の皆様に心より感謝申し上げます。

behaviour, depth, and site of Spodoptera exigua.
Bull Insectol 64：209-214（2011）.

5 ．参考文献

6 ．Shinya T, Hojo Y, Desaki Y, Christeller JT, Okada K,

1 ．Grant JB. Diversification of gut morphology inShibuya N, Galis I. Modulation of plant defense

caterpillars is associated with defensive behavior.

responses to herbivores by simultaneous

J Exp Biol 209：3018-3024（2006）.

recognition of different herbivore-associated

2 ．Peiffer M, Felton GW. Do Caterpillars Secrete“Oral
Secretions”? J Chem Ecol 35：326-335（2009）.

elicitors in rice. Sci Rep. 26：32537（2016）.
7 ．Desurmont GA, Köhler A, Maag D, Laplanche D,

3 ．Gross P. Insect behavioral and morphological

Xu H, Baumann J, Demairé C, Devenoges D,

defenses against parasitoids. Annu Rev Entomol

Glavan M, Mann L, Turlings TCJ. The spitting

38：251–273（1993）.

image of plant defenses： Effects of plant

4 ．Eisner T, Johnessee JS, Carrel J, Hendry LB,

secondary chemistry on the efficacy of caterpillar

Meinwald J. Defensive use by an insect of a plant

regurgitant as an anti-predator defense. Ecol Evol.

resin. Science 184：996-999（1974）.

7：6304-6313（2017）.

5 ．Zheng XL, Cong XP, Wang XP, Lei CL. Pupation― 29 ―

申請者

大阪市立大学（現 大阪公立大学） 西川慶祐

リングサイズ発散合成を応用した植物天然物の量的供給と構造活性相関研究への展開
大阪公立大学 大学院理学研究科

西川慶祐

1 ．はじめに
中国の森林土壌菌由来のネロリドール型セスキテルペ
ノイド類と、
タイの果樹由来であるフェロニエリン類は、各々類縁体間で異なるリングサイズのエーテル環をもち（『リングサイズ発散』型植物天然物と呼ぶ）、有用な生
物活性が期待できることから効率的な量的供給法が望まれる。Huangらによって、2016年、二種の新規ネロリドー
ル型セスキテルペノイド類が中国東北部の土壌菌
Streptomyces scopuliridisか ら 単 離 さ れ た（ 図 1（A））［1］。提出された構造式は、テトラヒドロフラン（THF）
環タイプのものが 1 、テトロヒドロピラン（THP） 環のものが 2 である。しかしながら、これら天然物の相対配置は二次元NMRで推定されているものの、絶対配置は未決定であり、かつ詳細な生物活性に関する報告例は特にない。また、フェロニエリン類は、2006年タイの果樹Feroniella lucidaより単離されたフラノクマリンが連結したモノテルペノイドであり、フェロニエリンA、B、
そしてCは、フラノクマリン骨格とTHF環、THP環、そ

図1．
『リングサイズ発散』型植物天然物の化学構造

してオキセパン環（七員環エーテル）が各々連結した化学構造をもつ（図 1（B）、提出構造式は各々 3 、 4 、そして5）［2］。フェロニエリンAが引き起こすオートファ

これら天然物群の全立体構造を明らかにすること、そし

ジーは多剤耐性のヒト肺癌A549細胞のアポトーシスをて生物機能の詳細な分析のためにも、短工程かつ量的供引き起こすこと、またフェロニエリンBは強力な血小板給法の開発は必要である。我々は、まだ合成例がない、凝集阻害活性を示すことが報告されている。また同じ果これら『リングサイズ発散』型植物天然物について、共樹よりフェロニエリンBのジアステレオマーである、通原料からの発散的かつ網羅的な合成法の確立を目指し

フェロニエラミン（提出構造式は 6 ）も後に単離されておた。

り、脂質過酸化反応を阻害することが報告されている

申請者の研究室では、テトラエポキシド分子を原料に、［2b］。フェロニエリン類の相対配置も、同じく二次元

一般的に酸性水媒体中でTHF環を与える環化反応につNMRで推定されており、フェロニエリンAのみが新モッ

いて、中性水中下に条件を切り替えることでTHP環をシャー法によりC2”位がS配置であることが報告されて立体特異的に与えることを見出している［ 3 ］。今回新いるが、それ以外の類縁体の絶対配置は未決定である。

たに、Lewis酸を用いる低温下の条件でオキセパン環を― 30 ―

図 2 ．『リングサイズ発散』合成戦略の概要

選択的に構築することにも成功した。そして、量的供給可能なジエン分子 7 より誘導できる、同一のジエポキシ
ド分子 8 から、 5 、 6 、および 7 員環エーテル 9 、10、
そして11を発散的に供給できる“リングサイズ発散”合成戦略に発展させた（図 2 ）［4］。本戦略を応用して、上記『リングサイズ発散』型植物天然物群の短工程供給法を確立することに成功した。また、特にフェロニエリン類の合成サンプルを用いて、マウスマクロファージ様細胞株RAW264細胞を用いて抗炎症活性および細胞毒性を幅広く評価したので報告する。
2．
『リングサイズ発散』合成法の確立
申請者は過去に、直鎖のテトラエポキシド分子を原料

図3．
（A）テトラエポキシド12を原料とした、THF環とTHP
環のスイッチング、（B）
McDonaldらが報告したendo選
択的エポキシド開環カスケード環化反応、そして（C）
ジエポキシド分子 8 を原料とした、縮環していないオ
キセパン環形成反応の構想に、一般的に酸性水媒体中でTHF環を与える環化反応について、中性水中下［ 5 ］に条件を切り替えることでしたオキセパン環が構築している。今回、図 3（C）に示

THP環を立体特異的に与えることを見出した［ 3 ］。例

すように、反応系中に水を共存させておくことで、ジエ

えば、直鎖状のテトラエポキシド12を原料として、水存

ポキシド間のendo環化の後、水の分子間求核攻撃によっ

在下の酸条件で処理すると、酸を触媒とする末端エポキてエポキソ二ウムイオンIIIが開環すれば、ジエポキシド

シドの加水分解を引き金に、5-exo環化を三度経てトリ8 を原料として、縮環していないオキセパン環11が得ら

スTHF環13を得た（図 3（A））。続いて、中性水中下で12れると考えた。

を処理すると、その環化モードが大きく変化し予期せぬ
ビスTHP環14が得られた。

最初に（E）-オレフィンをもつゲラニオール（17）由来のジエポキシド18および19を調製し、各『リングサイズ発

ま たMcDonaldら に よ る と、 テ ト ラ エ ポ キ シ ド15を散』合成の条件を検討した（図 4（A））
。まず18を原料と-40oCにてLewis酸で処理すると、酸で活性化された末端

した際、水存在下Brønsted酸を用いると、末端エポキ

エポキシドのより置換基の多い炭素に、隣接エポキシド

シドの置換基が多い方の炭素に対する水の求核攻撃を引の酸素原子がendo選択的に攻撃し、エポキソニウムイ

き金として、内部エポキシドに対するexo環化により

オンIやII等を経て梯子状ポリエーテル16を与える（図 3

THF環20を得た。また18を中性水中下で加熱すると、（B））［ 6 ］。この環化反応では、最後に末端のtert-ブトキ

80%に近い良い収率でTHP環21を構築できた。本中性水

シカルボニル（Boc）基のカルボニル部位が分子内で求核

中反応の反応機構は、まず水によって弱く活性化された攻撃することでエポキソニウムイオンを開環させ、縮環末端エポキシドに対し、もう一方のエポキシドの酸素原― 31 ―

図4．
（A） ゲラニオール（17）由来のジエポキシド分子18および19を原料とした『リングサイズ発散』合成と、（B）ネロール（26）由来のジエポキシド分子27からの3,8-ジオキサビシクロ［3.2.1］オクタン骨格28の一挙構築反応

子がexo環化し、エポキソニウムイオンVIIを形成する［3］。次に水の求核攻撃によって開環し、21を与えたと考察する。次に、ジエポキシドからのオキセパン環形成
反応について検討した［ 4 ］。結果として、水存在下嵩高いLewis酸としてトリスペンタフルオロフェニルボラ
ン（B（C6F5）
を用い-40oCで処理すると、予想通りendo
3）
環化が進行しエポキソニウムイオンIXを形成し、水の求核攻撃からオキセパン環22を得ることが出来た。syn体のジエポキシド19を原料として各『リングサイズ発散』
合成の条件を検討したところ、THF環23、THP環24、

図5．
（A）ネロリドール型セスキテルペノイド類の提出構造
式 1 および 2 の推定生合成と、（B）
trans,trans-ファルネ
ソール（30）から生合成されていると推定した際の、妥当な推定構造式6-エピマー31および7-エピマー32

そしてオキセパン環25を、立体特異的に各々構築できた。
またZ体のネロール（26）由来のジエポキシド27を原料とのセスキテルペノイドが多く報告されており、30を生合して同様に検討したところ、Lewis酸を用いる水を添加成前駆体とする提出構造式 1 の6-エピマー31（C6と 7 位しない条件下で、複数の天然物骨格に見られる3,8-ジオ

間がerythro配置）および 2 の7-エピマー32が天然物としキサビシクロ［3.2.1］オクタン骨格28を84%の高収率でて妥当な構造式であると考察し、これらを合成すること一挙構築できることを見出した（図 4（B））。

とした（図 5（B））
。
市販のtrans,trans-ファルネシルアセタート（33）から出

3 ．ネロリドール型セスキテルペノイド類の発散合成

発し、エポキシ化に続く脱アセチル化により、ジエポキ

次に、本戦略をネロリドール型セスキテルペノイド類

シドrac-34とrac-35の分離不能なジアステレオマー混合の合成に応用した。図 5（A）に示す通り、もし天然物の物を得た（図 6（A））。その混合物を酸処理したところ、THFおよびTHP環が、位置および立体選択的エポキシ

6-エピマーrac-31とそのジアステレオマーrac-36を、水化と、それに続くジエポキシドの環化によって生合成さ中反応に付したところ、7-エピマーrac-32とそのジアスれていると仮定する。その仮定では、提出構造 1 およびテレオマーrac-37を得た。天然物のNMRデータと比較し

2 はどちらも、C6と 7 位間がthreo配置なので、2-trans-

たところ、各々6-エピマーおよび7-エピマーが、天然物

6-cis-ファルネソール（29）が想定される生合成前駆体とのTHFおよびTHPタイプのものと非常に良い一致を示なる。しかし、29由来のセスキテルペノイドは天然ではし、天然物の相対配置を修正できた［ 3 ］。また天然物

非常にまれであり、trans,trans-ファルネソール（30）由来の絶対配置を決定するため、各ネロリドールセスキテル― 32 ―

図6．
（A）ネロリドールセスキテルペノイド類の発散的ラセミ体合成と、（B）
それらの発散的不斉合成

ペノイド類の不斉合成を実施した。既知の光学活性体38

エピマーrac-44とフェロニエラミン（rac-6）を各々得た。

より、D-ケトン39を用いるShiエポキシ化を含む僅か三提出構造式の 3 ”-エピマーrac-44が天然物のNMRデー

工程でジエポキシド34を合成し、ent-31および32を各々タと非常に良い一致を示し、フェロニエリンBの相対配合成した（図 6（B）
［3］）
。またent-38を原料としてL-ケ

置も訂正した。さらに混合物を-40oC下Lewis酸で処理すトンent-39を用いる以外は同様の合成経路で、31および

ることで、フェロニエリンC（rac-5）とそのジアステレオ

ent-32を得た。両鏡像異性体の比旋光度の天然物との比

マーrac-45を各々得た。本戦略を用いてリングサイズ発

較により、天然物の未決定の絶対配置は、図 6（B）に示

散的に全てのフェロニエリン類を僅か二工程で供給し、

す通り31および32であると決定した。

フェロニエリンAおよびBについては、それらの相対配置を修正した［ 4 ］。さらに全てのフェロニエリン類の4 ．フェロニエリン類の発散合成

絶対配置を決定するため、Shi不斉エポキシ化を駆使し

5 〜 7 員環エーテルを全て類縁体にもつ、フェロニエて対応するジエポキシド41および42と、そのエナンチオ

リン類の発散合成法を確立した（図 7（A））。グレープフマーent-41およびent-42を全て不斉合成し、『リングサイ

ルーツ成分の一つであるベルガモチン（40）からエポキシズ発散』合成戦略に従い、全フェロニエリン類の両エナ化によりジエポキシドrac-41とrac-42のジアステレオ混

ンチオマーを供給した（図 7（B））［ 4 ］。各合成品と天然合物を得た後、混合物のままp-トルエンスルホン酸で処物の比旋光度を比較することで、全てのフェロニエリン

理することで、フェロニエリンAの提出構造rac-3とその類の絶対配置を図 7（B）に示すように決定した。フェロ

7 ”-エピ体rac-43を各々合成した。ジエポキシド混合物

ニエリンAの 2 ”位の絶対配置はSではなく、正しくはの水中環化により、フェロニエリンBの提出構造の 3 ”-

R配置であり、単離者の解析ミスであることも判明した。

― 33 ―

図7．
（A）フェロニエリン類の発散的ラセミ体合成と、（B）
それらの発散的不斉合成― 34 ―

5 ．構造活性相関の解明を目指した、フェロニエリン類の抗炎症活性の評価

幹史郎君、そして鶴田智暉君）に深く感謝致します。
また、合成品の生物活性試験について御協力頂きました、鹿児フラノクマリン含有化合物は抗炎症活性を示す報告例

島大学水産学部の熊谷百慶博士に感謝致します。さらに、がある［ 7 ］。そこで、同じくフラノクマリン骨格をも合成した化合物のNMR測定および単結晶X線構造解析

つフェロニエリン類について、合成した全ての天然物と等でお世話になりました、大阪公立大学大学院理学研究

各鏡像異性体を対象に、マウスマクロファージ様細胞株

科分析室の土江松美博士、田中里佳博士、そして林剛史

RAW264細胞を用いて抗炎症活性および細胞毒性を評価

博士に深く感謝申し上げます。

し た。 抗 炎 症 活 性 の 有 無 は、 リ ポ 多 糖 で 刺 激 し た
RAW264細胞における一酸化窒素（NO）産生の抑制の程8 ．参考文献度で評価した。陽性対照としてケルセチンを用いた。そ

1 ．X. Huang et al. Magn. Reson. Chem. 2016, 54, 606.

の結果、フェロニエリン類全てにNO産生抑制効果が認2 ．a） P. Phuwapraisirisan, S. Tip-pyang et al.

められた。またリングサイズが大きくなるにつれ、NO

Tetrahedron Lett. 2006, 47, 3685； b） P.

産生抑制効果が強くなる傾向があることを見出した。特Phuwapraisirisan, S. Tip-pyang et al. Phytother.

にフェロニエリンC（5）とその鏡像異性体ent-5は、ケル

Res. 2006, 20, 708； c）P. Phuwapraisirisan et al.

セチンと同程度の強い活性を示した。細胞毒性について

Phytother. Res. 2007, 21, 485； d） W.

は、全てのフェロニエリン類で100μMにおいて有意なAssavalapsakul, Y.-H. Chung et al. Int. J. Oncol.

細胞毒性は確認されず、抗炎症剤としての応用の可能性

2014, 44, 1233.
3 ．a）K. Nishikawa, Y. Morimoto et al.“Criticalが示唆された。

Switching of Cyclization Modes of Polyepoxides in
6 ．結論

Acidic Aqueous Media and Neutral Water：

申請者は、容易に供給可能なジエポキシド分子より、Synthesis and Revised Structure of a Nerolidol-

酸性および中性等の簡単な条件の違いで 5 、 6 、およびType Sesquiterpenoid”Angew. Chem., Int. Ed.

7 員環エーテルを発散的に供給できる『リングサイズ発

2019, 58, 10168； 表紙絵にセレクトされた； b）K.

散』合成戦略を確立した。その戦略を天然物合成に応用

Nishikawa, Y. Morimoto et al.“Natural Product

し、ネロリドール型セスキテルペノイド類とフェロニエ

Synthesis Strategy Based on the Concept of

リン類の発散的合成法を確立し、いくつかの天然物につDirectly Constructing the Ring Skeletons from

いて相対配置を修正し、全ての天然物の絶対配置を決定

Linear Substrates”J. Synth. Org. Chem., Jpn.

した。最後に、フラノクマリン骨格をもつフェロニエリ

2021, 79, 197.

ン類の抗炎症活性を評価し、フェロニエリンCおよびそ4 ．K. Nishikawa, Y. Morimoto et al.“Establishing aの鏡像異性体が特に強力な活性をもつことを見出した。

“Ring-Size-Divergent”Synthetic Strategy：
Synthesis, Structural Revision, and Absolute

7 ．謝辞

Configuration of Feroniellins”Chem. Eur. J. 2021,
27, 11045；Hot Paper にセレクトされた.

本研究を実施するにあたり多大な御支援を賜りまし
た、公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝致し5 ．a）T. F. Jamison et al. Science 2007, 317, 1189；

ます。本研究は大阪市立大学（現大阪公立大学）
大学院理

For reviews, see： b）T. F. Jamison et al. Chem.

学研究科物質分子系専攻（現化学専攻）
合成有機化学研究

Soc. Rev. 2009, 38, 3175.

室内で実施されたものであり、御指導頂きました森本善6 ．a）F. E. McDonald et al. J. Org. Chem. 2002, 67,

樹教授をはじめ、昼夜問わず共に合成実験に取り組んで2515； b）F. E. McDonald et al. J. Am. Chem. Soc.

くれた学生諸君（星野晃大君、橋本統星君、森田健吾君、

2005, 127, 4586.
7 ．G. Kirsch et al. Molecules 2016, 21, 1322.

池内拓海君、丹羽俊揮君、松浦晃久君、寺西智徳君、林― 35 ―

申請者

名古屋大学（現 神戸薬科大学） 波多野学

高性能エステル交換触媒を用いるバイオディーゼル合成
神戸薬科大学薬学部

波多野

1 ．はじめに学

両条件下で促進されるため、酸に不安定な基質にはエスカルボン酸エステルは基本的かつ重要な有機化合物でテル交換反応が適していることもある。

あり、合成中間体の保護基としての役割から医薬品、化そもそも、エステルの合成法は古くから研究されてお粧品、香料、脂質、ポリエステルに至るまで、その用途

り、やり尽くされたほどの研究成果があるように錯覚さは幅広い1。特に工業的には、グリーンケミストリーやれがちである。しかし、冒頭でも述べたとおり、GSCの

原子効率の観点から、化学量論量の活性化剤や縮合剤を観点から研究すると、未だ発展途上の研究分野であり、用いることなく、安価で毒性の低い高活性触媒を用いる

低コストで安定した、持続的に供給可能な環境低負荷型

脱水縮合法やエステル交換法による合成が求められていのエステル合成法の開発は工業的に見て急務である。こる。既に数多くの触媒的エステル合成法に関する論文がうした観点から、我々は問題が生じうる従来の触媒とは報告されているが、バイオディーゼル合成、アクリル酸

一線を画す革新的なエステル合成触媒の開発に取り組ん

エステルの合成、フェニルエステルの合成、第 3 級アルだ。触媒による着色や残留の問題がなく、取扱が容易で、キルエステルの合成、官能基選択性の問題、位置選択性

低コストかつ、安全で堅牢性の高いクリーンな信頼性のの問題、
光学活性エステルにおけるラセミ化の抑制など、高い次世代のエステル製造法を目指した。

実験室規模でも工業的規模でも、未だ解決すべき課題は
2 ．アンモニウム塩触媒の創製とエステル交換反応への

多い。

適用

カルボン酸とアルコールの触媒的脱水縮合法は原子高率の最も高いエステル合成法であるが、エステル交換法

上述の問題を一挙に解決する一つの方法は、金属触媒の方が適しているケースも多い（図 1 ）。例えば、一般からの脱却であると考えた。そこで、メタルフリーの有に脱水縮合反応は酸触媒を用いるため低極性溶媒が適し+–
3
機触媒［Me4N］［OCO2Me］
を開発した（図 2 ）。本触ているが、カルボン酸は極性が高く、低極性溶媒への溶

媒は、取扱いが容易で回収・再利用ができ、高い反応再解度が低い。また、エステルのC–OR結合はカルボン酸

現性を示すほか、スケールアップにも対応できた。従来のC–OH結合よりも解離エネルギーが小さく、穏やかなの金属触媒法に比べ、適用可能な溶媒の種類が多く、合反応条件下で切断できる。さらに、エステルの方が入手成可能なエステルの種類が広いこともわかった。

2

しやすい場合もある。また、脱水縮合は酸性条件下で促

例えば、トロロックスメチルエステルとtrans,trans-

進されるのに対し、エステル交換反応は酸性・塩基性のフ ァ ル ネ ソ ー ル と の 反 応 に お い て、6 mol%の

図 1 ．代表的な触媒的エステル合成法

図 2 ．高活性アンモニウム塩触媒の調製― 36 ―

図 3 ．触媒的エステル交換反応によるビタミンE類縁体のグ
ラムスケール合成+–［Me4N］［OCO2Me］
触媒存在下、トルエン中で 3 時間

加熱還流することにより、ビタミンE類縁体4の一つである目的の生成物を91%収率（10.6グラム）で合成できた（図3）。
3 ．バイオディーゼル合成への展開
エステル交換反応の応用の一つとして、バイオディー
ゼル合成がある5。トリグリセリド由来のメチルエステ

図 4 ．トリラウリンからのバイオディーゼル合成

ルは、エステル交換反応（メタノリシス）を施すことにより、環境低負荷で安価なバイオディーゼル燃料となる。

は不飽和脂肪酸エステルであるが、本法は問題なく適用

バイオディーゼルはバイオマスエネルギーの一つであでき、アルケン部位の損壊を伴うことなく、定量的に対り、工業的には脂肪酸メチルエステルが唯一規格化され応するバイオディーゼルが得られた（図5b,c）。ジアセチており、グリセリンなどの製造不純物を取り除き、化学

ルラウロイルグリセロールは、様々な脂肪酸エステルに処理や改質処理を施して、その名の通りディーゼルエン

由来する混合グリセリドである。ジアセチルラウロイル

ジンに使用されている。従来は一般的に、トリグリセリ

グリセロールの場合も、1wt%の本アンモニウム塩触媒

ドに多量のアルカリ金属塩を加え、メタノリシスして合存在下、 1 時間で対応する混合バイオディーゼルを定量成される。しかし、多量のアルカリ金属イオンの除去と的に得ることができた（図5d）。一般に、植物油のグリ精製にコストがかかるという問題があり、実用化は簡単

セリドの成分は均一ではなく、いくつかの脂肪酸が混合ではない。そこで本研究では、ひきつづき上記のアンモされている。たとえば、大豆油、菜種油、ひまわり油、

ニウム塩触媒を用い、天然植物油脂であるトリグリセリ

コーン油、パーム油、ヤシ油、綿実油などのグリセリド

ドを原料とする高効率バイオディーゼル製造法の開発へ

はオレイン酸、ステアリン酸、パルミトレイン酸、パルと展開した。

チミン酸、ミリスチン酸、ラウリン酸などから構成され検討の結果、0.23wt%の本アンモニウム塩触媒を用いる。こうした観点から、ジアセチルラウロイルグリセローて、グリセリドのひとつであるパーム油（ヤシ油）の主成ルのバイオディーゼルの合成の結果は、さらにブラッ分であるトリラウリンから99%以上の収率で100グラム

シュアップする必要があるものの、工業的な堅牢なバイの高純度バイオディーゼルを合成できた（図 4 ）。副生す

オディーゼル合成への第一歩と言える。

るグリセリンは分液抽出操作のみで容易に水層へと除去

本研究と並行して行っていた別のエステル合成プロ

でき、精製にかかるコストは低いことが特筆される。

ジェクトでは、嵩高いナトリウムフェノキシド触媒が有

さらに、他のグリセリドからのバイオディーゼル合成

効であった6。そこで、取扱が容易で着色もないナトリへ展開した（図 5 ）。その結果、トリアラキジンも問題な

ウムフェノキシド触媒を用いて、トリラウリンを用いる

く適用できた（図5a）。トリエライジンやトリリノレイン

バイオディーゼル合成で評価した（図 6 ）。その結果、― 37 ―

か廃棄物を出さないため、製造コストの低い最も理想的なバイオディーゼルの合成法の一つである。本研究では、
一般エステル類のエステル交換反応に有効なメタルフ+–
リーのアンモニウム塩触媒［Me4N］［OCO2Me］
を創製し、その堅牢性とパワフルな触媒効果をバイオディー
ゼル合成で実証した。今後、さらなる検討を重ね、世界
人類の恒久の益となるべく、真に実用的な環境調和型のバイオディーゼル合成につなげたい。
5 ．謝辞
本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りました公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上げます。本研究は名古屋大学大学院工学研究科石原研究室との共同研究で行われたものです。石原一彰教授ならびに本研究に関わる全ての皆さまに感謝申し上げます。
とりわけ献身的に研究に励んでくれた多畑勇志氏、Jie
Qi Ng氏のたゆまぬ努力に心より謝意を表します。
6 ．参考文献
図 5 ．高活性アンモニウム塩触媒を用いる各種バイオディー
ゼル合成

1．
（a）Otera, J.“Esterification”, 1st. Wiley-VCH,
Weinheim, 2003.（b）Otera, J.“Esterification”,
2nd. Wiley-VCH, Weinheim, 2010.
2．
（a）Otera, J. Chem. Rev. 1993, 93, 1449–1470.（b）Grasa, G. A.； Singh, R.； Nolan, S. P. Synthesis
2004, 2004, 971–985.（c）Hoydonckx, H. E.； De
Vos, D. E.； Chavan, S. A.； Jacobs, P. A. Top.
Catal. 2004, 27, 83–96. （d） Ishihara, K.
Tetrahedron 2009, 65, 1085–1109.
3 ．Hatano, M.； Tabata, Y.； Yoshida, Y.； Toh, K.；

図 6 ．新触媒による室温下でのバイオディーゼル合成

Yamashita, K.； Ogura, Y.； Ishihara, K. Green
Chem. 2018, 20, 1193–1198.

1.8wt%の触媒量が必要であるものの、室温下で反応が円滑に進行し、97%収率で対応するバイオディーゼルを

4 ．Naumann, E. C.； Göring, S.； Ogorek, I.； Weggen,

得ることができた。工業的なバイオディーゼル合成にはS.；Schmidt, B. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2013, 23,

1wt%以下の触媒量が最低条件だと言われており、今後

3852–3856.
5 ．（a）Ma, F.； Hanna, M. A. Bioresour. Technol.

のさらなる検討で改善を図りたい。

1999, 70, 1–15.（b）Fukuda, H.； Kondo, A.； Noda,
4 ．おわりに

H. J. Biosci. Bioeng. 2001, 92, 405–416.（c）エステルは人類の生活に必要不可欠で、できる限りク

Demirbas, A. Energy Convers. Manage. 2009, 50,

リーンに効率よく、大量かつ恒久的に合成するための技

14–34.（d）Singh, S. P.； Singh, D. Renewable

術開発が強く求められている。中でも、グリセリドの触Sustainable Energy Rev. 2010, 14, 200–216.（e）媒的エステル交換反応（メタノリシス）は、グリセリンしLeung, D. Y. C.； Wu, X.； Leung, M. K. H. Appl.

― 38 ―

Energy 2010, 87, 1083–1095.（f）Lourinho, G.；

6 ．Ng, J. Q.； Arima, H.； Mochizuki, T.； Toh, K.；

Brito, P. Rev. Environ. Sci. Biotechnol. 2015, 14,

Matsui, K.； Ratanasak, M.； Hasegawa, J.-Y.；

287–316.（g）Chuah, L. F.； Klemeš, J. J.； Yusup, S.；

Hatano, M.； Ishihara, K. ACS Catal. 2021, 11, 199

Bokhari, A.； Akbar, M. M. J. Cleaner Prod. 2017,−207.

146, 181–193.

― 39 ―

申請者

京都大学

村上

一馬

生薬由来化合物をリードにしたアミロイドβオリゴマー
特異的な核磁気共鳴イメージングプローブの開発
京都大学

大学院農学研究科

村上一馬

1 ．はじめに
アルツハイマー病（AD）の原因物質の一つであるア
ミロイドβ（Aβ42）は、凝集（オリゴマー化）することで神経細胞毒性を示す（図1A）。これより、Aβ42オ
リゴマーを標的とした創薬戦略は、ADの治療および予防に有効である。これまでにAβ42の凝集を阻害する天然物が、植物由来の生薬中や機能性食品から多数報告されているが、凝集阻害に必要な 3 つの構造要因として、①カテコール構造（マイケル付加を介した阻害）、②平面構造（π-π相互作用を介した阻害）、③カルボキシ基（イオン結合を介した阻害）が、所属研究室において明らかにされている1）。Aβ42の凝集過程は、凝集核が一定の時間をかけて生成する「核形成過程」と、凝集核が連鎖的に伸長する「線維（フィブリル）
伸長過程」の大きく 2
つに分けられる（図1B：凝集核存在下ではただちに線維伸長が始まる）。
所属研究室において、生薬の釣藤鈎（チョウトウコウ）から活性成分の一つとして同定されたウンカリン酸Cは、Aβ42の神経細胞毒性を抑制するとともに、オリゴマー形成と関わりが深い核形成過程を選択的に抑制する
こと、28位のカルボキシ基と27位のフェルラ酸部分が本活性に不可欠であることが明らかになった2,3）。さらに、「核形成過程」と「線維伸長過程」への影響に基づいて、天然物を 9 つのグループに分類する方法を提唱し、化合物の凝集阻害様式をただちに判定することが可能になった（図1C）1）。これらの知見に基づいて、AD創薬にはA

図1．
（A）Aβ42の凝集機構（B）天然物における凝集阻害の3 つの構造要因（C）凝集阻害剤の 9 種の分類法（点線は化合物添加群）核形成が遅延するc, f, iのパターンは抗AD薬として有望である。

β42のオリゴマー化を早期かつ正確に検出できる化合物
2 ．MRIプローブの母核構造の再検討の開発が不可欠と考え、本研究ではAβ42オリゴマー特異的な核磁気共鳴イメージング（MRI）プローブを開発することを目的とした。

H MRIは水由来のシグナルと重なるため、生体内の1

Aβ イメージングには不向きである。一方、19Fは1Hと近いファンデルワールス半径をもちながら、ポジトロン― 40 ―

断層法（PET）イメージングのように、測定時間が放射

素数が 3 より多い）および3（トリフルオロメトキシ）桂

性同位元素の半減期に影響を受けない。これまでのAβ皮酸（ 3 、フェルラ酸の部分構造を含む）を検討した（図イメージング研究では、MRIおよびPETいずれの手法

2）。 2 をDMAPを触媒として導入しようとしたが、フッを用いた場合も、発症後診断を主目的としており、その素部分の分解が認められたため、 3 を塩化チオニルおよ

多くはフィブリル結合薬であるCongo redをリードにしびトリエチルアミンを用いて縮合することによって19Fたものが多い4）。そこで、オリゴマー特異性を高めた幅

標識プローブ（5）を得た。

広い母核構造を検討するために、19F MRIに用いるプ
4 ．ベツリン酸の19F標識プローブを用いたMRI測定

ローブの母核構造を探索する必要があると考えた。
最近、申請者らは生薬ライブラリー（アルプス薬品工5 を共同研究者の遠山育夫教授（滋賀医科大学）に送付

業から供与を受けた400種）および天然物ライブラリー

し、溶解試験および画像化条件の検討を行っていただい（理研天然化合物バンクNPDepoから供与を受けた化合た。まず遠山らが開発したクルクミンを母核構造とした物480種）のスクリーニングを行い、天然物の 9 分類（図6）
プローブ（ 図3B：Shiga-Y5）
 を、MRIプローブ用の溶1C）
に基づいて、オリゴマー化阻害活性をもつ 3 つのグ剤である10% Cremophor ELの生理食塩水溶液に溶かループ（c,f,i）を得た5）。またウンカリン酸Cと同じくトリ

し、1Hおよび19F MRIを観測した。その結果、画像およテルペン骨格やアントラキノン骨格などの母核構造にびシングルパルスにおいて強力なシグナルを検出した

よって,標的とする凝集過程（核形成過程および線維伸（図3A, B）。次に、Shiga-Y5を5.5ヶ月齢の野生型マウス

長過程）が異なることを明らかにした。これらの化合物に静脈注射し（32 mg/kg）、1H MRI測定（ 図4A）
 と摘の中から、オリゴマー化を抑制かつフィブリル化を促進

出脳の19FMRIの経時的（50~800分）画像解析において、し（グループc）、カルボキシ基を有するベツリン酸（図シグナルを確認した（図4B）。
続いて、 5 の溶解試験を行った結果、MRIプローブ用

2 ：1,ナツメ果実に含まれ、大棗という生薬の成分として知られる）
に着目し、19F標識することにした。

の溶剤である10%CremophorELの生理食塩水溶液への溶解性が悪かった（80% Cremophor EL溶液には溶解し3 ．ベツリン酸の19F標識プローブの合成

たが、生理食塩水を加えると白濁した）。図5Aのように

1 におけるフッ素導入位置は、ウンカリン酸Cの構造

画像検出はできたが、19F MRIのシングルパルスでは微活性相関研究3）に基づいて、オリゴマー化阻害活性に関与が小さい 3 位水酸基を選んだ。
フッ素標識化合物には、
2,2,3,3,4,4-ヘキサフルオロペンタン二酸無水物（ 2 、フッ

図 2 ． 1 の19F標識プローブの合成

図 3 ．Shiga-Y5の（A）
 1Hと19F MRIの画像化ならびに（B）
19
F MRIスペクトル  画像輝度のコントラストを最大にした。

― 41 ―

媒に対する溶解性が低かったことから、オリゴマー形成阻害に影響を与えない範囲内で、カルボン酸をナトリウム塩にするなど、水溶性を改善する必要がある。最近、
オ
リゴマー形成阻害能をもつことが明らかになったカルコン骨格を有する 2 ’,3’-dihydroxy-4’,6’-dimethoxychalcone（DDC）は、生理食塩水に対する溶解性は高かった（投稿準備中）。さらに、図1Cのスクリーニングでは4-pyrone（フラボノイド）や2-pyrone等のマイケル受容構造をもつ化合物がオリゴマー形成阻害能をもつことが見いだされている5,7）。今後、これらを母核とした19F標識化合物の開発が期待される。
6 ．謝辞本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りました公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上
図4．
（A）Shiga-Y5を投与したマウスの1H MRI画像（B）摘
出脳（線で囲った部分）の19F MRI画像  50分後には観測できたが、その後、減衰し、800分後には特異的な信号は得られなくなった。

げます。本研究は、京都大学大学院農学研究科で行われたものであり、共同研究者の入江一浩教授、滋賀医科大学の遠山育夫教授、柳沢大治郎准教授に心より御礼申し上げます。
7 ．参考文献
1 ）Murakami, K. ： Irie, K. Three structural featuresof functional food components and herbal medicine
with amyloid

β42 anti-aggregation properties.

Molecules 2019, 24, 2125.
2 ）Yoshioka, T.：Murakami, K.：Ido, K.：Hanaki, M.
： Yamaguchi, K. ： Midorikawa, S. ： Taniwaki, S. ：Gunji, H. ： Irie, K. Semisynthesis and structureactivity studies of uncarinic acid C isolated from
Uncaria rhynchophylla as a specific inhibitor of
the nucleation phase in amyloid β42 aggregation.
J. Nat. Prod. 2016, 79, 2521-2529.
図 5 ． 5 の（A）1Hと19F MRIの画像化ならびに（B）19F MRI
スペクトル画像輝度のコントラストを最大にした。

3 ）Murakami, K.：Yoshioka, T.：Horii, S.：Hanaki, M.
： Midorikawa, S. ： Taniwaki, S. ： Gunji, H. ：Akagi, K.-I. ： Kawase, T. ： Hirose, K. ： Irie, K.
Role of the carboxy groups of triterpenoids in

弱な信号しか観測されなかった（図5B）。

their inhibition of the nucleation of amyloid β42
5 ．まとめrequired for forming toxic oligomers. Chem.
Commun. 2018, 54, 6272-6275.

本研究では、Aβ42オリゴマー特異的なMRIプローブの開発を目的として、 1 を母核化合物としたフッ素標識4 ）Su, D. ： Diao, W. ： Li, J. ： Pan, L. ： Zhang, X. ：を行った。しかしながら、 F化した 5 はMRI測定用溶Wu, X. ： Mao, W. Strategic design of amyloid-β19― 42 ―

species fluorescent probes for Alzheimer’s disease.

C. ： Okada, T. ： Sano, M. ： Wada, Y. ： Wada, K. ：ACS Chem. Neurosci. 2022, 13, 540-551.

Yamamoto, A. ： Tooyama, I. Relationship between5 ）Murakami, K. ： Horii, S. ： Hanaki, M. ： Irie, K.

the tautomeric structures of curcumin derivatives

Searching for natural products that delay

and their Aβ-binding activities in the context of

nucleation phase and promote elongation phase oftherapies for Alzheimer’s disease. Biomaterials

amyloid

2010, 31, 4179-4185.

β42 toward Alzheimer’s disease

therapeutics. ACS Chem. Neurosci. 2021, 12, 3467-

7 ）Hanaki, M. ： Murakami, K. ： Gunji, H. ： Irie, K.
Activity-differential search for amyloid-β

3476.
6 ）Yanagisawa, D. ： Shirai, N. ： Amatsubo, T. ：aggregation inhibitors using LC-MS combined

Taguchi, H. ： Hirao, K. ： Urushitani, M. ：with principal component analysis. Bioorg. Med.

Morikawa, S.：Inubushi, T.：Kato, M.：Kato, F.：

Chem. Lett. 2022, 128613.

Morino, K. ： Kimura, H. ： Nakano, I. ： Yoshida,― 43 ―

申請者

日本大学

小菅

康弘

沖縄産植物由来エキスを活用した新規神経炎症治療薬の創製
日本大学

小菅

1 ．研究背景

薬学部

康弘

低下や運動ニューロンの変性を抑制することを報告して筋萎縮性側索硬化症（ALS）は、上位および下位運動いる（5）。また、MBPには、G93Aマウスで生じるアス

ニューロンが徐々に障害されることによって生じる進行

トロサイトやミクログリアの増加を顕著に抑制すること性の神経変性疾患である。運動機能障害や嚥下障害など

を 見 出 し て い る（5）。 そ こ で、 本 研 究 で は、MBPのが生じ、最後には呼吸不全が導かれる壊滅的で致死的なALS治療メカニズムの解明を目的として、MBPがグリ疾 患 で あ る。ALSは、 家 族 性ALS患 者 で 認 め ら れ る

ア増加やサイトカインの発現に及ぼす影響について検討

copper/zinc superoxide dismutase（Cu/Zn SOD,した。

SOD1）をコードする遺伝子の突然変異が原因であることが報告され、SOD1の93 番目のコドンがグリシンから2 ．方法

アラニンへ変異したG93A SOD 1（SOD1G93A）トランス

2 ．1 ．実験動物

ジェニックマウス（G93Aマウス）が、ALSモデルマウス

B6SJLマ ウ ス（WTマ ウ ス ）お よ び、B6SJL-TgN

として病態メカニズムの検討や治療薬の開発研究に広く（SODG93A）1Gurマ ウ ス（G93Aマ ウ ス ）はJackson

用いられている（1）。これまでに、G93Aマウスを用い

Laboratoryより購入し、日本大学薬学部動物実験センた研究によりALSには、酸化的ストレスの亢進、ミトコ

ターで飼育、繁殖を行ったものを用いた。また、本研究

ンドリア機能障害、小胞体ストレスの亢進興奮毒性、タは、動物実験委員会の承認（AP13P001-2）および遺伝子

ンパク質凝集、そしてグリアの活性化を介した神経炎症

組換え実験安全委員会の承認（2004薬003-3）を受け、日などが関与することが報告されている（2）。これらの原

本大学動物実験運営内規に基づいて行った。なお、遺伝因仮説をもとにリルゾールやエダラボンが開発され、子型の判別は、全血または尾部より抽出したゲノム

ALS治療薬として認可されているものの、顕著な改善効

DNAを使用し、polymerase chain reaction（PCR）法に果は望めないのが現状である。そのため、ALSに対するより行った。
神経障害性モデルマウスには、麻酔下の 6 週齢ICRマ

効果的な治療法の確立は今日でも重要な課題のひとつでウスの坐骨神経をネスコスチャーで結紮して作製した坐ある。
伝統的な薬として知られている生薬は、相補的で代替

骨神経部分損傷（PSL）マウスを用いた。なお、本研究は、の薬として一般に用いられるだけでなく、医療用医薬品

動物実験委員会の承認（AP20PHA004-1）を受け、日本としても使用されている。近年、生薬の安全性及び有効

大学動物実験運営内規に基づいて行った。

性が、パーキンソン病（3）やアルツハイマー病（4）など
2 ．2 ．培養細胞の疾患でも次々に評価され、神経変性疾患の治療に対しても有益であることが明らかにされている。
これまでに、

BV2細 胞 は、Prof. Eui-Ju Choi（Department of Life

申請者の研究室においても、沖縄県宮古島で栽培されたScience, Korea University,）より供与された。実験には、キク科の植物Bidens pilosa L .var .radiata Scherffを加1.2×104個/cm2の 密 度 で 播 種 し、10% Fetal Bovine

工した宮古ビデンス・ピローサエキス末（MBP）の経口

Serumを含むDulbecco’s Modified Eagle Medium

投与が、G93Aマウスの生存期間を延長し、運動機能の（DMEM）で24時間培養したものを使用した。

― 44 ―

2 ．6 ．統計解析

2 ．3 ．細胞増殖能及び生存率の評価法
細胞増殖は、MTT法およびBrd-U法により評価したデータは、平均値±SEで示した。検定には、Two-（6）。試薬処置終了後、MTTを含む培地で 3 時間インキュ

way ANOVA後、Bonferroni’s multiple comparisons

ベート後、MTT溶解液（50% N, N-dimethylformamide、

testまたはTukey’s testを用いた。

20% sodium dodecyl sulfate（SDS）、pH 4.7）を加 え 生成したホルマザン色素を可溶化させた後、マイクロプ

3 ．結果・考察

レートリーダー（SH-1000Lab, Corona Electric）により

3 ．1 ．MBPがALSモデルマウスのサイトカインの産生に及ぼす影響吸光度（測定波長570 nm、参照波長655 nm）を測定した。
同様に、Brd-Uを含む培地で24時間インキュベート後、はじめに、G93Aマウスの腰髄におけるサイトカイン

特異的抗体を用いて比色検出後、マイクロプレートリー

mRNAの 発 現 変 化 にMBPが 及 ぼ す 影 響 を 検 討 し た。

ダー（Corona Electric）
により吸光度（測定波長450 nm、

ALS発症直後の15週齢よりMBPを2 mg/g/dayで 1 週間

参照波長690 nm）を測定した。

経口投与したマウスの腰髄を回収し、各種のmRNAの®

発現解析を行った。炎症促進性サイトカインである

Viability/Cytotoxicity Kit（Molecular Probes）
を使用し

TNF-αおよびIL-1bの発現レベルは、水投与のG93Aマ

た（6）。試薬処置終了30分前に染色後、共焦点レーザー

ウスでは、水投与のWTマウスより有意に増加したが、顕微鏡（LSM710, ZEISS）を用いて撮影した。細胞傷害

MBP投与は、G93Aにおけるこれらの産生増大を有意に率は、calcein陽性細胞とEthD-1陽性細胞の和に対する抑制した（Fig. 1）。同様に、炎症抑制性のサイトカイン

EthD-1陽性細胞の割合で示した。

であるTGF-βおよびIL-10の発現変化についても検討し

ま た 、 細 胞 障 害 性 の 評 価 に は、LIVE/DEAD

た。水投与のG93AマウスにおけるTGF-βおよびIL-10
2 ．4 ．mRNAの発現解析の発現は、水投与のWTマウスと比較して、有意に増加

WTおよびG93Aマウスより摘出した腰髄またはLPS

したが、MBP投与は、G93Aにおけるこれらの増加に対を添加したBV-2細胞をサンプルとし、High Pure RNA

して影響を及ぼさなかった（Fig. 1）。以上の結果より、Isolation Kit（Roche）を用いて抽出したtotal RNA（0.5MBPには炎症促進性サイトカインを選択的に抑制するµg）を 鋳 型 と し、Transcriptor First Strand cDNA作用があることが明らかとなった。

Synthesis kit（Roche）によりcDNA を合成した。その後の、Real time PCR法

はTHUNDERBIRD SYBRqPCR Mix（TOYOBO）を用いて行った。全てのデータ
は、 ハ ウ ス キ ー ピ ン グ 遺 伝 子 と し てGAPDHを 用 いて、∆∆CT法により解析した。
2 ．5 ．疼痛試験
Von Frey 試験により疼痛閾値を測定した。具体的には、Von Frey式感覚測定キットのフィラメント（0.008、
0.02、0.04、0.07、0.16、0.4、0.6、1.0 g）を用いて、後肢を持ち上げたり舐めたりする逃避反応を観察した。逃避反応が認められた最小のフィラメントのg数の 3 回の結果の平均を後肢逃避反応閾値とした。各刺激の間隔は10秒とした。

Fig. 1

MBP投与がALSモデルマウスのサイトカイン産生に及ぼす影響
MBPまたは精製水を 1 週間投与したマウスの腰髄における炎症促進性サイトカイン（TNF-α, IL-1 β）および抗炎症抑制性サイトカイン（TGF-β, IL-10）mRNAの発現レベルを定量化した。データは、平均値±SEで示した（n=5-6）。検定はOne-way ANOVA後, Tukey’s multiple comparisons testを用いた。*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001。

― 45 ―

3 ．2 ．MBPがALSモデルマウスのミクログリアの活性化状態（M1/M2極性）に及ぼす影響かとなった。またこのM1型ミクログリアの抑制が炎症促進性サイトカインを選択的な抑制に関与することが示

中枢神経系における免疫担当細胞であるミクログリア

唆された。

の活性型には、マクロファージと同様、神経傷害性の3 ．3 ．BV2細胞にMBPが及ぼす影響

M1型および神経保護性のM2型の存在が明らかにされつつあり、ALSおいてもこれらの活性型の転換（M2型か次に、ミクログリアのモデル細胞であるBV2細胞を用らM1型への増加）が疾患の進行を加速することが示唆さいてMBPの及ぼす影響を検証した。MTTの還元能およれている（7）。そこで、G93Aマウスの腰髄におけるミ

びBrd-Uの取り込みを指標にBV2細胞の増殖活性を測定

クログリアマーカーのmRNA変化をリアルタイムPCRしたところ、MBPは濃度依存的にBV2細胞の増殖を抑法により検討した。水投与のG93Aマウスにおける M1制した。MTT値の減少は、細胞増殖能の低下による細型ミクログリアマーカー（CD11cおよびIFN- 1 gR）の発胞数の減少だけでなく、細胞死による生細胞数の減少も現レベルは、水投与のWTマウスより有意に増加した反映する可能性がある。そこで、MBP曝露による細胞（Fig. 2）
。また、MBP投与は、G93Aマウスで認められ死の誘発の有無をLIVE/DEAD染色法により検討した。

たCD11cびIFN- 1 gRのmRNA発現レベルの増加を有意

その結果、MBP曝露群における死細胞を示すEthD-1陽に抑制した（Fig. 2）。

性細胞の割合は、最大で4.8 %であったVehicle投与群とまた、水投与のG93AマウスにおけるM2型ミクログリ

同程度であった（Data not shown）。以上より、MBPはアマーカー（IL-13R, Ym1）の発現レベルは、水投与のBV2の細胞増殖抑制作用を有することが示唆された。
次に、Lipopolysaccharide（LPS）がBV2において誘発

WTマウスと比較して有意に増加したが、ここでもMBPするサイトカインの発現亢進に対してMBPが及ぼす影投与による影響は認められなかった（Fig. 2）。
以上の結果より、MBPは細胞障害性のM1型ミクログ

響を検討した。BV2細胞に 1 μg/mL LPSを 4 時間曝露

リアの増加を選択的に抑制する作用を有することが明らしたところ、炎症促進性サイトカインであるTNF-αおよびIL-1bの発現レベルは、Vehicle曝露群の細胞と比較して、100倍または1700倍程度増加した（Fig. 3）。MBP
は、このLPSが誘発するこれらのサイトカインの産生増大を有意に抑制した（Fig. 3）。一方で、MBP単独処置
群でも、非常にわずかではあるものの、TNF-αおよびFig. 2

MBP投与がALSモデルマウスのミクログリアの活性化に及ぼす影響
MBPまたは精製水を 1 週間投与したマウスの腰髄におけるM1型ミクログリアマーカー（CD11c, IFN- 1 gR）およびM2型ミクログリアマーカー（IL-13R, Ym1）mRNAの発現レベ
ルを定量化した。データは、平均値±SEで示した（n=5-6）。
検 定 はOne-way ANOVA後, Tukey’s multiple comparisons
testを用いた。**p<0.01, ***p<0.001。

Fig. 3BV2細胞においてMBPがLPS誘発炎症性サイトカインの産生増大に及ぼす影響
表記濃度のMBPをLPS（ 1 μg/mL）を 4 時間曝露したBV2細胞の炎症促進性サイトカイン（TNF-α, IL-1 β）
  mRNAの発現レベルを定量化した。平均値±SEで示した（n= 6 ）。
検 定 はOne-way ANOVA後, Tukey’s multiple comparisons
testを用いた。****p < 0.001.

― 46 ―

IL-1bの発現が増加した（Fig. 3）。以上のように、MBP

おいても疼痛閾値に差は認められなかった（Data not

はBV2の作用増殖を抑制するとともに、炎症促進性サイ

shown）。以上のように、MBPは神経障害性疼痛の疼痛

トカインの産生も減少効果があることが明らかになった。

維持期において、一部ではあるもののアロディニア改善作用または悪化抑制作用を有することが明らかとなっ3 ．4 ．PSLマウスに対するMBPの鎮痛作用た。また、MBPは、反対側肢での正常な痛覚閾値に対最後に、脊髄においてミクログリアの活性化やサイト
カインの産生増大が生じることが報告されている（8）

しては影響をあたえないため、急性侵害性刺激などによる生理的な疼痛は阻害しないことが示唆された。

神経障害性疼痛モデルマウスを用いてMBPが及ぼす影4 ．結論

響を検討した。結紮側後肢（右肢）では、PSL-Water群はSham-Water群と比較して疼痛閾値が時間依存的に低沖縄県宮古島で栽培されたキク科の植物Bidens pilosa

下、その低下は 7 日目以降も維持された（Fig.4）。このL .var .radiata Scherffを加工した宮古ビデンス・ピロー

ように、PSL-Water群では、通常では痛みを感じない触

サエキス末（MBP）は、ALSモデルマウスにおいて生じ刺激においてアロディニア反応を示した。一方、MBP

る細胞障害性のM1型ミクログリアの活性化の抑制を介を投与したPSL-MBP群では、PSL-Water群と比較して、した炎症性サイトカインの産生抑制によりALS治療効疼痛閾値の低下が、神経結紮 7 日後より抑制され（Fig.

果を発揮することが明らかになった。さらに、MBPは4）、PSL-MBP群ではPSL-Water群と比較してアロディ

ALSモデルマウスだけでなく、神経障害性疼痛モデルマ

ニア反応が改善した。

ウスにおいても治療効果を有することが明らかになっこれに対して、非結紮側後肢（ 左肢）
 では、Sham-た。本研究では、活性本体の同定には至らなかったが、Water群、PSL-Water群、PSL-MBP群 の い ず れ の 群 に

今後はBV2細胞などを利用したスクリーニング系により、化合物レベルでの検証が必要であろう。以上のように、ミクログリアの活性化を制御する天然化合物に対する薬理学的アプローチは、ALSや神経障害性疼痛のようなアンメット・メディカル・ニーズのある疾患に対する医薬品開発にも有用であると考えられる。
5 ．謝辞
本研究を遂行するにあたり、ご支援を賜りました公益
財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上げます。また、本研究は日本大学薬学部薬理学研究室で行われたものであり、宮岸寛子専任講師（薬理学研究室）、
矢作忠弘助教（生薬学研究室）をはじめとする共同研究者の皆様に深謝いたします。とりわけ、日夜研究に励んでくれた設楽尊人氏、高橋愛氏、および鶴田こむぎ氏の努力に心よりの謝意を表します。

Fig.4

 BPがLPS誘発炎症性サイトカインの増大に及ぼす
M
影響PSLマウスの疼痛閾値に及ぼす影響
坐骨神経半結紮直後よりMBPまたは精製水を投与した時の右後肢の逃避反応閾値の経時変化を表した。データは、平均値 ±SEで 示 し た（n=10-11）。 検 定 はTwo-way ANOVA後,
Tukey’s multiple comparisons testを 用 い た。*p<0.05,
**p<0.01, ***p<0.001 vs Sham-Water, #p<0.05, ##p<0.01,
###p<0.001vsPSL-Water。

― 47 ―

6 ．参考文献
1 ．G urney ME, Pu H, Chiu AY, Dal Canto MC,PolchowCY,AlexanderDD,CaliendoJ,HentatiA,
Kwon YW, Deng HX, Chen W, Zhai P, Sufit RL,Siddique T. Motor neuron degeneration in mice
thatexpressahumanCu,Znsuperoxidedismutasemutation. Science 264 1772-1775（1994）

Improves Motor Performance, and Prolongs

2 ．Geevasinga N, Menon P, Ozdinler PH, Kiernan

Survival in a Mouse Model of Amyotrophic Lateral

MC, Vucic S. Pathophysiological and diagnostic

Sclerosis. Oxid Med Cell Longev. 2020 1020673

implications of cortical dysfunction in ALS. Nat（2020）

Rev Neurol 12 651–661（2016）

6 ．Kosuge Y, Nango H, Kasai H, Yanagi T, Mawatari T,

3 ．Shi J, Tian J, Li T, Qin B, Fan D, Ni J, Wei M,

Nishiyama K, Miyagishi H, Ishige K, Ito Y.

Zhang X, Liu N, Liu J, Li Y, Liu W, Wang Y.

Generation of Cellular Reactive Oxygen Species

Efficacy and safety of SQJZ herbal mixtures onby Activation of the EP2 Receptor Contributes tononm ot or s y mp t oms in P ark in son d is e a s e

Prostaglandin E2-Induced Cytotoxicity in Motorpatients： Protocol for a randomized, double-blind,

Neuron-Like NSC-34 Cells. Oxid Med Cell Longev.

placebo-controlled trial. Medicine（Baltimore）96

2020 6101838（2020）
7 ．Guo S, Wang H, Yin Y. Microglia Polarization frome8824（2017）
4 ．Lin SK, Yan SH, Lai JN, Tsai TH. Patterns ofChinese medicine use in prescriptions for treating
Alzheimer’s disease in Taiwan. Chin Med. 11 12

M1 to M2 in Neurodegenerative Diseases. Front
Aging Neurosci. 14 815347（2022）
8 ．Austin PJ, Moalem-Taylor G. The neuro-immune
balance in neuropathic pain： involvement of（2016）
5 ．Kosuge Y, Kaneko E, Nango H, Miyagishi H, Ishige

inflammatory immune cells, immune-like glial cells

K, Ito Y. Bidens pilosa Extract Administered afterand cytokines. J Neuroimmunol. 229 26-50（2010）.

Symptom Onset Attenuates Glial Activation,― 48 ―

申請者

北海道大学

村井

勇太

皮膚ケアへの多機能を指向した植物由来長鎖塩基含有
新規アシルセラミド（植物性ハイブリッド脂質）の創製
北海道大学

1 ．はじめに大学院先端生命科学研究院

村井勇太

長鎖塩基構造が異なる植物型のセラミド（図 1 ）が水分のヒトを含めた陸上生物の体表面を形成する皮膚はバリ蒸発を防ぐ効果や痒みを抑える効果を示し［1-4］、保湿

アにより保護されている。そのため、バリア異常は皮膚柔軟性を維持する食品素材としても注目を浴びている。

病、乾燥肌、感染症の発症の原因となる。皮膚バリアのそこで本研究の提案内容は『日常で安全に使用できる皮本体は脂質であり、その中でもスフィンゴ脂質群は皮膚

膚バリア補強剤』を指向し、ヒトの生体内に本来存在す

バリア機能において重要な役割を担っている。特にアシるアシルセラミド骨格を基盤とし、長鎖塩基は植物由来

ルセラミドは皮膚特有に存在し、皮膚バリアの最も重要であるスフィンガジエニンを導入した、植物性ハイブ

な基盤構造である角質細胞脂質エンベロープ（CLE層）

リッド脂質を開発することとした。

の原料でもある。従って、アシルセラミドの合成不全・
2 ．不飽和超長鎖脂肪酸の合成プロセス開発

低下はアトピー性皮膚炎や魚鱗癬などを引き起こすことが知られている。そして皮膚トラブルによる障害（かぶアシルセラミドの骨格は大きく1.長鎖塩基、2.w-ヒド

れ、掻き毟り、ストレスによる不眠、不快な体臭等）はロキシ超長鎖脂肪酸、3.リノール酸の三つのグループに

日常生活に支障をきたす問題でもある。また昨今、女性分類することができる（図 2 ）。

に限らず男性のスキンケアに対する関心も増加傾向にあ

特にw-ヒドロキシ超長鎖脂肪酸の溶解性や反応性のり、さらに幼少期の皮膚トラブルへのケアが将来の皮膚乏しさからその大量合成がボトルネックとなり、実際ほ疾患予防にも大きく影響を与えることも報告されている。現状、アトピー性皮膚炎などの皮膚疾患の治療はス
テロイド外用薬による対症療法が一般的である。しかし
ステロイド外用薬は副作用の懸念から乳児への使用を躊
躇うことや患者自身で使用を中止してしまうことが多い。このことから誰にでも使用可能な『皮膚バリア補強剤』の開発は、老若男女問わず、全員のQOL向上に十分貢献可能な対象課題である。皮膚バリア形成分子機構に

図 1 ．哺乳類と植物では異なる長鎖塩基を持つ

ついては大部分が明らかになってきているが、創薬への展開にはまだまだ時間を必要とする。そこで、医薬品の代替となる『日常で安全に使用できるような形態としての皮膚バリア補強剤』を提案する事により、速やかな社会への還元が可能と期待できる。いっぽうで、食品中に含まれるスフィンゴ脂質（セラミド）
はユニークな機能性を保持しており、ヘルスケア機能性素材の製品開発が盛んに行われている。特に、皮膚に対しては、哺乳型とは― 49 ―

図 2 ．皮膚バリア機能とアシルセラミドの構造

しい長さ、不飽和数の分子種を入手することが困難でさらに化合物（8）をメタノール中、トシル酸（TsOH）

あった。そこでWittig反応を基軸とした炭素鎖延長反応

触媒でTBS基を除去し（9）、Pd/C触媒による水添反応

により、皮膚バリアでも最も多く存在するw-9位にシスによって化合物（10）を得た後、IBX酸化によってアル型不飽和を持つ炭素鎖34のw-ヒドロキシ不飽和超長鎖デヒド（11）を調製した。続いて、化合物（11）を化合物

脂肪酸（C34： 1 ）
［5-6］を安価な原料かつ短ステップで（4）と再度、同条件にてWittig反応を実施したところ 、

グラムスケール程度の収量可能な合成プロセスを開発す

問題なく反応が進行し、高収率で化合物（11）を得た。

ることとした。原料は10 g、数千円程度の1,9-ノナンジ

その後、メチルエステルは加水分解によってカルボキシオール（1）を原料とし、モノ臭素化（2）、tert-ブチルジ

ル基へと変換し、炭素鎖34のw-9位にシス型二重結合をメチルシリル（TBS）保護の後、ホスホニウム塩（4）を持つ超長鎖脂肪酸（12）の構築に初めて成功した（図 5 ）。

効率的に調製した。いっぽうでWittig反応の相手型とな

現在、国内企業から飽和型の炭素鎖30のヒドロキシ超長

るアルデヒド（7）は16-ヘキサデカノライド（5）よりメタ鎖脂肪酸 が100 mg、90,000円程度で市販されている。

ノリシス（6）の後、2-ヨードキシ安息香酸（IBX）による本法はグラムスケールでの合成に成功しており、非常にアルコールの酸化を行い調製した（図 3 ）。

有用な合成プロセスと評価できる。今後は、産業レベル

化合物（4）と（7）によるWittig反応においては化合物

での合成展開も期待される。

（4）に対して一般的に用いられるテトラヒドロフラン
3 ．4E,8Z（E）-スフィンガジエニンの合成（THF）溶媒への溶解難から反応収率が著しく乏しかった。そこでWittig反応における溶媒や塩基を検討するこ

スフィンガジエニンは長鎖塩基の 8 位にシスまたはトととした。溶媒にCH2Cl2を用いることで、0.5-1 Mの反ランスの二重結合（幾何異性体）が存在する。分子の立体応系でも十分に基質を溶解させることが可能になり、ナ構造は生体分子への生理活性に大きく影響することは周トリウムビス（トリメチルシリル）アミド（NaHMDS）を知の事実である。従ってスフィンガジエニンの幾何異性

塩基として用いることで効率良く反応を進行させること

体の作り分けが重要である。今回は同一の原料を用いてに成功した（図 4 ）。

合成段階の途中で、シス型、トランス型の作り分けが可能な反応スキームを検討した。原料には安価な10 g、15,000円程度の4-ペンチン1-オール（14）を使用し、水酸基をテトラヒドロピラニル基（THP）で保護し（15）、続
いてブロモノナンとカップリングすることで化合物（16）を調製した。化合物（16）のTHP基は酸触媒によっ

図 3 ．Wittig反応の用いるホスホニウム塩とアルデヒドの合成て脱保護し、シスまたはトランス型二重結合を構築する
ためのアルキン化合物（17）を調製した。アルキンに対してパラジウム-ポリエチレンイミン（Pd/PEI）触媒を用いた水添反応ではシス型二重結合（18）を、一方で、Na金属とクラウンエーテルを組み合わせたバーチ還元［7］ではトランス型二重結合（19）を選択的に同一原料から高収率で調製することに成功した。続いて、化合物（18）

図 4 ．長鎖脂肪酸を基質とするWittig反応の条件検討

図 5 ．炭素鎖34のw-9位にシス型二重結合を持つ超長鎖脂肪酸のグラムスケールでの合成法― 50 ―

図 7 ．重水素導入した植物型スフィンガジエニンによる迅速
スフィンゴ脂質リピドミクスの確立
図 6 ．幾何異性体を試行したスフィンガジエニンのグラムス
ケール合成法型のスフィンガジエニンに代わって重水素導入型スフィ
ンガジエニンを構築することで、バリア改善機構解明の手助けになるものと期待している。

あるいは（19）の水酸基をIBXで酸化することでアルデ
4 ．植物性ハイブリッド脂質の合成

ヒド（20）へと変換後、b-ケトホスホネート（21）とホーナーエモンズ反応によってケトスフィンガジエニン誘導

植物性ハイブリッド脂質の骨格となる1.スフィンガジ体（22）を構築した。さらに化合物（22）のケトンは（D）-

エニン、2.不飽和超長鎖脂肪酸、3.リノール酸（市販）をエリトロ型になるよう、水素化ホウ素亜鉛を用いたキ調製できたことから、これらのカップリングを行って、レーションモデルによって水酸基（23）へと還元した。

目的とする植物性ハイブリッド脂質（アシルセラミド

最後に 1M塩酸によってアセトニドを脱保護すること群）の構築を行なった。超長鎖脂肪酸（12）については、で、 目 的 と す る シ ス 型（4E,8Z）あ る い は ト ラ ン ス 型

カルボキシル基をN-ヒドロキシスクシンイミド、1（3-ジ（4E,8E）-スフィンガジエニン（24）をグラムスケールでメチルアミノプロピル）-3-エチルカルボジイミド塩酸塩の調製に成功し、効率的な合成プロセスを開発すること（EDC）と反応させ活性エステル（25）に変換の後、酸触ができた（図 6 ）。現在、市販のスフィンガジエニンの価媒によってTBS基を脱保護（26）した。この際、溶媒に格は1 mg, 40,000-50,000円程度であることから、本全合

メタノールを用いたが、スクシンイミドエステルの分解成プロセスも大変価値のある開発成果と評価できる。

は確認されなかった。これは超長鎖脂肪酸の脂溶性の高

また、この成果を基盤とした合成技術を活かし、重水

さから、系中でミセルのような構造をとり、スクシンイ

素導入型スフィンガジエニンを初めて構築した。これはミドエステルがメタノールと相互作用しなかったのでは

外因性スフィンガジエニンの生体内代謝をリピドミクス

ないかと推測している。いっぽう、スフィンガジエニン

解析によって追跡可能なプローブである。ヒト生体内にについては今回シス型を用いて実験を行なった。シス型

はスフィンガジエニンと同分子量の長鎖塩基（4E,14Z-ス

スフィンガジエニンの二つの水酸基をtert-ブチルジメチ

フィンガジエニン）があり、簡便なリピドミクス解析がルシリルトリフルオロメタンスルホネート（TBSOTf）

困難であったが、重水素による分子量の差を活かし、迅を用いて、TBS保護した化合物（27）を調製した（図 8 ）。

速にリピドミクス解析が可能になった。この重水素導入

調製した化合物（26）と（27）は塩基条件下で、一晩反型スフィンガジエニンはヒト細胞内（HEK293）で脂質応させることでw-ヒドロキシ超長鎖脂肪酸含有セラミ代謝酵素によって天然と同程度の代謝効率をもつこともド（28）を高収率で構築した。さらに化合物（28）の超長証明することができた（図 7 ［）8］。 現在、スフィンガ

鎖脂肪酸のw位水酸基とリノール酸を縮合する反応につジエニンよる皮膚バリア改善機構はほとんど未解明であいては既知方法［ 9 ］に従って、2,4,6-トリクロロベン

り、本研究で開発する植物性ハイブリッド脂質にも天然

ゾイルクロライド（山口試薬）を用いることで、アシルセ― 51 ―

ることもできた。そして目標とした植物性ハイブリッド
脂質についてもグラムスケールに近いレベルで調製することにも成功した。現在は、魚鱗癬モデルマウスにこの植物性ハイブリッド脂質を塗布し、皮膚バリア改善への影響を検討しており、改善効果について期待を抱いている。また人工皮膚などの機能性材料への研究展開などにも大きく期待が寄せられている。
6 ．謝辞
図 8 ．植物性ハイブリッド脂質合成に向けた骨格形成

本 研 究 は、 北 海 道 大 学
院

大学院先端生命科学研究

化学生物学研究室にて行ったものであり、研究室のスタッフ、学生の皆様に感謝申し上げます。また公益財
団法人松籟科学技術振興財団に多大なご支援を賜り、論文発表並びに学会発表できましたことに深く感謝申し上げます。
7 ．参考論文
1 ．Tsuji, K., Mitsutake, S., Ishikawa, J., Takagi, Y.,
図 9 ．新規植物性ハイブリッド脂質の合成

Akiyama, M., Shimizu, H., Tomiyama, T., andIgarashi, Y. Dietary glucosylceramide improves

ラミド誘導体（29）の調製を問題なく行うことができた。

skin barrier function in hairless mice. J. Dermatol.

最後にTBS基はテトラブチルアンモニウムフルオリド

Sci. 44, 101–107, 2006.

（TBAF）を用いて脱保護することで目的としていた最終2 ．Uchiyama, T., Nakano, Y., Ueda, O., Mori, H.,

目標とした植物性ハイブリッド脂質（30）を構築させる

Nakashima, M., Noda, A., Ishizaki, C., andことに成功した（図 9 ）。

Mizoguchi, M. Oral intake of glucosylceramide

現在、飽和型の炭素鎖長30のw-ヒドロキシ超長鎖脂

improves relatively higher level of transepidermal肪酸（C30）を含有したヒト型のアシルセラミドは外国

water loss in mice and healthy human subjects. J.

企業から 1mg、約120,000円で販売されている。従って、Health Sci. 54, 559–566, 2008.

本手法で合成された新規植物性ハイブリッド脂質（30）3 ．Ishikawa, J., Takada, S., Hashizume, K., Takagi, Y.,

はそれ以上の価値を有すると期待される。またそのグラ

Hotta, M., Masukawa, Y., Kitahara, T., Mizutani, Y.,

ムスケールでの提供は、将来的な産業創出への期待も示

and Igarashi, Y. Dietary glucosylceramide is唆される。

absorbed into the lymph and increases levels of
epidermal sphingolipids. J. Dermatol. Sci. 56, 220–

5 ．まとめ222, 2009.

本研究では医薬品の代替となる『日常で安全に使用で4 ．Usuki, S., Tamura, N., Tamura, T., Higashiyama, S.,

きるような形態としての皮膚バリア補強剤』候補の開発

Tanji, K., Mitsutake, S., Inoue, A., Aoki, J., Mukai,を目標とし、新規植物性ハイブリッド脂質の調製プロセ

K., and Igarashi, Y. Konjac ceramide（kCer）

スの開拓を行なった。また本研究で見出したスフィンガ

regulates keratinocyte migration by Sema3A-like

ジエニン合成プロセスは重水素含有スフィンガジエニン

repulsion mechanism. Biochem. Biophys. Rep. 17,の調製にも応用が可能となり、植物由来のスフィンゴ脂132–138, 2019.

質がヒト細胞内でも代謝されることを初めて明らかにす

5 ．Morifuji, M., Oba, C., Ichikawa, S., Ito, K.,― 52 ―

Kawahata, K., Asami, Y., Ikegami, S., Itoh, H., andLing, Y., and An, J. A Practical and chemoselective

Sugawara, T. A novel mechanism for improvementammonia-Free Birch reduction. Org. Lett. 20,

of dry skin by dietary milk phospholipids： Effect3439–3442, 2018.

on epidermal covalently bound ceramides and skin

8 ．Murai, Y., Yuyama, K., Mikami, D., Igarashi, Y.,

inflammation in hairless mice. J. Dermatol. Sci. 78,

and Monde, K. Penta-deuterium-labeled 4E,8Z-

224–231, 2015.

sphingadienine for rapid analysis in

6 ．Kawana, M., Miyamoto, M., Ohno, Y., and Kihara, A.
Comparative profiling and comprehensive

sphingolipidomics study. Chem. Phys. Lipids 245,
105202, 2022

quantification of stratum corneum ceramides in

9 ．Opálka, L., Kováčik, A., Sochorová, M., Roh, J.,

humans and mice by LC/MS/MS. J. Lipid. Res.

Kuneš, J., Lenčo, J., and Vávrová, K. Scalable

61, 884–895, 2020.

synthesis of human ultralong chain ceramides.

7 ．Lei, P., Ding, Y., Zhang, X., Adijiang, A., Li, H.,― 53 ―

Org. Lett. 17, 5456–5459, 2015.

申請者

横浜国立大学生方俊

光応答性蛍光スイッチング分子を用いた分布帰還型レーザの創製
横浜国立大学 大学院工学研究院

生方俊

理化学研究所 開拓研究本部

礒島

1 ．緒言

隆史

環体
（O体）へと可逆的に異性化する化合物であり、両異

近年、情報・通信の分野だけでなく医療や環境分野に性体の高い熱安定性、繰り返し耐久性、および高い光変

おいても、小型・安価で高性能な導波路型レーザの開発

換効率を有するといった特徴を持つ［ 3 ］。異なる物性が望まれている。分布帰還型（Distributed feedback：を示すO体とC体の間を光で可逆的にスイッチできるた

DFB）レーザはレーザ媒質が発した蛍光を回折格子にめ、光記録材料など様々な用途への応用が期待されていよってレーザ媒質に帰還すると同時に定在波を立ててる［ 4 ］。近年、アリール部位のベンゾチオフェンの硫

レーザ光を得る仕組みのレーザであり、その回折格子の黄部分をスルホンに導いた硫黄酸化ビスベンゾチエルエ

周期によって、発振波長が制御される［ 1 ］。

テンはO体では蛍光をほとんど示さないが、C体においこれまで我々は、アゾベンゼン高分子への干渉露光にて蛍光を示すターンオン型の蛍光スイッチ特性を示すこ

よる光誘起物質移動現象に基づいた回折格子形成を利用とが見いだされた［ 5 ］。また、ベンゾチオフェンの6,6’位

して、単一波長発振するDFBレーザの創製に成功してにアリール基を導入し［ 6 ］、反応炭素にメチル基の代いる［ 2 ］
。しかし、アゾベンゼン化合物は紫外域からわりにエチル基を導入した［ 7 ］ジアリールエテン誘導

可視域全般に大きな吸収帯があるため、レーザ発振波長

体 1（Figure 1）においてはC体における蛍光量子収率がは赤外域に限られること、また、回折格子形成に物質移大幅に向上することが報告された［ 8 ］。しかし、これ動を用いているため応答性に難があるという問題点がらの化合物を光記録材料などの光学デバイスへの応用をあった。

考えた場合、蛍光の非破壊読み出しが重要となる。一般

本研究においては、光に応答して可逆的に蛍光性のオに蛍光読み出しに必要となる励起光照射が光異性化反応

ン・オフを切り替えることのできる光応答性蛍光スイッも誘発する。よって、光スイッチングと読み出しプロセ

チ分子を創製し、光応答性蛍光スイッチ分子からなる有スを分離し、独立して制御することが望まれる。その一機薄膜への、干渉露光により形成した蛍光回折格子によ

つに熱によって光反応性を制御する熱ゲーティングの方

り、簡便で低コストかつ環境負荷の小さい作製プロセス法があり、ジアリールエテン化合物において検討されたで単一波長発振する高性能なDFBレーザを創製するこ［ 9 ］。しかし、蛍光スイッチング可能なジアリールエテとを目的とした。そのために光応答性蛍光スイッチ分子

ン誘導体については、著者の知る限り報告例はない。

を開発し、溶液および薄膜中における光応答性蛍光ス

本研究ではDFBレーザへの応用を念頭において、固イッチ特性の評価を行った。光応答性蛍光スイッチ分子体薄膜中において光応答性蛍光スイッチングを示す分子

として、ジアリールエテン誘導体に着目した。

を探索した。そのような分子として、高コントラストのジアリールエテンは紫外光照射により開環体（O体）か

蛍光オン・オフが可能であるターンオン型の蛍光スイッら閉環体（C体）へと異性化し、可視光照射により元の開チ特性を示す硫黄酸化ビスベンゾチエニルエテンに着目― 54 ―

Table 1 UV-vis absorption properties of 1 at eachtemperature

Figure 1 Photoisomerization of diarylethene derivatives 1
and 2.

した。本研究ではベンゾチオフェンジオキシドを有する
ジアリールエテン誘導体 1 の熱ゲーティング特性を明らかにするために光反応の温度依存性を調査した。また、
高分子薄膜中における高い製膜性を期待して、ベンゾチ
オフェンジオキシドの6,6’位にフェニル基を導入した 1の代わりに2-ビフェニル基を導入した 2 を合成し、高分
子薄膜中における光応答特性について検討した（Figure1）。
2 ．溶液中の光反応
Figure 1に示した1oを文献［6, 10］にしたがって、ベ
ンゾチオフェンより 6 段階で合成した。1cの各温度におけるモル吸光係数を算出するために、1oを酢酸エチ
ル / ヘキサン = 4 / 96［v/v］の混合溶媒に溶解させた溶液に対して温度制御下、適宜紫外光を照射し1cを生

Figure 2

成させ、紫外可視吸収スペクトルを測定した。また、各Change in conversion ratio of 1 upon irradiation
with（a）313-nm light and（b）subsequent 436nm light.

溶液について紫外可視吸収スペクトルの等吸収点の波長を検出波長に設定して高速液体クロマトグラフィーされた。1cにおいて温度上昇に伴う6,6’位のフェニル基（HPLC）を測定した。HPLCにおいて観察される1o、1cの回転による実効的な共役長の減少が顕在化しているとに起因する二つのピークの面積比より1cへの変換率を考えられる。

算出し、紫外可視吸収スペクトルの可視域に出現した

次に、同様に 1 の溶液を温度一定に保ちながら、紫外1cに帰属される吸収帯の極大吸収波長における吸光度

光（313 nm）照射により閉環反応を、可視光（436 nm）照を1cの濃度に対してプロットし、最小二乗法による近射により開環反応を誘起し、紫外可視吸収スペクトル変似直線の傾きより極大吸収波長λmaxにおけるモル吸光係化の追跡を行った。同様の測定を異なる 6 点の温度にお数eを算出した。同様の操作を異なる 6 点の温度で実施

いて実施し、Table 1において求めた各温度におけるモ

した。Table 1に各温度における1cの極大吸収波長λc-max

ル吸光係数の値を用いて1cへの変換率を算出し、露光とモル吸光係数εc-maxの結果を1oの極大吸収波長λo-maxとエネルギー量に対する変換率の推移をプロットした

モル吸光係数εo-maxの結果と併せて示す。

（Figure 2）。

1oに比べて1cにおいて、温度上昇に伴う極大吸収波

紫外光（313 nm）照射による閉環反応における各温度長の短波長化、およびモル吸光係数の減少が明確に観察での変換率の推移（Figure 2（a））に示される通り、変換― 55 ―

速度が温度にほとんど影響を受けないのに対して、可視

ルエテン誘導体 1 は、熱ゲーティング特性に優れ、わず

光（436 nm）光照射による開環反応における各温度でのかに温度を低下させることにより、大幅に光開環反応を

変換率の推移（Figure 2（b））に示される通り、温度上昇抑制できることが明らかになった。

に伴い変換速度が大きく増加することがわかった。これ
3 ．薄膜中の光反応

は、ジアリールエテンの光開環反応と同様に、光励起状
態における開環への経路にエネルギー障壁が存在し、温Figure 1に示した2oを文献［6, 10］を参考にして、ベ度が高いとそのエネルギー障壁を超えやすくなるためだ

ンゾチオフェンより 6 段階で合成した。2oの酢酸エチと考えられる［11］。

ル溶液について、紫外光（365 nm）および引き続きの可Figure 2の変換率の推移のデータを用いて、閉環量子

視光（436 nm）に対する光反応性を紫外可視分光光度計、収率Focおよび開環量子収率Fco を算出した（Table 2）。

HPLCを用いて調査し、 2 についても 1 と同様な温度依

また、それぞれの量子収率の自然対数を 1 /Tに対して存の光反応性を示すことを確認した。次に、 2 とポリメプロットした（Figure 3）。

タクリル酸メチル樹脂（PMMA）が質量比 1 /10のクロロ

Figure 3に示すように開環反応においては大きな温度

ホルム溶液を調製し、石英基板にスピンコートすること依存性が見られ、近似直線の負の傾きから開環反応の励で、厚さ約0.8 mmの 2 /PMMA（ 1 /10）の混合薄膜を作-1起状態におけるエネルギー障壁の大きさは45.7 kJ mol

製した。混合薄膜における紫外光（365 nm）および可視であることがわかった。この大きさは、これまでに報告

光（436 nm）に対する光応答特性を、紫外可視分光光度されているジアリールエテンの開環反応の励起状態にお計、蛍光分光光度計を用いて調査した（Figure 4）。

けるエネルギー障壁の大きさよりも大きい［9,11,12］。

Figure 4に示すように 2 を混合したPMMA薄膜中につまり、ベンゾチオフェンジオキシドを有するジアリー

おいても紫外光照射を行うと、2oから2cへの変換に伴い蛍光強度が増加した。その後可視光照射を行うと2cTable 2

Photocyclization and photocycloreversion
quantum yields of 1 at each temperatureから2oへの変換に伴い、蛍光強度が減少した。また、2cに起因する可視域の吸光度の変化量と蛍光強度の変Figure 4
Figure 3

Dependence of lnΦ as a function of 1/T.

― 56 ―

Change in absorption and fluorescence spectraof 2-doped PMMA film upon irradiation with（a）
365-nm light and（b）subsequent 436-nm light.

4 ．結言ジアリールエテン誘導体 1 の酢酸エチル/ヘキサン溶
液中における光閉環反応および光開環反応を詳細に検討し、1 の光開環反応において大きな温度依存性が存在し、光励起状態の開環への経路において45.7 kJ mol-1のエネ
ルギー障壁が存在することが示された。ジアリールエテ
ン誘導体 2 のPMMA薄膜における光閉環反応および光開環反応に伴う蛍光強度変化を確認し、光開環反応の温度依存性を利用した蛍光信号の非破壊的な読み出しが可
Figure 5 Fluorescence microscope images（excited at 440nm） of 2-doped PMMA film after 365-nm
irradiation through a photomask. Observation
conditions：（a）25 ℃, 0 min,（b）25 ℃, 4 min,（c）5 ℃, 0 min,（d）5 ℃, 4 min.

能であることが明らかになった。この知見は本原理を用いたDFBレーザの創製に貢献することが期待される。
5 ．謝辞
本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りまし

化量の間には線形性が認められ、2cへの変化に対応した公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上て、蛍光強度が変化することが確認された。

げます。また、本研究の遂行に貢献してくれました大林

2 を混合したPMMA薄膜中において5 oC、25 oC、60

礼奈氏、長谷川翼氏に心より感謝いたします。

Cにおける光反応性を調査した。可視光照射時に低温にo

6 ．参考文献なるほど開環反応速度が小さくなることが観察された。
よって、PMMA薄膜中においても溶液中の挙動と同様［ 1 ］A. J. C. Kuehne, M. C. Gather, Chem. Rev., 2016,
116, 12823-12864.

に、低温ほど開環量子収率が減少することが示唆された。
この結果は、蛍光を読み出す条件として重要であり、低［ 2 ］T. Ubukata, T. Isoshima, M. Hara, Adv. Mater.,
2005, 18, 1630-1633.

温であるほど蛍光を読み出すための励起光による開環反［ 3 ］M. Irie, Chem. Rev., 2000, 100, 1685-1716.

応が抑制されることが期待される。
このことを実証するためにフォトマスクを介して 2 を［ 4 ］M. Irie, T. Fukaminato, K. Matsuda, S. Kobatake.,
Chem. Rev., 2014, 114, 12174-12277.

混合したPMMA薄膜に紫外光（365 nm）を照射し、局所的に閉環反応を誘起した後、温度制御下、蛍光顕微鏡を［ 5 ］Y.-C. Jeong, S. I. Yang, K.-H. Ahn, E. Kim, Chem.
Commun., 2005, 2503-2505.

用いて観察した（Figure 5）。
Figure 5（a）に示す通り、蛍光顕微鏡観察直後では、［ 6 ］K. Uno, H. Niikura, M. Morimoto, Y. Ishibashi, H.

フォトマスクの周期と一致した12 µm周期の明暗の格子

Miyasaka, M. Irie, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133,が観察され、露光部における2cの生成による蛍光強度

13558-13564.

の増加に基づく蛍光のコントラストが生じていることが［ 7 ］Y. Takagi, T. Kunishi, T. Katayama, Y. Ishibashi, H.

わかる。一方で、25 oCにおいて、この条件で励起光（440Miyasaka, M. Morimoto, M. Irie, Photochem.

nm）を照射し続けることで、蛍光のコントラストは徐々Photobiol. Sci., 2012, 11, 1661-1665.

に減少し、 4 分間後においては消失した（Figure 5（b））
。

［ 8 ］M. Irie, M. Morimoto., Bull. Chem. Soc. Jpn.,
2018, 91, 237-250.

一方、5 Cにおいては、 4 分間後においても蛍光のコンo

トラストは維持され（Figure 5（c, d））、低温において蛍［ 9 ］D. Dulić, T. Kudernac, A. Pužys, B. L. Feringa, B. J.

光信号の非破壊的な読み出しが可能になるという知見がvan Wees, Adv. Mater., 2007, 19, 2898-2902.

得られた。

［10］T. Yamaguchi, M. Irie, J. Photochem. Photobiol. A：
Chem., 2006, 178, 162-169.
［11］Y. Ishibashi, T. Umesato, S. Kobatake, M. Irie, H.

― 57 ―

Miyasaka, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 4862-

Trommsdorff, A.T. Bens, C. Kryschi, Syn. Met.,

4869.

2000, 115, 163-166.

［12］K. Kuldová, K. Tsyganenko, A. Corval, H.P.

― 58 ―

申請者

長岡技術科学大学

溝尻瑞枝

Cuナノ粒子インクを用いたフレキシブル基板上への大気中Cu配線技術の開発
長岡技術科学大学

溝尻

1 ．2

1 ．緒言
1 ．1

金属プリンティング技術

技学研究院

瑞枝、成島

淳也

金属のレーザ還元直接描画技術

1 ．1 節に示したように、金属パターンの印刷は、原

金属プリンティング技術は、プリンタブルエレクトロ料インクの印刷と金属化の 2 段階プロセスからなる。例

ニクスの実現に不可欠であり、インクやそのプリンティ

えば、Cuナノ粒子インクを印刷し、その後、ランプやレー

ング方法、金属化技術など様々な研究が活発に行われてザを用いて焼結する。一方、レーザ還元直接描画法は、いる。通常、
エレクトロニクスデバイスは、リソグラフィ

印刷と金属化を同時に行える。連続波発振レーザやナノと真空成膜法からなる半導体製造技術により作製され秒・フェムト秒などパルスレーザを用いることで、大気る。そのなかで、プリンタブルエレクトロニクスは、簡中で自由な形状に焼結できる。Cuナノ粒子と比較して、便なデバイスを比較的安価な設備と少ない工程数で製造

CuOナノ粒子は、近赤外光や可視光のレーザに対して大する技術として利用されている。

きな吸収を有する。また、Cu2Oナノ粒子は近赤外光や特に金属プリンティングは、AuやAgなどの貴金属ナ

可視光で高い透過率を有し、その半波長で大きな吸収を

ノ粒子を分散したナノ粒子インクを用い、インクジェッ示す。そのため、近赤外やグリーンフェムト秒レーザパト印刷（1）、スクリーン印刷（2）、グラビア印刷（3）、フレキ

ルスを透明なCu2Oナノ粒子インク内部へ集光したとき、

ソ印刷（4）、レーザ印刷（5）などの報告がある。次世代配線

焦点近傍のみで生じる多光子吸収誘起熱還元が生じ、イ

材料として、Cuのプリンティングが期待されているが、ンク内部へのCu析出できる（11-12）。

貴金属ナノ粒子インクと比較して酸化しやすいことが問また、グリオキシル酸Cu錯体溶液インクを用いた多題である。これまでに酸化防止方法として、Cu@Agコ

光子吸収誘起熱還元についても報告されている（13）。グ

アシェルナノ粒子や乳酸安定化方法などが報告されていリオキシル酸は、アルデヒド基とカルボキシル基を配位る 。また、1-アミノ-2プロパノールで保護したCuナノ子としてもつ。そのため、還元性の高いアルデヒド基を粒子/Cuマイクロ粒子の混合インクを用い、低温・大気有し、H2O、CO、CO2に容易に熱分解される。グリオキ

雰囲気下でCuパターンを作製できる（7）。一方、Cu酸化

シル酸Cu錯体の調製は、NaOHでグリオキシル酸を中和物ナノ粒子ではなく、酸化しにくい材料インクとして、後、硫酸Cu五水和物との合成により、Cu2+に対してグ

Cu酸化物ナノ粒子（8）やCuイオン（9）、Cu有機インク分解

リオキシル酸とH2Oが配位し、 5 員環のキレート錯体をインク形成する。グリオキシル酸Cu錯体は溶解性が高く、特（6）を利用した報告も多い。Cu酸化物ナノ粒子イ（10）ンクでは、還元性溶媒を用いることでプリント後、Cuにアミノ基を配位してインク化することができる。

を熱還元析出する。また、Cuイオンインクでは、イン

これまでに、グリオキシル酸Cu錯体の配位子の吸収

クジェット印刷への利用が可能である。Cu有機分解イを利用したCu熱還元では、波長10.6 µmのCO2レーザがンクはCuの前駆体がCuナノ粒子の焼結温度よりも低い用いられてきた。更に、近赤外波長（780 nm）やグリー

温度で分解されるため、低温でCuパターニングが可能

ン波長（515 nm）の高い透過性を利用し、近赤外やグリーである。Cuの含有量増加のため、Cu粒子をCu有機分解

ンフェムト秒レーザパルスの多光子励起を用いた、グリ

インクに混合したインクも利用されている。

オキシル酸Cu錯体溶液内部へのCu還元析出も報告され― 59 ―

ている（14）。このように、ナノ粒子インクや錯体インク

子/グリオキシル酸Cu錯体溶液インク 2 段階塗布方法のを用いたレーザ直接描画が実現されている。しかしなが2 種類の方法を用いた。

ら、金属ナノ粒子では高い反射率により焼結が困難であ

次に、グリーンフェムト秒レーザパルスをインク膜表り、金属酸化物ナノ粒子ではレーザ還元焼結による還元

面に大気中で集光描画した。フェムト秒レーザは波長

度不足、金属錯体溶液インクでは金属析出前後での体積

515 nm、パルス幅100 fs、繰返し周波数40 MHzのパル

変化が大きく厚膜化が困難など、各インクにおいてメスを利用し、対物レンズ開口数0.45を用いて集光した。

リット、デメリットがある。

このとき、最小スポット径は1.4 µmと算出できる。描画は、サンプル基板をレーザ走査することにより、描画速

1 ．3

研究目的

度10 mm/sとし、パルスエネルギーを0.43−1.29 nJとし本申請研究では、厚膜・高密度・高い導電性を有するて描画特性を評価した。レーザ描画後、未照射部をエタ

Cuのレーザプリンティング技術の創成を目的とした。

ノールと超純水の混合溶液によってリンス除去した。

具体的には、Cuナノ粒子インクを用いた厚膜化のメリッ
2 ．2

トと低密度化のデメリットと、Cu錯体インク溶液を用

グリオキシル酸Cu錯体/Cuナノ粒子インク膜の作製

いた高い密度と厚膜化が困難であるデメリットを相補し、Cuナノ粒子とCu錯体溶液を混合したインクを用いグリオキシル酸Cu錯体とCuナノ粒子をそれぞれ調製て、インク調製、レーザ描画条件の探索を行い、Cuパター

し、グリオキシル酸Cu錯体/Cuナノ粒子混合インク膜とンの導電性を評価した。

Cuナノ粒子/グリオキシル酸Cu錯体インク 2 段階塗布
膜をそれぞれ形成した。

2 ．実験方法
2 ．1

グリオキシル酸Cu錯体/Cuナノ粒子混合インク膜のフェムト秒レーザ描画プロセス

形成方法をFig. 2に示す。グリオキシル酸Cu錯体とCu

Fig. 1に、フェムト秒レーザパルスによるグリオキシ

ナノ粒子を2-プロパノール/PVP混合溶媒、もしくは2-アル酸Cu錯体/Cuナノ粒子インク膜を用いたCuパターニ

ミノエタノール/エタノール混合溶媒へ混合した。次に、ングプロセスを示す。はじめに、グリオキシル酸Cu錯

スピンコートを行い、最後にホットプレートを用いてベ体/Cuナノ粒子インクをガラス基板やフレキシブルなポ

イク乾燥した。ベイク条件は、50°C20分とした。グリリエチレンナフタレート（PEN）基板上に膜状に塗布す

オキシル酸Cu錯体とCuナノ粒子のモル比は 1 ： 2 としる。混合膜はグリオキシル酸Cu錯体/Cuナノ粒子混合イた。この時、Cuナノ粒子はそれぞれTable 1となる。

ンクを塗布して形成する方法と、Cuナノ粒子塗布後にCuナノ粒子/グリオキシル酸Cu錯体インク 2 段階塗グリオキシル酸Cu錯体溶液インクを塗布するCuナノ粒

布膜の形成方法をFig. 3に示す。はじめに、Cuナノ粒子
を2-プロパノールとポリビニルアルコール（PVA）やポリビニルピロリドン（PVP）に分散し、スピンコート後30°C

Fig. 1

Femtosecond laser direct writing process of Cu
pattern.

Fig. 2― 60 ―

Preparation of glyoxylic acid Cu complex/Cu
nanoparticle mixed ink film.

Table 1

Composition ratio of inks

Agent

GACu complex：
Cu NPs（mol ratio）

Cu NPs（wt.%）

1：2

6.3

2-propanol/PVP

1：1

4.6

2：1

2.9

2-aminoethanol/ethanol

25：13

3.0

Fig. 3 Two-step preparation of glyoxylic acid Cu complex/
Cu nanoparticle mixed ink film.
Table 2Agent

2-propanol

Fig. 4

Absorption spectra of（a）the mixed ink and（b）
two-step coated mixed ink.

Composition ratio of inks
Dispersant

Cu NPs（wt.%）

PVA500 0.01 g

7.2

PVA1500 0.01 g

7.2

PVA3500 0.01 g

7.2

PVP 0.01 g

7.2置を用いた。表面観察は走査型電子顕微鏡（SEM）を、導電性評価は 2 端子法を用いて測定した。
3 ．実験結果
3 ．1

吸収特性評価で 5 分ベイクした。その後、グリオキシル酸Cu錯体を2-グリオキシル酸Cu錯体/Cuナノ粒子混合インクの 2

アミノエタノール/エタノールに溶解させ、Cuナノ粒子

種類の塗布方法による吸収特性の比較を行った。Fig. 4膜にスピンコートした。最後に、50°
Cで20分ベイクした。

（a）に混合インク、Fig. 4（b）に 2 段階塗布膜の吸収スペ

Cuナノ粒子と2-プロパノール、PVAやPVPの混合比はクトルを示す。混合インクの塗布では、2-プロパノール

Table 2、グリオキシル酸Cu錯体は2-アミノエタノール//PVP分散溶液を用いた場合、Cuナノ粒子のプラズモン

エタノールに混合した。混合比は、グリオキシル酸Cu

吸収に起因した吸収ピークが波長580 nm近傍で見られ錯体3 mmolに対し、2-アミノエタノール：エタノール

たが、2-アミノエタノール/エタノール分散の場合にはが1 mL：2 mLとした。

見られなかった。これは、2-アミノエタノールにCuナノ粒子が溶解しているためと考えられる。このことから、

2 ．3

評価方法

2-プロパノール/PVP分散溶液を用いた場合、Cuナノ粒

グリオキシル酸Cu錯体/Cuナノ粒子のインクの吸収子を溶解させることなく、分散できた。

特性評価は、紫外可視分光光度計を用いて行った。描画

一方、 2 段階塗布膜の吸収スペクトルでは波長580パターンの結晶構造解析は、エックス線回折（XRD）装nmの近傍でわずかに高い吸収が見られた。これらの結― 61 ―

Fig. 5

Absorption spectra of the mixed inks with various
composition ratio of glyoxylic acid Cu complex andCu nanoparticles.

果から、PVAによりCuナノ粒子をキャッピングされていることを示唆している。
次に、グリオキシル酸Cu錯体/Cuナノ粒子混合インク膜において、2-プロパノール/PVP分散溶液を用いた場
合、グリオキシル酸Cu錯体とCuナノ粒子の混合比による吸収特性をFig. 5を示す。いずれの場合においてもCu
ナノ粒子のプラズモン吸収に起因するピークが現れたこ

Fig. 6とから、Cuナノ粒子が凝集することなく溶液に分散さ

Absorption spectra of（a）
only Cu nanoparticle inks
and（b）
glyoxylic acid Cu complex mixed inks withvarious degree of polymerization of PVA.

れていることを示唆している。
一方、Cuナノ粒子/グリオキシル酸Cu錯体インク 2 段
階塗布膜において、分散溶液にPVA、PVPの混合比による吸収特性をFig. 6に示す。Fig. 6（a）にCuナノ粒子をPVAやPVPに混合したインクの吸収スペクトルを、Fig.
6（b）にCuナノ粒子インク膜にグリオキシル酸Cu錯体イ
ンクを滴下した 2 段階塗布後のインク膜の吸収スペクトルを示す。Cuナノ粒子をPVPに分散したインクを塗布したところ、Cuナノ粒子のプラズモン吸収に起因した吸収が見られたが、続いてグリオキシル酸Cu錯体イン
クを 2 段階塗布すると、このピークは消失した。この結果からPVPはCuナノ粒子のキャッピングに不十分であり、PVA分散溶液を用いたCuナノ粒子インク塗布と、グリオキシル酸Cu錯体インクの 2 段階塗布が有用であることが明らかとなった。
3 ．2

グリオキシル酸Cu錯体/Cuナノ粒子混合インク膜を用いた描画特性

グリオキシル酸Cu/Cuナノ粒子混合インク膜を用いたレーザ描画特性を評価した。Fig. 7（a）に、異なるグリFig. 7 （a）Relationship between pulse energy and line
width.（b）Optical microscope images of Cu lines
with various compositions.

オキシル酸Cu錯体とCuナノ粒子の混合比のインクを用― 62 ―

いた場合の、パルスエネルギーと線幅の関係を示す。線

考えられる。

幅は、グリオキシル酸Cu錯体とCuナノ粒子の混合比が異なるPVA重合度の分散溶液からなるインクを用い

1 ： 2 のとき、最小となった。これは、グリオキシル酸

たときの結晶構造解析をFig. 10に示す。パルスエネル

Cu錯体の濃度低下による析出量の抑制と、Cuナノ粒子

ギー1.29 nJとしたとき、すべてのパターンにおいてCu増加により熱伝導率が向上したため熱拡散領域が縮小パターンが描画形成されたことが明らかとなった。
一方、し、グリオキシル酸Cu錯体インクからのCu生成量の減

Cu2O由来のピークも現れた。これは、重合度の高い少が理由と考えられる。Fig. 7（b）に各混合比インクをPVA分散液の場合、熱蓄積が容易であり、析出したCu

用いた場合、パルスエネルギー0.86 nJで描画したライン
パターンの光学顕微鏡像を示す。Cuナノ粒子の混合割
合の高いラインほど、緻密なラインパターンが形成されていることが明らかとなった。
Fig. 8に各混合比インクを用いた場合のCuパターンの結晶構造解析を示す。このとき、線幅が最大となるパル
スエネルギー1.29 nJを用いてパターンを形成した。すべての混合比のインクにおいて、顕著な不純物の析出なく高純度なCuパターニングに成功した。
3 ．3

Cuナノ粒子/グリオキシル酸Cu錯体インク 2 段
階塗布膜を用いた描画特性

2 段階塗布膜を用いたレーザ描画特性を調査した。
Fig. 9（a）に異なる重合度のPVA分散溶液を用いたCuナ
ノ粒子インクとグリオキシル酸Cu錯体インクの 2 段階
塗布膜を用いたとき、パルスエネルギーと線幅の関係を示す。
パルスエネルギーの増大によって線幅も増加した。
これは、単位面積あたりへの照射エネルギーの増加によるものと考えられる。Fig. 9（b）に各PVA重合度におけるラインパターンの光学顕微鏡像を示す。その結果、PVAの重合度が低いとき、線幅の均一性が低下した。

Fig. 9 （a）Relationship between pulse energy and line
width.（b）Optical microscope images of Cu lines
with various compositions.

これは、膜中の材料が不均質で線幅が変化した可能性がFig. 8 XRD spectra of Cu patterns fabricated by using
various composition inks of glyoxylic acid copper
complex and Cu nanoparticles.

Fig. 10― 63 ―XRD spectra of the Cu patterns fabricated byusing various inks with degree of polymerizationof PVA.

中のフェムト秒レーザ描画によりCuパターンが形成された。高重合度のPVAを用いた場合、Cu2O由来のピークが現れたが、これは熱蓄積による再酸化によるものと考えられる。
（3）
Cuパターンの導電性を従来法と比較した。膜厚はス
クリーン印刷と同程度の厚膜化が可能であり、抵抗値はインクジェット印刷と同等を実現できた。
本手法は、厚膜Cuパターンを大気中で簡便に描画形成できるプロセスとして、マイクロデバイスの配線やフFig. 11

Relationship between height of Cu patterns andresistance.

レキシブルデバイスへの応用が期待できる。
謝辞
本研究は、松籟科学技術振興財団研究助成の支援をいが高温になり再酸化された可能性がある。

ただき遂行いたしました。ご支援に心より感謝申し上げ
3 ．4

各種グリオキシル酸Cu錯体/Cuナノ粒子混合イ

ます。本研究は、本学修士課程学生、成島淳也君の令和

ンクを用いた導電性評価

3 年度修士論文研究にて得られた成果の一部になります。

Fig. 11に各種グリオキシル酸Cu錯体/Cuナノ粒子混合インクを用いて形成したCuパターンのパターン高さ

参考文献と抵抗率の関係を示す。比較として、真空成膜法やスク（1）A . Kamyshny, M. Ben-Moshe, S. Aviezer, S.

リーン印刷、インクジェット印刷により形成したCuパ

Magdassi, “Ink-jet printing of metallic

ターンのデータも併記した（15-22）。その結果、本研究で得n a n o p a r t i c l e s a n d m i c r o e m u l s i o n s ”,

られたCuパターンは、膜厚はスクリーン印刷と同程度

Macromolecular Rapid Communications, 26（2005）の厚膜化が可能であり、抵抗値はインクジェット印刷と281–288.

同等であった。この結果から、本研究で提案したインク（2）W. Y. Liao, T. C. Chou,“Fabrication of a planar-を用いたフェムト秒レーザ直接描画法は、真空フリーの

form screen-printed solid electrolyte modified Ag/

厚膜Cuパターン形成を実現する有望なプロセスである

AgCl reference electrode for application in a

ことを示唆している。

potentiometric biosensor”, Analytical Chemistry,
78（2006）4219–4223.

4 ．結言（3）W . J. Scheideler, J. Jang, M. A. U. Karim, R.

グリオキシル酸Cu錯体/Cuナノ粒子混合インク膜をKitsomboonloha, A. Zeumault, V. Subramanian,用いたフェムト秒レーザ直接描画法において、混合イン“Gravure-Printed Sol-Gels on Flexible Glass： A

クの塗布法と、Cuナノ粒子/グリオキシル酸Cu錯体イン

Scalable Route to Additively Patterned

クの 2 段階塗布法により塗布した 2 種類の方法で形成しTransparent Conductors”, ACS Applied Materials

た塗布膜を用いた。

and Interfaces, 7（2015）12679–12687.

（1）
グリオキシル酸Cu錯体/Cuナノ粒子混合インク膜イ（4）S. Kim, H. Sojoudi, H. Zhao, D. Mariappan, G. H.

ンクを用いた場合、分散溶液に2-プロパノール/PVP

McKinley, K. K. Gleason, A. J. Hart,“Ultrathinを適用するとCuナノ粒子の溶解を抑制した混合イン

high-resolution flexographic printing using

クの調製が可能であった。一方、 2 段階塗布法では、

nanoporous stamps”,Sci. Adv., 2（2016）e1601660.

分散剤に2-プロパノール/PVAを用いることでCuナ（5）J . Bohandy, B. F. Kim, F. J. Adrian,“Metal

ノ粒子の溶解を抑制した混合膜の塗布に成功した。

deposition from a supported metal film using an（2）
いずれの混合インクを用いた場合においても、大気

excimer laser”, Journal of Applied Physics, 60― 64 ―

“Direct Writing of Copper Micropatterns Using（1986）1538–1539.
（6）
C. K. Kim, G. J. Lee, M. K. Lee, C. K. Rhee,“ANear-Infrared Femtosecond Laser-Pulse-Induced

novel method to prepare Cu@Ag core-shell

Reduction of Glyoxylic Acid Copper Complex”,

nanoparticles for printed flexible electronics”,

Micromachines, 10（2019）401.
（15）R. Dharmadasa, M. Jha, D. A. Amos, T. Druffel,

Powder Technol., 263（2014）1.
（7）
M . K a n z a k i , Y . K a w a g u c h i , H . K a w a s a k i ,“Room Temperature Synthesis of a Copper Ink“Fabrication of Conductive Copper Films on

for the Intense Pulsed Light Sintering of

Flexible Polymer Substrates by Low-Temperature

Conductive Copper Films”, ACS Appl. Mater.

Sintering of Composite Cu Ink in Air”, ACS

Interfaces, 5（2013）13227.

Applied Materials and Interfaces, 9（2017）20852–（16）K. S. Kim, J. -O. Bang, Y. -H. Cho, S. -B. Jung,“Thecharacteristics of Cu nanopaste sintered by

20858.

atmospheric-pressure plasma”, Microelectron.

（8）B. Kang, S. Han, J. Kim, S. Ko, M. Yang,“One-stepEng., 107（2013）121.

fabrication of copper electrode by laser-induced
direct local reduction and agglomeration of copper（17）D. Deng, T. Qi, Y. Cheng, Y. Jin, F. Xiao,“Copperoxide nanoparticle”, Journal of Physical Chemistrycarboxylate with different carbon chain lengths

C, 115（2011）23664–23670.

as metal–organic decomposition ink”, J. Mater.
Sci. Mater. Electron., 25（2014）390.

（9）
B. Y. Wang, T. H. Yoo, Y. W. Song, D. S. Lim, Y. J.
Oh,“Cu ion ink for a flexible substrate and highly（18）Y. Zhang, Q. Lin, H. Wang, L. Quan, Y Yang, A.

conductive patterning by intensive pulsed light

Titov, J. Hyvonen, Y. Zheng, and L. S. Li,

sintering”, ACS Applied Materials and Interfaces,“Efficient and Bright Colloidal Quantum Dot

5（2013）4113–4119.

Light-Emitting Diodes via Controlling the Shell
Thickness of Quantum Dots”, ACS Appl. Mater.

（10）
A. Yabuki, S. Tanaka,“Electrically conductive

Interfaces, 6（2013）560.

copper film prepared at low temperature bythermal decomposition of copper amine（19）G. L. Draper, R. Dharmadasa, M. E. Staats, B. W.

complexes with various amines”, Materials

Lavery, and T. Druffel,“Fabrication of Elemental

Research Bulletin, 47（2012）4107–4111.

Copper by Intense Pulsed Light Processing of a
Copper Nitrate Hydroxide Ink”, ACS Appl.

（11）
M. Mizoshiri, Y. Kondo,“Direct writing of two-Mater. Interfaces, 5（2013）16478.

and three-dimensional Cu-based microstructuresby femtosecond laser reductive sintering of the（20）Y. T. Kwon, Y. -I. Lee, S. Kim, K. -J. Lee, Y. -H.

Cu2O nanospheres”, Optical Materials Express, 9Cho,“Full densification of inkjet-printed copper（2019）2828–2837.

conductive tracks on a flexible substrate utilizing
a hydrogen plasma sintering”,Appl. Surf. Sci., 396（12）
M. Mizoshiri, A. Tanokuchi,“ M. Mizoshiri, Y.

（2017）1239.

Kondo,“Direct writing of Cu-based micropatterns
inside Cu 2O nanosphere films using green（21）M. Joo, B. Lee, S. Jeong, M. Lee,“Laser sintering

femtosecond laser reductive sintering”, Opticalof Cu paste film printed on polyimide substrate”,

Materials Express, 10（2020）2533–2541.

Appl. Surf. Sci., 258（2011）521.

（13）
T. Ohishi, R. Kimura,“Fabrication of Copper Wire（22）Y . Farraj, A. Smooha, A. Kamyshny, and S.

Using Glyoxylic Acid Copper Complex and Laser

Magdassi,“Plasma-Induced Decomposition of

Irradiation in Air”, Materials Sciences andCopper Complex Ink for the Formation of Highly

Applications, 06（2015）799–808.

Conductive Copper Tracks on Heat-Sensitive（14）
M. Mizoshiri, K. Aoyama, A. Uetsuki, T. Ohishi,― 65 ―

Substrates”, ACS Appl. Mater. Interfaces, 9

2 ．成島淳也、大石知司、溝尻瑞枝、“グリオキシル酸（2017）8766.

Cu錯体/Cuナノ粒子混合インクのフェムト秒レー
成果報告実績

ザCuパターニング”、IIP2022 情報・知能・精密機《学会発表》

器部門（IIP部門）講演会、 3 / 7 /2022

1 ．J. Narushima, M. Todai, and M. Mizoshiri,

3 ．溝尻 瑞枝、成島 淳也、大石 知司、“グリオキシル“Reductive sintering of Cu nanoparticles mixed

酸Cu錯体/Cuナノ粒子混合インクを用いたフェムwith glyoxylic acid Cu complex ink using green

ト秒レーザ直接描画特性”, OQD-22-013, 宇都宮大

femtosecond laser pulses”, 5th STI-Gigaku 2020,

学+オンライン,電気学会「光・量子デバイス研究会」、

10/30/2020.

3 /28/2022.

― 66 ―

申請者

東京大学（現 大阪大学） 井ノ上

泰輝

ヘテロ元素ナノチューブの同心複合化による機能材料の開発
大阪大学

大学院工学研究科

井ノ上泰輝

1 ．研究の背景と目的
単層カーボンナノチューブ（SWCNT）［ 1 ］は炭素原子から成る原子層（グラフェン）を円筒状に丸めた構造のナノ材料である。高いキャリア移動度、電気・熱伝導率、機械的強度、および、構造に依存してバンドギャップを持つことなど、SWCNTは様々な優れた性質を持つ。また、炭素以外の元素による類似のナノチューブ物質として、窒化ホウ素ナノチューブ（BNNT）［ 2 ］や遷移金属
ダイカルコゲナイドナノチューブ（TMDNT）［ 3 ］など

図 1 ．SWCNT-BNNTヘテロナノチューブの模式図。緑色が炭素原子、青色がホウ素原子、赤色が窒素原子。

が知られている。これらのナノチューブ物質は表面にダングリングボンドを持たず、円筒面内で結合が閉じていであるヘテロナノチューブ（図 1 ）を対象として、多孔質ることから、異なるナノチューブを入れ子状にしたヘテ

担持材を用いた高効率合成法の開発を行った［ 6 ］。
また、

ロ構造の構築が可能だと考えられる。グラフェンなどのヘテロナノチューブの熱伝導測定およびモデル化を実施

異なる 2 次元物質を積層したファンデルワールスヘテロ

した［ 7 ］。

構造の研究は盛んであったが、擬 1 次元的なナノチュー
ブにおけるヘテロ構造の構築は難しかった。
我々は最近、

2 ．結果と考察

SWCNT、BNNT、TMDNTを同心状に複合化した新た

2 ．1

多 孔質担持材を用いたSWCNT-BNNTヘテロナノ
チューブの高効率合成と溶液プロセスへの適用な物質群の合成を実現した［ 4 ］。ここでは、SWCNT
をテンプレートとして、化学気相成長（CVD）法により我々はこれまで、CVD法によりSWCNTをテンプレー

異種ナノチューブを同心状に被覆合成した。このようなトとしてヘテロナノチューブを合成してきたが、テンプ異なる元素から成るナノチューブの同心複合構造をヘテ

レートのSWCNTは孤立架橋構造または薄膜構造を取っ

ロナノチューブと呼ぶ。異なる電子・光学・熱・機械特ていた［4,8］。テンプレートとなるSWCNTの合成とヘ性を持つナノチューブ物質を自在に一体化できることか

テロ構造化を独立して行っていたほか、テンプレートのら、新たなナノ材料の物質設計の可能性を持つ。構造制

SWCNT数密度が低く、サンプル面積によりSWCNT量

御・高効率合成の確立、物性の理解を行うことで、様々が決まるため、ヘテロナノチューブの合成量が制限されな機能を持つヘテロナノチューブを構築し、応用するこていた。より効率的な合成を行うためには、高密度かつとが期待されている［ 5 ］。

基板面積に制限されないSWCNTをテンプレートに用い本研究では、ヘテロナノチューブの工学的応用の実現

ることが有効である。そこで本研究では、多孔質のゼオに向けて、高効率なヘテロナノチューブ合成方法およびライトを触媒粒子担持材としたSWCNT合成手法［ 9 ］

溶液プロセスへの適用方法を確立すること、また、ヘテに基づき、SWCNTの合成およびBNNTの被覆合成を逐

ロナノチューブの熱伝導特性に関する基礎的機構を解明次的に行った。

することを目的とする。内層がSWCNT、外層がBNNT― 67 ―

ゼオライトにFe/Coナノ粒子を担持して、エタノール

図 2 ．ゼ オ ラ イ ト 上 に 合 成 し たSWCNTお よ びSWCNTBNNTのSEM像（左）。SWCNTおよびSWCNT-BNNT
分散液の光学像（右）。

を原料としたCVDにより800 °CにおいてSWCNTを合成した。さらに、このサンプルをテンプレートとして、アンモニアボランを原料としたCVDにより1075 °CにおいてBNNTの被覆合成を行った。SWCNTおよびSWCNT-

図 3 ．SWCNTおよびSWCNT-BNNTの光吸収スペクトル。
（a）
合成直後（空気中加熱なし）（b）、
空気中500 °C 加熱後。

BNNTサンプルについて走査型電子顕微鏡（SEM）により 観 察 し た 像 を 図 2 左 に 示 す。SWCNTと 同 様 に、

クはBNNTのバンドギャップに対応したものであると考SWCNT-BNNTサンプルからもゼオライトの上に細線状

えられ、BNNTの合成を示している。また、可視域の光の構造が観察された。また、BNNTは電気的に絶縁性で吸収スペクトルを図 3（a）に示す。グラフ中の（8,3）などあるため、SEM像においてコントラストが弱まった。

の表記は、そのピークに対応するSWCNT構造のカイラ

多孔質ゼオライトの大きな表面積により、ヘテロナノ

ル指数を表す。SWCNTと比べて、SWCNT-BNNTのスチューブを高収率に得ることに成功した。従来のヘテロ

ペクトルにおける強度やピーク位置には大きな変化がな

ナノチューブ合成法が基板面積に制限されていたことといことが分かった。これは、BNNTの被覆がSWCNTの比べて、大幅な収量の向上となっている。

電子構造に対して大きな影響を与えていないことを示し

さらに、このヘテロナノチューブの液体への分散を実ている。各ナノチューブ表面にダングリングボンドがな施した。合成されたヘテロナノチューブ粉末と界面活性

く、BNNTが 大 き な バ ン ド ギ ャ ッ プ を 持 つ た め に、剤を重水に混合し、バスソニケーション、
チップソニケー

BNNTとSWCNTとの間の電荷移動が起こっていないとション、および遠心処理を行った。分散液の写真を図 2考えられる。

右に示す。SWCNT-BNNTヘテロナノチューブについて

我々の先行研究では、SWCNT薄膜などをテンプレーも均一な分散液が得られた。ヘテロナノチューブの溶液

ト に 用 い た ヘ テ ロ ナ ノ チ ュ ー ブ に お い てSWCNTと分散は本研究により初めて実現した。SWCNTにおけるBNNTが同心構造となっていることを透過型電子顕微鏡

溶液プロセスは、ろ過による薄膜形成や、紡績糸の形成（TEM）により確認してきた。ここでは空気中におけるなど、様々な構造の形成を可能としてきた。ヘテロナノ

加熱処理によりSWCNTとBNNTが同心構造であること

チューブにおいても同様のプロセスを適用することで、多の間接的な証拠を得ることを試みた。空気中において様なヘテロナノチューブ集合構造を作る道筋が拓かれた。

SWCNTを500 °C程度に加熱すると酸化により構造が失

SWCNT-BNNT分散液の光吸収スペクトルを測定した

われるが、BNNTはより高温まで安定であることが知らところ、SWCNTに由来する可視域のピークに加えて、れている。そこで、SWCNTおよびSWCNT-BNNTにつ

紫外域における強い吸収ピークを確認した。後者のピー

いて、空気中500 °Cで加熱した後に分散処理と光吸収ス― 68 ―

ペクトルの測定を行った。得られたスペクトルを図 3モデル化にあたり、薄膜のネットワーク構造を形成す（b）に示す。加熱処理前の図 3（a）のスペクトルと比べる多数のナノチューブによるパスの構造を考える。ここて、SWCNTでは加熱によりピーク強度が著しく減衰しで、薄膜の片側からもう片側へと、多数のナノチューブていることが分かる。これは、SWCNTの大部分が酸化を介して熱が流れるため、ナノチューブ自体の熱伝導度に よ り 失 わ れ た こ と を 意 味 す る。 一 方 で、SWCNT-

およびナノチューブ間の接合部熱伝導度が薄膜全体の熱

BNNTサンプルにおいては、加熱処理後も元のSWCNT

伝導度に影響を与える。また、接合部熱伝導度は低い（ナ

由来のピークが維持されていた。これは、空気中で高温

ノチューブ間接触熱抵抗は大きい）ため、ランダムに配安定なBNNTがSWCNTを覆い、内部のSWCNTが酸化置されたナノチューブにおいて、最短経路となるような、から保護されていることを示している。以上より、ゼオ接合部の数が少ない伝導パスの全体への寄与が支配的とライトを担持材に用いた合成により同心状のSWCNT-なる。ここで、BNNTによる被覆を行った場合は、高熱

BNNTヘテロナノチューブを効率的に得られることを確

伝導の層の断面積が増えることから、ナノチューブパス

認した［ 6 ］。

の熱伝導度が向上すると仮定した。以上の点を考慮して、
SWCNTおよびヘテロナノチューブ薄膜における熱伝導

2 ．2

SWCNT-BNNTヘテロナノチューブ薄膜におけモデルを構築した。

る熱伝導度向上のモデル化

熱伝導度測定の実験においては、光透過率（密度、厚さ）

SWCNTは電気的にも熱的にも良導体であるのに対しの異なる複数の種類のSWCNT薄膜、およびそれらをテて、BNNTは電気的には絶縁性だが熱伝導性は高いこと

ンプレートとしたSWCNT-BNNT薄膜を測定した［ 8 ］。

が知られている。我々は過去の研究において、SWCNT-

測定方法は、赤外線カメラを用いた定常法である。得ら

BNNTヘテロナノチューブ薄膜は、SWCNTに由来するれた実験結果に対して、構築したモデルによる計算値を高い電気伝導度を保ちながら、BNNTの被覆により熱伝図 5 に示す。SWCNT自体の熱伝導率をパラメータとし導度が向上することを報告してきた［ 8 ］。本研究では、
この熱伝導度の向上を示すモデルを構築した。
SWCNT-BNNTヘテロナノチューブ薄膜のTEM像を
図 4 に示す。テンプレートとなるSWCNTが構築するネットワーク構造の周りを囲むようにBNNTの層が形成されることが分かる。

図 4 ．SWCNT-BNNTヘテロナノチューブ薄膜のTEM像図 5 ．透過率の異なるSWCNT薄膜およびSWCNT-BNNTヘ
テロナノチューブ薄膜の熱伝導度および被覆合成による熱伝導度増加率。プロットは実験値、線はモデルによる計算値を示す。

― 69 ―

て、密度の異なるナノチューブ薄膜における熱伝導度の［ 3 ］R. Tenne, L. Margulis, M. Genut, and G. Hodes,“Polyhedral and cylindrical structures of

変化を精度良く再現することに成功した［ 7 ］。

tungsten disulphide,”Nature 360, 444（1992）.
3 ．まとめ［ 4 ］R. Xiang, T. Inoue, Y. Zheng, A. Kumamoto, Y.

本研究では、SWCNTをテンプレートとしたSWCNT-

Qian, Y. Sato, M. Liu, D. Tang, D. Gokhale, et al.,

BNNTヘテロナノチューブの合成において、ゼオライト“One-dimensional van der Waals

を触媒担持材に用いることで高収率な合成法を開発した

heterostructures,”Science 367, 537（2020）.

［6］。また、SWCNT-BNNTヘテロナノチューブの溶液［ 5 ］井ノ上泰輝, 項栄, 千足昇平, 丸山茂夫,“ヘテロナへの分散を実現し、光吸収スペクトルによる構造の分析

ノチューブの創造と機能開拓,”応用物理 91, 351と空気中酸化耐性の評価を行った。さらに、SWCNT-（2022）.

BNNTヘテロナノチューブ薄膜における熱伝導度向上の［ 6 ］Y. Feng, H. Li, B. Hou, H. Kataura, T. Inoue, S.

モデルを構築し、実験値をよく説明できることを示した

Chiashi, R. Xiang, and S. Maruyama,“Zeolite-［ 7 ］。以上の成果は、工学的応用に向けたヘテロナノ

supported synthesis, solution dispersion, andチューブの大量合成実現に向けて重要な進歩であると同

optical characterizations of single-walled carbon

時に、ヘテロナノチューブの高温安定性、光学特性、熱nanotubes wrapped by boron nitride nanotubes,”

伝導特性に関する基礎的知見を深めるものである。

J. Appl. Phys. 129, 015101（2021）.
［ 7 ］P. Wang, Y. Feng, R. Xiang, T. Inoue, A.

4 ．謝辞

Anisimov, E. I. Kauppinen, S. Chiashi, and S.

本研究を遂行するにあたりご支援下さいました公益財

Maruyama,“Phenomenological model of thermal

団法人松籟科学技術振興財団に心より感謝申し上げまtransport in carbon nanotube and hetero-

す。また、本研究は東京大学 大学院工学系研究科 丸山・nanotube films,”Nanotechnology 32, 205708

千足研究室および大阪大学 大学院工学研究科 ナノマテ

（2021）.

リアル領域（小林研究室）にて実施したものです。馮雅博［ 8 ］P. Wang, Y. Zheng, T. Inoue, R. Xiang, A.

士および王彭穎愷博士をはじめとする共同研究者の方々

Shawky, M. Watanabe, A. Anisimov, E. I.

に感謝申し上げます。

Kauppinen, S. Chiashi, and S. Maruyama,“Enhanced In-Plane Thermal Conductance of

5 ．参考文献

Thin Films Composed of Coaxially CombinedSingle-Walled Carbon Nanotubes and Boron［ 1 ］S. Iijima and T. Ichihashi,“Single-shell carbon

Nitride Nanotubes,”ACS Nano 14, 4298（2020）.

nanotubes of 1-nm diameter,”Nature 363, 603［ 9 ］S. Maruyama, R. Kojima, Y. Miyauchi, S. Chiashi,（1993）.
［ 2 ］N. G. Chopra, R. J. Luyken, K. Cherrey, V. H.

and M. Kohno,“Low-temperature synthesis ofCrespi, M. L. Cohen, S. G. Louie, and A. Zettl,

high-purity single-walled carbon nanotubes from

“Boron Nitride Nanotubes,”Science 269, 966

alcohol,”Chem. Phys. Lett. 360, 229（2002）.

（1995）.

― 70 ―

申請者

学習院大学

諸藤

達也

ダブル（ 5 + 1 ）環化反応を基盤とした新規ホール輸送材料の創出
学習院大学

諸藤

理学部

達也

1 ．研究の背景および目的
エネルギー問題解決のために、優れたエネルギー効率と低コストが期待される有機無機ハイブリット型ペロブ
スカイト太陽電池が注目を集めている。鉛を用いたペロ
ブスカイト太陽電池は22.1%のエネルギー効率が実現され、商用化への期待も大きいが、鉛の毒性を懸念してスズを用いたペロブスカイト太陽電池の開発も求められている。このような背景の中、Marks, Chen, Kanatzidisら
図 2 ．本研究者が以前見出した
（5+1）
環化反応

は、図 1 に示したベンゾフェノン誘導体を二量化して合成したテトラアリールエテンがドーパントなしでホール
輸送材料として働くことを明らかにし、高い安定性と作められる。

成容易性を兼ね揃えたスズペロブスカイト太陽電池デバ

一方で、申請者は図 2 に示したように、これまでにイスを報告した 。しかしながら優れたホール輸送材料（ 5 + 1 ）環化反応によってベンゼン環を形成しつつ、カの 設 計 指 針 を 明 確 に 定 め る こ と は い ま だ 難 し い。

ルボニル-p-フェニレン-π分子を合成する新たな手法を

HOMO/LUMOのエネルギー準位や疎水性など、いくつ開発している 2。

1

かの満たすべき条件はあるものの、固体状態の構造など、本研究におけるベンゾフェノン誘導体の合成戦略を図

予測困難な要素が多く、より性能の高いホール輸送材料

3 に示す。アセトンと共役イミニウムイオンを反応させ、を見出すにはスクリーニングをせざるを得ない。そのた

一度目の（ 5 + 1 ）環化反応によりアセトフェノン誘導体

め、ホール輸送材料を効率的にスクリーニングするためを合成する。合成したアセトフェノン誘導体は、別の共に、テトラアリールエテン類縁体およびその前駆体であ役イミニウムイオンと二度目の（ 5 + 1 ）環化反応するこるベンゾフェノン誘導体の簡便かつ網羅的な合成法が求とで、非対称なベンゾフェノン誘導体が得られる。
合成した非対称ベンゾフェノンは既知の二量化反応によって、合成した非対称ベンゾフェノン誘導体からテト
ラアリールエテン類を合成する。この時、図 4 のように2 種類のテトラアリールエテンが得られるが、カラムク
ロマトグラフィーまたはゲル濾過によって分離することができる。すなわち、 1 つのベンゾフェノン誘導体から2 種類のテトラアリールエテン類を得ることができる。

図 1 ．テトラアリールエテン類の合成― 71 ―

図 5 ．対称なベンゾフェノン誘導体の合成

2 ．実験結果①ダブル（ 5 + 1 ）環化反応によるアセトンの対称ベンゾ
フェノンへの変換
まず非対称ベンゾフェノン誘導体の合成に先立ち、ア
図 3 ．本研究で取り組む非対称なベンゾフェノン誘導体の新
規合成戦略

セトンのダブル（ 5 + 1 ）環化反応による対称ベンゾフェノンの合成が可能か、予備検討を行った。アセトンに対し 3 当量のフェニル基を有するストレプトシアニンをTHF中、耐圧チューブを用いて120 ℃、終夜撹拌したと
ころ、対称なベンゾフェノンが71％で得られた（図 5 ）。
②（ 5 + 1 ）環化反応によるアセトンのアセトフェノンへの変換①の結果より、アセトンに（ 5 + 1 ）環化反応を適用す
る こ と が 可 能 で あ る こ と が 分 か っ た の で、 二 回 の（ 5 + 1 ）環化を段階的に行うことで、非対称ベンゾフェノンの合成法確立を試みた。より具体的には、過剰量のアセトンと一当量のストレプトシアニンを反応させることで、アセトフェノン誘導体の合成を検討した（図 6 ）。
しかしながら、溶媒や塩基などの反応条件を種々検討したものの、目的とするアセトフェノン誘導体は得られなかった。
③トリメチルスルホニウムを用いた（ 5 + 1 ）環化反応によるm-置換アニリンの変換②の検討中、（ 5 + 1 ）環化反応がうまく進行しない理図 4 ．テトラアリールエテンの合成

由を解明するために、様々な酸性度のメチル基を持つ化― 72 ―

図 6 ．アセトフェノン誘導体の合成

図 8 ．m-置換アニリンの合成例

図 7 ．偶然見出したm-置換アニリンの新輝合成法の開発

合物とストレプトシアニンを反応させたところ、トリメ
チルスルホニウムを反応させた場合、図 7 のように化合物Aが生成すると予想したが、実際にはm-置換アニリン
Bが得られることが分かった。
m-置換アニリン類は有機太陽電池に用いられる有機分子もみられる重要な骨格であることから、この反応に興味を持ち、さらなる検討を行った。その結果、図 8 に示すように様々なm-置換アニリン類を合成することができた。

― 73 ―

図 9 ．m-反応機構の解明

ストレプトシアニンはピリジンから合成していることしながら、本研究検討中にp-置換ピリジンをm-置換アニを考えると、本反応はp-置換ピリジンをm-置換アニリン

リンに変換する新しい分子変換を見出した。この反応はに変換する手法といえる。さらに反応形式としては、

C-H官能基化と骨格変換が組み合わさった全く新しい形

C-H官能基化と骨格変換が組み合わさった全く新しい反式の反応である。今後、このm-置換アニリン合成法を応である。

利用し、有機太陽電池などで使用可能なホール輸送材料

続いてこの反応の反応機構を明らかにするべく実験を創出を目指す。

行った。重水素化されたトリメチルスルホニウムを用いると重水素化された生成物を得ることができた（図9a）。

4 ．参考文献

これは生成物におけるPh基に対してパラ位の炭素がト1 ）Ke, W., Priyanka, P., Vegiraju, S., Stoumpos, C. C.,

リメチルスルホニウムのメチル基由来であることがわ

e t a l . （ 2 0 1 8 ）. D o p a n t - F r e e T e t r a k i s -

かった
（図9b）
。

Triphenylamine Hole Transporting Material for
Efficient Tin-Based Perovskite Solar Cells. J. Am.

さらに本反応を室温で検討したところ、中間体のトリChem. Soc. 140, 388-393.

エンをHRMSおよび H NMRで観測することができた。
1以上の結果から、トリメチルスルホニウムとストレプ

2 ）Morofuji, T., Kinoshita, H., Kano, N.,（2019）.

トシアニンが反応して生じたトリエン中間体が電子環状

Connecting a carbonyl and a π-conjugated group

反応を起こすことでm-置換アニリンが生じている、とthrough a p-phenylene linker by（ 5 + 1 ）benzene

いう反応機構が明らかになった。

ring formation. Chem. Commun. 55, 8575-8578.

以上の成果は論文として発表した 。
a5 ．研究成果発表
3 ．結論a）M orofuji, T., Inagawa, K., Kano, N., （2021）.

以上、（ 5 + 1 ）環化反応を用いたホール輸送材料の創

Sequential Ring-Opening and Ring-Closing Reactions

出を目指した研究を検討した。当初予定していたダブル

for Converting para-Substituted Pyridines into

（ 5 + 1 ）環化によるベンゾフェノン誘導体合成は種々の

meta-Substituted Anilines. Org. Lett. 23, 6126-6130.

検討にもかかわらず、効率よく反応はしなかった。しか― 74 ―

申請者

大阪府立大学山口博則

室温有機磁石の実現に向けた拡張π共役ラジカルによる磁気相関の設計
大阪府立大学

大学院理学系研究科

山口博則

1 ．はじめに有機物の多様性により、今日までに数100万種類にも及ぶ膨大な数の人工的な有機分子の合成が報告されている。それらを利用することで、100種類程度の元素をユニットとする無機物を遥かに凌ぐ凄まじい数の磁性体を作り出すことができると期待されてきた。
しかし一方で、有機ラジカルの局在性と平面構造により、磁気相関が抑制されてしまうという問題がある。その結果、 1 次元的な磁気モデルの形成には有利であるが、有機磁石を実現するような 3 次元的な磁気相関の構築には展開できてい図 1 ：フェルダジルモノラジカル系（a）2-Cl-4-F-Vと（b）2-Br4-Cl-Vの分子構造.

ことができる。ねじれのパターンによって、分子配列がない。
本研究の先行的な取り組みとして、従来のラジカルに決まり、分子間の磁気相関を通してスピン配列が構築さおいて弊害となってきた分子特性を抑制するために、分れる。それらを通して、新たな磁気モデルの設計が可能

構構造の柔軟性と分子軌道の拡張性が顕著になるフェルになる。これまでの取り組みから、図 1（a）に示す分子ダジルラジカルに着目し、分子間の磁気相関の制御を試構造を持つ2-Cl-4-F-Vにおいては、分子内の静電反発がみてきた。水素原子位置にハロゲン原子を中心とした作り出す分子の立体障害により、 2 次元強磁性シートの様々な置換を行うことで、分子軌道の形状とその重なり積層が形成されることが明らかになった。そこで本研究を制御し、従来の磁性体合成の常識を覆すペースで、多では、 3 次元性をより高めるための磁気モデルの変調を彩な新規磁性体の実現に成功してきた。それらの取り組目指して、同様な 2 位と 4 位へのハロゲン原子置換をみを通して、フェルダジルラジカルを活用した磁性体デ様々な組み合わせで行うことにより、その影響を調べた。

ザインでは、室温有機磁石を実現するための必須条件と

図 1（b）は、今回新たに構造と物性の詳細な知見を得なる強磁性相関の発現と 3 次元的な磁気モデルの形成にることに成功した2-Br-4-Cl-Vの分子構造となっている1）。

おいて、非常に有利であることが明らかになってきた。

単結晶試料を用いたX線構造解析の結果から、結晶構造

本研究では、これまでの分子設計と磁気モデルの相関には2-Cl-4-F-Vと同晶系であることが明らかになった。一

関する知見を基に、磁石の形成に有効と考えられる物質

方で、ハロゲン元素のイオン半径の違いから分子間接近設計に取り組んだ。

には僅かな違いが生じており、磁気相関の変調が予想された。実際に分子軌道計算により磁気相関を見積もった

2 ．フェルダジルモノラジカル系

ところ、 4 種類の支配的な磁気相関J1-J4の存在が予想さフェルダジルモノラジカル系の新規磁性体の合成を試れた。J1が反強磁性的、J2-J3が強磁性的となっている。

みた。
水素元素をハロゲン元素で置換することによって、

2-Cl-4-F-Vとの大きな違いはJ2の存在であり、これに関分子内外の静電反発を利用して分子にねじれを誘発する

わる分子軌道の重なりが増強された分子配列を形成して― 75 ―

いる。結果として、図 2 に示すようなJ1、J2、J4から成る

温度低下に伴って単調に増加していく常磁性的な振る舞2 次元三角格子が、面間相互作用J3により積層した磁気いが観測された。一方で、3 K以下の低温では増加が緩モデルを形成している。三角格子内においては、強磁性やかになる傾向がみられており、予想された磁気相関のと反強磁性の相関の競合（フラストレーション）が生じて寄与であると考えられた。より低温での磁化および比熱

おり、基礎学術的な量子物性研究において高い関心が寄測定を行うことで、磁気相転移の有無や磁気状態の検証

せられている特異なモデルとなっている。磁気モデル設を行い、磁気モデル変調効果を今後より詳細に明らかに計としては、2-Cl-4-F-Vのケースにもう 1 種類の磁気相していく。

関が加わることで、本来配位数 4 の正方格子であった部
3 ．フェルダジル系塩

分が、配位数 6 の三角格子へと変化している。配位数の増加は磁気相転移温度を増加させる効果があるため、高分子軌道の重なりをより高めるために、フェルダジル

温強磁性秩序（磁石）の形成に向けて有効な設計知見を得ラジカルをカチオン化してラジカル塩へと展開することることができた。

にも試みてきた。カチオン化のパターンを設計パラメー

図 3 は2-Br-4-Cl-Vの磁化率の測定結果になっている。

タとして導入することで、より多様なスピン配列の形成を可能にしている。特に、磁性アニオンの特性を利用することで、有効スピン配列の磁場変化や内部磁場の変調など、これまでにない特異な磁気モデルを実現することができている。そこで本研究では、純有機に限定しない有機 ‐ 無機ハイブリッド型磁石への展開も視野に入れ、
磁性アニオンとフェルダジルラジカルを組み合わせたラジカル塩による磁気モデル設計に取り組んだ。
合成および単結晶獲得に成功したフェルダル系塩（4-Br-o-MePy-V）FeCl 4で は、 フ ェ ル ダ ジ ル ラ ジ カ ル
4-Br-o-MePy-Vがスピン 1 / 2 、FeCl4アニオンがスピン
5 / 2 を担っている 4,5）。単結晶X線構造解析の結果から、
図 4（a）のように、ラジカルとアニオンによって、c軸方

図 2 ：フェルダジルモノラジカル2-Br-4-Cl-Vの結晶構造。実線は磁気相関に対応。

向に 1 次元構造を構築していることが明らかになった。
分子接近に着目すると、ラジカルとアニオン間に 2 種類の近い接近が見られ、分子軌道計算によって反強磁性的

図 3 ：フェルダジルモノラジカル2-Br-4-Cl-Vの0.1 Tにおける磁化率χ。

図 4 ：フェルダジル系塩（4-Br-o-MePy-V）
FeCl4の（a）結晶構造と（b）対応する磁気モデル。

― 76 ―

であると見積もられた。従って、図4（b）のように、ス

bond-picture）は、図 6 のようになっている。均一型の

ピン 1 / 2 とスピン 5 / 2 が反強磁性相関J、J’でつながっ場合は、いわゆるLieb-Mattisフェリ磁性状態となってたミックス型スピン（ 1 /2, 5/ 2 ）鎖を形成していると考いる。一方、交替型では、J’よりも強いJの結合でシングえられた。

レットダイマーが形成されている。ただし、実際の波動ミックス型スピン鎖は、大きさの異なる 2 種類のスピ関数は完全なダイマーの直積とはなっていない。また、ンが交互に並んだ 1 次元鎖である。基礎的な 1 次元モデ

Lieb-Mattisの定理はボンド交替があっても適用可能で

ルとして磁性の専門書などでも数多く取り上げられていあることから、これらの 2 つの型の基底状態間に相転移る。Lieb-Mattisの定理 によって、その基底状態はフェはなく、交替型も同様にLieb-Mattisフェリ磁性状態でリ磁 性 状 態 と な る ことが予想されている。さら に、あると考えられた。

2）

Oshikawa-Yamanaka-Affleckのルール3）として定式化さ

図 7 は0.1 T での磁化率となっている。測定には無配

れ た ト ポ ロ ジ カ ル な 議 論 か ら、 磁 化 の 量 子 化（Lieb-

向の微結晶試料を用いた。約4.8 Kで不連続的な変化がMattisプラトー）の発現が予想されている。一方で、現見られており、長距離磁気秩序への相転移を示唆してい実の系では20年以上前にいくつかのモデル物質が報告さると考えられた。転移温度以下では発散的な傾向はなく、れたが、それ以降の報告例はなかった。

反強磁性的な振る舞いを示していると考えられた。これ

図 5 は1.5 Kにおける磁化曲線となっており、 2 / 3 プ

は 1 次元鎖内のフェリ磁性状態が鎖間の反強磁性相関にラトーを含めた飽和に及ぶ全磁化過程を観測することができた。これは、ミックス型スピン鎖において予想されているLieb-Mattisプラトーの初めての観測例となった。
インセットは磁化の磁場微分dM/dBとなっており、プラトーからの立ち上がり部分の特徴が反映されている。
基底状態はフェリ磁性状態であるが、 1 次元性が反映されるために、量子物性として考える必要がある。分子軌道計算の結果が示すように、結晶構造の対称性を考慮すると、実際のスピン鎖は磁気相関が交替（ボンド交替）していると考えられる。そこで、均一型（J = J’）と交替

図 6 ：フェルダジル系塩（4-Br-o-MePy-V）
FeCl4が形成する磁気モデルのLieb-Mattisフェリ磁性状態の概略図

型（J > J’）の 2 つのタイプに分けて考える。それぞれのプラトー領域での模式的な量子状態（いわゆるvalence-

図 5 ：フェルダジル系塩（4-Br-o-MePy-V）FeCl4の磁化曲線。
インセットはその磁場微分。破線は量子モンテカルロ
法による計算値。

図 7 ：フェルダジル系塩（4-Br-o-MePy-V）
FeCl4の0.1 Tにおける磁化率χ。インセットは磁化率と温度の積χT。
実線は量子モンテカルロ法による計算値。

― 77 ―

よって結合することで、系全体として反強磁性状態にいては、磁性アニオンと組み合わせた（4-Br-o-MePy-V）

なっていることを意味している。図 7 のインセットは対FeCl4において、 1 次元フェリ磁性状態を実現すること応する磁化率と温度の積となっている。25 K付近に極に成功した4,5）。Lieb-Mattisプラトーの初めての観測例

小値が観測されており、これはフェリ磁性鎖で予想されとなり、量子物性研究としても重要な研究成果となった。

る特徴となっている。高温側からの減少は反強磁性相関
5 ．謝辞

による合成スピンの形成に起因した振る舞いで、極小値からの増加は 1 次元鎖内のフェリ的な状態の形成による本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団のご支増加として理解することができる。実際に、磁化曲線の援を賜り進めることができました。深く感謝申し上げま場合と同様な量子モンテカルロ法による計算結果は、極す。

小値をよく再現している。温度低下に伴う実験結果との6 ．参考文献

違いは、鎖間磁気相関の影響を示唆している。

1）仲野希一4 ．まとめ大阪府立大学2020年度卒業論文

2）E. Lieb, D. Mattis, J. Math. Phys. 3（1962）749-751.

本研究では、室温有機磁石の実現に向けたフェルダジ
ルラジカルによる磁気相関の設計に取り組んだ。フェル3）M. Oshikawa, M. Yamamoto, I. Affleck, Phys. Rev.
Lett. 78（1997）1984-1987.

ダジルモノラジカル系としては、新しいパターンのハロ4 ）H. Yamaguchi, T. Okita, Y. Iwasaki, Y. Kono, N.

ゲン元素置換に取り組み、合成スキーム最適化および単Uemoto, Y. Hosokoshi, T. Kida, T. Kawakami, A.

結晶獲得に成功した。2-Br-4-Cl-Vにおいては、詳細な構

Matsuo, M. Hagiwara, Sci. Rep. 10（2020）9193.

造および物性の知見を得ることができ、 2 次元三角格子5 ）H. Yamaguchi, Y. Iwasaki, Y. Kono, T. Okita, A.

が積層した磁気モデルであることを明らかにした 。

Matsuo, M. Hagiwara, Y. Hosokoshi, Phys. Rev. B

フェルダジルラジカルをカチオン化したラジカル塩にお102（2020）060408（R）

1）― 78 ―

申請者

北海道大学（現 東京工業大学） 相良

剛光

エネルギー移動機構を組み込んだ超分子メカノフォアの開発
東京工業大学1 ．はじめに

物質理工学院材料系

相良剛光

光される。しかし、力が印加されて環状分子が軸分子上

近年、機械的刺激に応じて小分子の放出、触媒作用、をスライドすると、蛍光団が消光団から離れ、蛍光On

吸収・発光特性変化等のアウトプットを示すメカノフォ状態となる。この蛍光強度変化は瞬時かつ可逆であり、アと呼ばれる分子骨格が盛んに研究されている 。特にこのロタキサン型超分子メカノフォアを導入したポリウ

蛍光特性が変化するメカノフォアは、蛍光特性変化が鋭レタンは、溶媒キャスト法により製膜した後にdog-bone

敏に検出できるため、ポリマーなどに導入すれば、ポリ型に切り抜いて伸縮すると、蛍光色のOn/Offスイッチ

マーが受けたダメージや力を可視化・定量評価できるとが観察される。さらに、ロタキサンの環状分子に導入し考えられる。これまでに報告されてきたメカノフォアのた蛍光団を別の蛍光団に変更するだけで、多様な蛍光色

大半は、吸収・発光特性変化を引き起こすために共有結のOn/Offスイッチが達成できることも明らかとした4）。

合を切断する必要があった。一方で、共有結合を切断す

しかし、π共役部位を拡張したBODIPY誘導体を赤色蛍る必要のないメカノフォアも複数例報告され始めてお光団として導入した超分子メカノフォアでは、導入したり、弱い力でactivationでき、良好な可逆性があり、比ポリウレタンエラストマーから力を印加していない状態

較的分子設計指針が立てやすいといった利点が存在し、でも無視できない強度の赤色蛍光が観察された5）。これ

アプリケーションによってはこのタイプのメカノフォア

は、用いた蛍光団と消光団の間の会合定数が低いためでが有利である。

ある。

1,2）

我々の研究グループは、超分子化学の分野で長年研究
2 ．研究の目的されてきたロタキサンのインターロック構造に着目し、ロタキサン型超分子メカノフォアを開発した 。このロ

そこで本研究では、蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）

タキサンは蛍光団を持つ環状分子と、消光団と嵩高いス機構を導入したロタキサン型超分子メカノフォアを創製

トッパー部位を持つ軸分子で構成される（図 1 ）。初期状

し、明らかに赤色蛍光の強度が変化するロタキサン型超態では消光団近傍に蛍光団が存在し、蛍光が効率よく消分子メカノフォアの開発を目指した。本研究で開発する

3）

FRET機構を導入したロタキサン型超分子メカノフォアの動作原理を図 2 に示す。ロタキサンを形成する環状分子に電子豊富な緑色蛍光団を導入し、さらにリンカーを介して赤色蛍光団が導入されている。初期状態では図 1と同様に、電子不足な消光団が環状分子に包接され、緑色蛍光を励起光により選択的に励起しても、赤色蛍光団へのFRETが起きる前に消光団と電荷移動錯体の形成が起き、蛍光は観察されない。しかし、いったん機械的刺激が導入されたポリマーを介してメカノフォアに伝達されると、環状分子がスライドして緑色蛍光団が消光団か
図 1 ．先行研究のロタキサン型メカノフォアの動作機構

ら離れる。この場合、電荷移動錯体は形成されない。そ― 79 ―

図 3 ．二つの蛍光団を導入した環状分子
図 2 ．FRET機構を組み込んだロタキサン型超分子メカノ
フォアの動作機構

そこで、図 2 に示した動作機構に基づいて設計したロタキサンAnt-BProt（図 4 ）を設計・合成した。このロタのため、励起された緑色蛍光団から赤色蛍光団に効率のキサンでは、消光団としてナフタレンジイミドを用い、良いFRETが起き、赤色の蛍光が観察されるようになる。

ストッパー部位として、ロタキサンの研究分野で汎用されているテトラフェニルメタン骨格を用いた。さらに、

3 ．実験結果・考察

ポリマーに共有結合を介して導入するために、赤色蛍光

まず、ドナー、およびアクセプターとなる分子骨格

団と一つのストッパー部位に水酸基を一つずつ導入しの選定、およびプロトタイプのロタキサンの合成と機能た。溶液中で、このロタキサンからは、480 nm の励起評価を行った。FRETを誘起するためのドナーとアクセ

光を照射しても赤色蛍光がほぼ観察されなかった。これ

プ タ ー の ペ ア と し て は、 緑 色 蛍 光 団 で あ る9,10-bisは、図 2 に示した機械的刺激を印加しない前の消光機構（phenylethynyl）
anthraceneをドナー、赤色蛍光団としがきちんと働いていることを意味している。その後、こてπ共役を拡張したBODIPY誘導体をアクセプターとしれまでに報告したロタキサン型超分子メカノフォア同て選定した。この蛍光団の組み合わせでは、励起光とし様、その刺激応答特性をポリウレタンに導入して評価して480 nm の 励 起 光 を 用 い れ ば、π 共 役 を 拡 張 し たた。ロタキサンAnt-BProtを導入したポリウレタンAnt-

BODIPY誘導体がほぼ吸収をその波長に持たないため、

BProt-PUは、ポリテトラヒドロフラン（Mn＝約2,000）、

ある程度選択的に緑色蛍光団のみを励起できる。まずは

1,4-ブタンジオール,4,4´-メチレンビス（フェニルイソ図 3 に示す二つの蛍光団を短いアルキル鎖で連結した構シアナート）（MDI）との重付加反応によって得られた。

造を環状構造に導入した分子を合成したところ、予想通得られたポリウレタンを溶媒キャスト法により製膜する

り、溶液中において緑色蛍光団から赤色蛍光団への効率と、得られたフィルムは初期状態において緑色蛍光は観のよいFRETが観察された。

察されず赤色蛍光のみが観察され、フィルム中でも効率

図 4 ．FRET機構を導入したロタキサン型超分子メカノフォア（左）と導入したポリウレタンフィルムが示す蛍光特性変化（右）― 80 ―

の良いエネルギー移動が緑色蛍光団と赤色蛍光団の間でに導入したり等、様々なアプローチを試みた（図 5 ）。そ起きていることがわかった。その一方で、残念ながら力して、得られた各種ロタキサンをポリウレタンに共有結を印加していない初期状態でも強い赤色蛍光が観察さ合を介して導入してその評価を行った。しかし、これられ、延伸による大きな赤色蛍光強度変化が達成できないのロタキサンが導入されたポリウレタンを製膜したとこという知見が得られた（図 4 右）。これは、初期状態におろ、多少の蛍光強度変化はあったものの、いずれの場合

いて環状分子が蛍光団から離れてしまったロタキサンのにおいても図 4 で観察されたように初期状態から強い赤

量が多く、その蛍光強度が強すぎるためである。これは、色蛍光が観察された。これらの結果から、ロタキサンをポリマー中で赤色蛍光団と緑色蛍光団がπスタックなど

ポリウレタンに導入すると、ポリマー鎖とのナノ相分離

により相互作用することで、環状構造と消光団の会合定が起きてしまい、ロタキサンのπ共役部位が分子構造に数が低下したことが原因である。

よらず互いにスタックした構造を形成し、その結果、環

そこで、上述した実験結果を踏まえ、分子構造を変更した様々なロタキサン型超分子メカノフォアを設計・合状分子と消光団の会合定数が低下し、初期状態で赤色蛍光が観察されたと考察した。

成した。分子構造改変の例としては、二つの蛍光団間のそこで、ロタキサン型超分子メカノフォアを導入する

リンカーの長さ・柔軟性・極性を変更したり、ポリウレ

ポリマーをポリウレタンではなく、ポリウレタンウレア

タン主鎖の構造を導入したり、赤色蛍光団をストッパーに変更した。ポリウレタンウレアは親水性モノマーを用

図 5 ．分子構造を改変したFRET機構を導入したロタキサン型超分子メカノフォアの例― 81 ―

いると、水に浸漬することで膨潤し、数百％の延伸率ま団の会合定数が上昇し、FRETが抑えられたことが原因

で延伸できるヒドロゲルとなることが報告されていであると考えられる。

る6,7）。
4 ．まとめ

まず、最初に設計・合成したAnt-BProtを共有結合を介してポリウレタンウレアに導入した。このポリウレタ

以上本研究では、FRET機構を導入したロタキサン型

ンウレアはメタノールに溶解し、そのメタノール溶液を超分子メカノフォアを開発することに成功した。さらに、用いて溶媒キャスト法により製膜すると、初期状態ではポリウレタンウレアの主鎖に共有結合を介して導入し、ポリウレタンと同様、ある程度の赤色蛍光強度が観察さ得られたフィルムをハイドロゲルとすることで、伸縮にれた（図 6 上）。しかし、50％程度の水を吸収し、ヒドロ応じて赤色蛍光強度が大きく変化することが明らかにゲルとなると、初期状態での蛍光強度を大幅に抑えるこなった。FRET機構が活用できることが明らかとなったとができ、伸縮に応じて大きくその蛍光強度を変化させことにより、今後、ロタキサンに導入できる蛍光団の選ることが分かった（図 6 下）。これは、より親水的な環境

択肢が増えることになる。また、水が多く含まれるヒドとなることで、緑色蛍光団が導入された環状分子と消光

ロゲル中においてもロタキサン型超分子メカノフォアが機能することを確認できた意義は大きく、今後生体材料などへの適用を考えた際には非常に重要なマイルストーンとなる。また、本研究課題で得られた研究成果に関する投稿論文を現在作成中である。
5 ．謝辞
本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団からの助成金の支援を得て行われた。財団関係者、並びに選考委員の先生方に篤く御礼申し上げる。
6 ．参考文献1 ）Y. Chen, G. Mellot, D. van Luijk, C. Creton, R. P.
Sijbesma, Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 4100−4140.
2）
H. Traeger, D. J. Kiebala, C. Weder, S. Schrettl,
Macromol. Rapid Commun. 2021, 2000573
3 ）Y. Sagara, M. Karman, E. Verde-Sesto, K. Matsuo, Y.
Kim, N. Tamaoki, C. Weder, J. Am. Chem. Soc.
2018, 140, 1584−1587.
4 ）Y. Sagara, M. Karman, A. Seki, M. Pannipara, N.
Tamaoki, C. Weder, ACS Cent. Sci. 2019, 5, 874−
881.
5）
T. Muramatsu, Y. Sagara, H. Traeger, N. Tamaoki,
C. Weder, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11,24571−24576.
6 ）N . Yang, H. Yang, Z. Shao, M. Guo, Macromol.
Rapid Commun. 2017, 38, 1700275.

図 6 ．Ant-BProtを導入したポリウレタンウレアフィルムが含水前（上）、含水後（下）に示す蛍光強度変化7 ）B.-H. Cao, W. Chen, W.-Y. Wei, Y.-L. Chen, Y. Yuan,― 82 ―

Chin. J. Polym. Sci. 2021, 39, 1403−1411.

申請者

千葉大学

吉田

和弘

有機系新素材の開発：芳香環直接構築法の利用
千葉大学

1 ．緒言

大学院理学研究院

吉田和弘

きた（entry 8）。次に、反応時間を4 hから24 h、48 hとチオフェン環を含む縮合多環芳香族化合物には、優れ延ばしてみたところ、中間体である3aの収率が徐々にた半導体特性を持つものが多い。そのため、この種の化低下し、2aの収率が22%、49%と次第に向上してくるこ

合物の効率的な合成法が求められている。半世紀以上前とが分かった（entries 9-10）。ここで、反応をさらに加に、Dayagiらによって、1,1-ジフェニルエチレン1aに対速する目的で、ヨウ素の添加量をさらに 4 等量に増やししてS8硫黄を反応させることで隣接するベンゼン環と二て、24 hで反応を行ったところ、36%収率の3aと共に、重結合を硫黄で繋いだ四環性化合物2aが合成できるこ

2aが52%収率で得られてきた（entry 11）。なお、この条とが報告されている1）。本反応は、 4 箇所ものC-H結合

件下での副生成物に関してであるが、1aの還元生成物を一挙にC-S結合に置き換えることで、［ 1 ］ベンゾチオである4aと二量化生成物である5aが、それぞれ 6 %収率、

フェノ［2,3-b］［ 1 ］ベンゾチオフェン（BTBT）誘導体

3 %収率で副生してきた。2aの収率をさらに向上させよを得るという大変ポテンシャルの高い反応であるが、無うとして、反応時間をさらに48 hに延ばしたり（entry

溶媒、240度というかなり過酷な条件下で実施されてい12）、ヨウ素の添加量をさらに増やしたり（entries 13-

るためか、
報告後、
これまで特に注目されることはなかっ14）、硫黄の添加量を増やす検討も行ってみたが（entry

た。我々は、本反応をより魅力的なものにすべく、新た

15）、帰属困難な化合物の副生が深刻となった。複雑なな反応条件を探索した。結果的には、単体ヨウ素を添加

分子間反応が進行したことによるものと考えている。

剤として加えることで反応をより温和な条件下で実施で次に、3aが最高の収率で得られた表 1 のentry 4の条

きることを明らかにすることができたので、以下、その件をconditions A、2aが最高の収率で得られたentry 11

成果を報告する。

の条件をconditions Bとして、2aと3aの誘導体の合成を試みた（表 2 ）。まず、4 位にメチル基を導入した基質1b2 ．結果と考察

に対して、conditions Aで反応を行ったところ、35%収

まずはじめに、トルエン溶媒中、1aと 4 当量のS8を還率の3bと共に、 6 %の2bが得られた（entry 3）。また、

流条件下、4 h反応させてみた。しかしながら、期待しconditions Bで反応を行ったところ、3bは生成せず、2bていた2aは全く生成しなかった（表1, entry 1）。そこでが28%の収率で生成してきた（entry 4）。 4 位にt-ブチル

次に、いくつかの添加剤の効果を確認してみた（entries基を導入した基質1cを用いた場合にも同様の結果が得

2-4）。結果、1 等量のヨウ素を添加剤として用いた際に、られた（entries 5-6）。一方、 4 位にメトキシ基を導入し効果が認められ、2aの前駆体であるフェニルベンゾチ

た基質1dでは、副生成物の生成が深刻化し、目的物のオフェン3aが高い収率で生成してくることが分かった

収率が低下した（entries 7-8）。また、 4 位に電子吸引性（entry 4）。ここで、他の溶媒をいくつか検討してみたが、置換基であるフルオロ基を導入した基質1eの場合は、トルエンを溶媒として用いた場合を上回る成果は得られ比較的良好な収率で目的物を得ることができた（entries

なかった（entries 4 vs. 5-7）
。次に、トルエンを溶媒と

2）
9-10）
。

して、ヨウ素の添加量を 2 等量に増やしてみた。その結以上のように、我々はヨウ素を利用することで 1 から果、3aと共に、目的としていた2aが11%収率で得られて2 を得る反応がトルエン溶媒中、還流下で実施できるこ― 83 ―

表 1 ．反応条件の最適化aadditive（equiv）

solventtime（h）

yield of 2a（%）bbyield of 3a（%）

4

none

toluene

4

0

0

4

CuI（1）

toluene

4

0

0

3

4

AlCl3（1）toluene

4

0

0

4c

4

I2（1）

toluene

4

0

82

5

4

I2（1）

THF

4

0

0

6

4

I2（1）

CHCl3

4

0

37

entry

S8（equiv）

1
2

7

4

I2（1）

DMF

4

0

40

8

4

I2（2）

toluene

4

11

66

9

4

I2（2）

toluene

24

22

53

10

4

I2（2）

toluene

48

49

17

11d

4

I2（4）

toluene

24

52

36

12

4

I2（4）

toluene

48

22

0

13

4

I2（5）

toluene

24

35

0

14

4

I2（6）

toluene

24

33

0

15

8

I2（4）

toluene24

41

0

The reaction was carried out with 1a, S8（4 or 8 equiv）, and additive（ 1 –6 equiv）in solvent at refluxing temperature for
4–48 h under nitrogen. b The yield was determined by 1H NMR analysis of the crude mixture using 1,4-bis（trimethylsilyl）
benzene as the internal standard. c 4a（13% yield）was formed as the side product. d 4a（ 6 % yield）and 5a（ 3 % yield）were
formed as the side products.
a

表 2 ．基質適用範囲aentry

substrateR

conditions

yield of 2（%）bbyield of 3（%）

1

1a

H

A

0

82

B

52

36

1b

4-Me

A

6

35

B

28

0

1c

4-tBu

A

3

70

B

24

0

A

9

20

B

17

0

A

0

58

B

38

33

2
3
4
5
6
7

1d

4-MeO

8
9
10

1e

4-F

The reaction was carried out with 1, S8（4 equiv）, and I2（1 or 4 equiv）in toluene at refluxing temperature for 4 or 24 h（trimethylsilyl）
benzene asunder nitrogen. b The yield was determined by 1H NMR analysis of the crude mixture using 1,4-bis
the internal standard.

a― 84 ―

表 3 ．反応条件の最適化a,btime（h）

yield of 2a（%）

4

24

46

0.3

4

24

40

0.2

4

24

53

entry

S8（equiv）

I2（equiv）

1

4

2
3

additive

4

0.125

4

24

44

5

0.2

1

24

2

6

0.2

7

24

74

7

0.2

10

24

50

8

0.2

7

6

32

9

0.2

7

48

79

10

0.2

7

72

67

11

0.2

7

K2CO3

24

59

12

0.2

7

Et3N

24

58

13

0.2

7

p-TsOH

24

67

The reaction was carried out with 3-phenylbenzo［b］thiophene（3a）, S8（0.125–4 equiv）, I2（ 1 –10 equiv）, and additive（1equiv）in toluene at 110 °C for 6–72 h. b The yield was determined by 1H NMR analysis of the crude mixture using 1,4-bis（trimethylsilyl）
benzene as the internal standard.
aとを見出した。しかし、この反応では、目的物である 2に低減してみたところ、2aの収率はわずか 2 %となったの他に中間体と考えられるフェニルベンゾチオフェン 3（entry 5）。一方、ヨウ素の添加量を 7 等量まで増やすと、や還元生成物 4 、二量化生成物 5 の副生も無視できない

2aの収率は74%に向上した（entry 6）。さらに、ヨウ素ことが分かった。そして、これらの副生成物を含む混合の添加量を10等量まで増やしたところ、BTBTの収率は物から極性の似通った目的のBTBT 2をシリカゲルクロ

若干低下した（entry 7）。次に、分子硫黄の量を0.2等量、マトグラフィーによって分離する作業は困難であった。

ヨウ素の量を 7 等量に固定して、反応時間の検討を行っ

そこで次に我々は、3-ブロモベンゾ［b］チオフェン誘

た（entries 6 vs.8-10）。反応時間が24 時間よりも短いと、導体とアリールボロン酸のクロスカップリン反応によっコンバージョンが悪く（entry 8）、一方で、72 時間のよて別途調製した3-アリールベンゾチオフェン誘導体 3 をうに長時間になると、クルードのNMRでブロードニン

出発原料にすることで、この手の分離の煩わしい副生成

グした帰属できない化合物の副生が深刻になる様子が観物が生じない新たなBTBT 2の合成法を開発することに察された（entry 10）。結果として、48 時間程度が好ました。

しい反応時間ということが分かった（entry 9）。最後に、まずはじめに、以前に我々が見出した1aから2aを得副生するヨウ化水素の捕捉を意図して炭酸カリウムやトる反応条件下で、3aから2aへの変換を実施してみた（表3,

リエチルアミンの添加を行ってみたが、特に有意義なentry 1）
。結果は、46%の収率で2aが得られ、この際、データは得られなかった（entries 11-12）。また、逆に、当然ではあるが、4aや5aの副生は観察されなかった。

反応の加速効果を期待して、パラトルエンスルホン酸の次 に、 分 子 硫 黄 の 添 加 量 を 低 減 す る 試 み を 行 っ た

添加も実施してみたが、こちらも特に有意義な結果には（entries 2-4）
。その結果、硫黄の添加量は 4 当量から0.2

結びつかなかった（entry 13）

当量まで低減しても全く問題ないことが分かった。一方、次に、表 1 のentry 9の反応条件をベースにして、様々

ヨウ素の添加量は反応の成否にとても重要な影響を与えなアリールベンゾチオフェン誘導体 3 に対して同反応をることが分かった。ヨウ素の添加量を 4 等量から 1 等量適用した（表 4 ）。

― 85 ―

表 4 ．基質適用範囲a,ba The reaction was carried out with 3-phenylbenzo［b］thiophene（3a）, S8, and I2 in toluene at 110 °C. b The yield was（trimethylsilyl）
benzene as the internal standard.
determined by 1H NMR analysis of the crude mixture using 1,4-bis

3 の 3 位にパラトリル基、パラエチルフェニル基、ビ

半世紀前に報告されている本反応は、無溶媒、240度とフェニル基を導入してみたところ、問題なく対応する目

いう過酷な条件下で実施されていたが、今回我々は単体

的物2b-dが得られてくることが分かった。またアリール

ヨウ素を添加することによって本反応をトルエン溶媒

基として電子リッチなキシリル基を導入した際も、良好

中、還流温度条件下で実施することに成功した。また、な収率で目的物2fが得られてくることが分かった。一方、

我々はさらに本反応を改良し、分離困難な副生成物を伴

電子不足なパラクロロフェニル基をもつ基質の反応性はわないより実用的な合成法を開発することにも成功し低く、目的物2eの収率は低調であった。また、分子内た。現在、本反応をさらに改良した一般性の高い合成法

で立体障害の問題が生じてしまう生成物 2 gの収率も低の開発研究に取り組んでいる。

調であった。一方、ベンゾチオフェン骨格の 5 位にメチ
ル基、クロロ基、4-フルオロフェニル基なども導入して謝辞
本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りまし

みたが、この場合は問題なく反応が進行し、目的物2h-k

た公益財団法人松籟科学技術振興財団に心より御礼申し

がいずれも良好な収率で得られてきた。

上げます。また、本研究の共同研究者の皆様に心より感
3 ．まとめ

謝申し上げます。

以上、我々は1,1-ジアリールエテンと分子硫黄を反応させてBTBT誘導体を得る反応に関する研究を行った。

― 86 ―

参考文献
1）
S. Dayagi, I. Goldberg, U. Shmueli, Tetrahedron
1970, 26, 411-419, and references cited therein.
2）
S. Sakai, K. Sato, K. Yoshida, Tetrahedron Letters
2020, 61, 151476.

― 87 ―

申請者

京都工芸繊維大学田中知成

糖鎖高分子のワンポット化学-酵素合成法の開発
京都工芸繊維大学 繊維学系

田中

1 ．緒言

知成

有機合成法によって合成することが必要である。筆者ら

糖鎖高分子は、合成高分子を主鎖とし、その側鎖に複は以前、水溶性脱水縮合剤4-（4,6-ジメトキシ-1,3,5-トリ数の糖分子を結合した構造の機能性高分子として、バイ

アジン-2-イル）-4-メチルモルホリニウムクロリド（DMT-

オマテリアルやメディカル材料などさまざまな分野でのMM）を用いることで、無保護糖から新規な糖誘導体4,6-

利用が期待され、研究開発が進められている。糖鎖高分

ジメトキシ-1,3,5-トリアジン-2-イルグリコシド（DMT糖）

子では、高分子主鎖の周りに多数の糖分子が高密度に集を水中で一段階合成し、得られるDMT糖が糖加水分解

まることで多価（クラスター）となり、糖一分子の場合に酵素を触媒とするグリコシル化反応の糖供与体基質に適比べて糖結合性タンパク質（レクチン）
やウイルス、毒素していることを見い出した。本研究では、DMT糖の合などとの結合が強くなることが特徴である。これは“糖成およびDMT糖を基質とした糖加水分解酵素によるグクラスター効果”と呼ばれている。

リコシル化反応を基盤として、糖鎖高分子を無保護糖か糖鎖高分子の典型的な合成経路は、糖担持モノマーをら水中かつワンポットで合成することを目指した（図重合する方法（糖担持モノマー重合法）と、あらかじめ合1）。具体的には、無保護糖を原料にDMT糖を合成した

成した高分子主鎖に別途合成した糖誘導体を付加する方

後、糖加水分解酵素を用いたグリコシル化反応によって法（重合後修飾法）の 2 通りに大別される。いずれの方法

糖担持モノマーを合成、得られた糖担持モノマーをラジにおいても、糖担持モノマーおよび糖誘導体の合成は、カル重合することで、目的の糖鎖高分子を合成する。こ糖のヒドロキシ基の保護・脱保護を含む多段階の反応がれら 3 つの反応はいずれも水溶液中での反応であるた必要となることが一般的であり、簡便な糖鎖子分子合成

め、各生成物を単離精製することなくワンポットで行う法は少ないのが現状である。
これまで重合後修飾法では、アミノ基を有するグルコサミンの利用や糖ラクトン誘導体を用いる方法などによる糖鎖高分子のワンポット合成
がいくつか報告されているが、糖担持モノマー合成法によって無保護糖から糖鎖高分子をワンポット合成した例
は、筆者らの知る限り報告されていなかった。
糖加水分解酵素を触媒とするグリコシル化反応は、酵
素と基質が比較的安定で取り扱いが容易なため、さまざ
まなオリゴ糖や糖誘導体の合成で工業的にも利用されている。糖加水分解酵素を触媒とするグリコシル化反応では、反応を効率的に進行させるため、p-ニトロフェニル
グリコシド（pNP糖）などの活性化された糖供与体基質を利用する場合が多い。フッ化糖や糖オキサゾリン誘導体も同様に有効な活性化基質として知られているが、いずれの基質もヒドロキシ基の保護・脱保護を含む多段階の― 88 ―

図 1 ．糖鎖高分子の水中ワンポット合成.

ことが可能と考えた。糖加水分解酵素を用いたグリコシ

最大収率はそれぞれ11%および10%となった（図4a, b）。

ル化反応に利用される一般的な糖供与体であるpNP糖やDMT-Galの消失後、1aは酵素加水分解によって加水分

フッ化糖は、有機溶媒中での多段階の化学合成が必要で解され、徐々に減少した。リン酸緩衝液（pH 6.0）中であるため、上記のような本研究で行うワンポット合成はMeCN未 添 加 ま た は10vol% MeCNを 添 加 し て 反 応 を不可能である。

行った場合、1aの最大収率はいずれの場合も最大19%となった（図4c, d）。10vol%のMeCNを添加した場合には、

2 ．実験と結果

MeCNの添加により酵素活性が低下し、1aの加水分解がD-ガラクトース（Gal）を原料とする糖鎖高分子のワン抑えられたと考えられる20vol%のMeCNを添加した場

ポット合成スキームを図 2 に示した。2,6-ルチジン存在合には反応の進行が遅くなり、24時間で収率17％となっ

下、GalとDMT-MMを水中で反応することで4,6-ジメト

た（図4e）。HEAAmを 3 当量に減らして反応すると、1aキシ-1,3,5-トリアジン-2-イル-β-D-ガラクトピラノシドの 収 率 は 8 %と な っ た（ 図4f）。 こ れ ら の 結 果 よ り、

（DMT-Gal）を合成した。ワンポット合成を行う前に、

DMT-Galを基質としたβ-ガラクトシダーゼによる糖担単離したDMT-Galを用いて、糖担持モノマーの酵素合持モノマー合成は、pHを酵素の至適4.5から少しずらし成条件の最適化を行った。Aspergillus oryzae由来β-ガ

たpH 6で10vol%のMeCNを添加する条件が最適である

ラ ク ト シ ダ ー ゼ を 触 媒 に 用 い て、30℃ の 緩 衝 液 中 でと判断した。生成物1aを分取HPLCで単離し、NMRでDMT-GalとN（2-ヒ ド ロ キ シ エ チ ル ）ア ク リ ル ア ミ ド

分析したところ、ビニル基とGalに由来するシグナルが（HEAAm）
を反応し、糖担持モノマー1aの合成を行った。

各々、6.2〜5.7ppmおよび4.3〜3.4ppmに確認できたこと

HPLC分析の結果、DMT-Galの減少に伴い、目的化合物などから、目的の生成物であることを確認した（図5a）。

1aの増加を確認した（図3a）。酢酸緩衝液（pH 5.0）中で同 様 に、N（2-ヒ ド ロ キ シ エ チ ル ）メ タ ク リ ル ア ミ ド

10vol%または20vol%のアセトニトリル（MeCN）を添加（HEMAAm）、2-ヒドロキシエチルアクリレート（HEA）、

し、 5 当量のHEAAmを用いて反応を行った場合、1aの2-ヒドロキシエチルメタクリレート（HEMA）を 5 当量用

図 2 ．無保護ガラクトースを原料とする糖鎖高分子のワンポット合成― 89 ―

図 3 ．糖担持モノマー（（a）1a,（b）1b）合成の反応溶液のHPLCチャート.

モノマー合成、ラジカル重合を、各反応で生じる生成物を単離することなく次の反応に供することで、無保護糖
からワンポットでの糖鎖高分子合成を行った（図 2 ）。
Galを 原 料 にDMT-MMを 使 用 し て、 室 温、 水 中 でDMT-Galを合成した。DMT-Gal は60%の収率で生成した。続いて、DMT-Galを含む反応溶液をリン酸緩衝液（pH6）で所定濃度になるよう希釈し、β-ガラクトシダーゼと 5 当量のHEAAm、10vol%となるようにMeCNを加えた後、30℃で16時間インキュベートした。この時、1aが収率13%（DMT-Gal基準）で得られた。DMT-Gal合成に使用する2,6-ルチジンや過剰に使用するDMT-MMからの副生成物が酵素反応溶液に含まれるため、ワンポット
プロセスでの1aの収率は、単離したDMT-Galを用いた
酵素反応時の収率19%に対してやや低下した。次に、以降の工程中で酵素が働いてGalが加水分解されないよう、
糖担持モノマー1aを含む酵素反応溶液を85℃で 5 分加熱処理して酵素を失活させた後、水溶性ラジカル開始剤
図 4 ．DMT-Galおよびβ–ガラクトシダーゼによる糖担持モ
ノマー1a合成の経時変化. ●収率、▲ DMT-Gal濃度.
（a）pH 5.0, MeCN 10%,（b）pH 5.0, MeCN 20%,（c）pH 6.0, MeCN 0%,（d）pH 6.0, MeCN 10%,（e）pH 6.0,
MeCN 20%,（f）pH 6.0, MeCN 10%.（a–e）HEAAm：
5当量,（f）HEAAm：3当量.

2,2’-アゾビス［2（2-イミダゾリン-2-イル）プロパン］二いて、pH 6、10vol%のMeCN添加の条件で酵素反応を生成し、透析により精製した。 1H NMR分析によって、行った場合、各々、25%、11%、11%の収率で対応する

高分子主鎖骨格とGalのシグナルを各々、2.2〜1.3 ppm

糖担持モノマー1b−dが合成できることを確認した（図と4.3〜3.4 ppmに確認した（図5b）。同様に、無保護の

3b）。

Galを出発物質として糖担持モノマー1bを経由する糖鎖

塩酸塩（VA-044）を添加し、減圧下、44℃で 2 時間、ラジカル重合を行った。反応系中に存在する1aおよび酵
素反応時に過剰に加えたため残存しているHEAAmのランダム共重合体生成物として、目的の糖鎖高分子2aがこれらβ-ガラクトシダーゼを用いる酵素反応による

高分子2bのワンポット合成にも成功した。ワンポット

糖担持モノマー1aおよび1b合成の良好な結果を基に、合成により得られた糖鎖高分子2aおよび2bの解析結果

無保護Galからの糖鎖高分子のワンポット合成を試みた。

を 表 1 に 示 し た。 糖 鎖 高 分 子2aお よ び2bの 総 収 率 はすなわち 3 つの反応、DMT-Gal合成、酵素触媒糖担持

各々、41%および49%となり、糖鎖高分子中の糖担持ユ― 90 ―

図 5 ．（a）糖担持モノマー1a、（b）
糖鎖高分子2aの1H NMRスペクトル in D2O
表 1 ．ワンポット合成した糖鎖高分子（表 1 ）。

糖鎖高分子

収率 / %aMn /g mol-1 b

Mw/Mnb

糖導入率 / %c

2a

41

85600

5.3

6.4

2b

49

25600

2.2

4.1

Arachis hypogaea由来レクチン（PNA）を用いてリン酸生

4

60

71500

4.9

2.2

理食塩緩衝液中で評価した。糖鎖高分子溶液にフルオレ

最後に、ワンポット合成した糖鎖高分子2aおよび2bのレクチン結合試験を行った。Galに特異的に結合する

糖鎖高分子の全収率 b GPC結果から算出
c 1
H NMR結果から算出した糖ユニット割合

セインイソチオシアネート（FITC）標識PNAを添加する

ニット含有率は、6.4%および4.1%であった。

成し、溶液中の蛍光強度が大きく変化した（図 7 ）。一方、

aと、糖鎖高分子とレクチンの結合によって凝集沈殿が生

このワンポット合成法が他の無保護糖にも適用可能で

FITC標識ウシ血清アルブミン（BSA）を添加した場合にあることを示すため、ラクトース（Lac）への適用を試み

は、蛍光強度の変化はわずかであった。また、糖鎖高分た（図 6 ）。 Galの場合と同様に、DMT-MMとの反応に子中のGal濃度と同濃度となるよう無保護Galを調製してよ るDMT-Lac合 成、 続 い てTrichoderma reesei由 来 セ

FITC標識PNAと混合しても、蛍光強度の変化はわずか

ルラーゼを触媒とする糖担持モノマー 3 の合成、最後にであった。さらに、糖鎖高分子と無保護Galの両方をラジカル重合をワンポットで連続的に行い、Lacが側鎖

FITC標識PNA溶液に添加した場合には、糖鎖高分子のに担持された糖鎖高分子 4 を合成することに成功したみを添加した場合と同様に、蛍光強度の変化が確認でき― 91 ―

図 6 ．無保護ラクトースを原料とする糖鎖高分子のワンポット合成た。これらの結果より、本研究にて無保護糖からワンポット合成した糖鎖高分子は、糖鎖高分子中で複数の糖分子による多価効果によって、レクチンと強く特異的に結合する糖クラスター効果を有することが示された。
3 ．結言
本研究では、化学-酵素プロセスによって糖鎖高分子
を無保護糖からワンポットで合成することに成功した。
無保護糖のGalおよびLacから合成したDMT糖を酵素反応の基質として用い、糖加水分解酵素によって合成された糖担持モノマーを単離することなく重合反応に供することで、目的の糖鎖高分子をワンポット合成することができた。このワンポット合成は、中間化合物を一切、単離することなく実施でき、さらに全工程を水溶液中で行うことが特徴である。また、このワンポット合成により得られた糖鎖高分子は、対応するレクチンと強く特異的に結合する糖クラスター効果を有することを確認した。
今後、この糖鎖高分子のワンポット合成法が、より多くの種類の糖に適用され、簡便に糖鎖高分子を合成するた
図 7 ．糖鎖高分子（a）2a、（b）2bのレクチン結合評価

めのツールとして、糖質マテリアル分野の発展に貢献することを期待する。

― 92 ―

学会発表

謝辞

1 ．○松浦彩音, 田中知成, 糖トリアジン誘導体を糖供与

本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団の支援体とした糖担持モノマーの酵素合成, 第68回高分子を受けて行った。ここに感謝の意を表します。

討論会, 福井大学文京キャンパス, 2019/ 9 /25-27.
研究成果発表

2 ．○Ayane Matsuura, Tomonari Tanaka, One-pot

論文

chemo-enzymatic synthesis of glycopolymers via a

1 ．Tomonari Tanaka*, Ayane Matsuura, Yuji Aso,

dimethoxy triazinyl glycoside, 5 th International

Hitomi Ohara, One-pot chemoenzymatic synthesis

Symposium on Advances in Sustainable Polymersof glycopolymers from unprotected sugars via（ASP-19）,Kyoto, Japan, 2019/10/15–18.

glycosidase-catalysed glycosylation using triazinyl

3 ．○田中知成, 松浦彩音, 糖トリアジン誘導体を用いた

glycosides, Chemical Communications, 2020, 56,

糖鎖高分子の保護基フリーワンポット化学-酵素合10321–10324.

成, 日本化学会第100春季年会（2020）, 2020/ 3 /22–

2 ．Tomonari Tanaka*, Ayane Matsuura, Yuji Aso,

25.

Hitomi Ohara, Aqueous One-pot Synthesis of

4 ．○田中知成, 松浦彩音, 無保護糖を原料とした水中でGlycopolymers by Glycosidase-catalyzedの糖鎖高分子のワンポット化学酵素合成, 第70回高Glycomonomer Synthesis Using 4,6-Dimetoxy

分子学会年次大会, オンライン開催, 2021/ 5 /26–28,

Triazinyl Glycoside Followed by Radical

広報委員会パブリシティ賞受賞.

Polymerization, Journal of Applied Glycoscience,

5 ．○Tomonari Tanaka, Ayane Matsuura, Aqueous

2020, 67, 119–127.

one-pot and chemo-enzymatic synthesis ofglycopolymers from unprotected sugars via
t r i a z i n y l g l y c o s i d e s , 3 0 th I n t e r n a t i o n a l
Carbohydrate Symposium（ICS2022）, Brazil（online）,2022/ 7 /10–15.

― 93 ―

申請者

京都大学（現 兵庫県立大学） 梅山

有和

ヘテロ縮環芳香族を基盤とした非フラーレンアクセプターによる高効率有機薄膜太陽電池の実現
兵庫県立大学

大学院工学研究科

梅山

有和

1 ．研究背景と目的
有機薄膜太陽電池（organic photovoltaic, OPV）は、塗って作製できる取り扱いの容易さや、軽量性・柔軟性に富むことなどから、次世代の太陽電池として期待されている。OPVの光活性層では有機半導体材料が用いられるため、シリコンなどの無機太陽電池とは様々な点で異なる。OPVの光電流発生機構は、 1 ）太陽光吸収によ

図 1 ．ベルクヘテロ接合構造のイメージ。濃色部：電子アクセ プ タ ー、 淡 色 部： 電 子 ド ナ ー、BE： 背 面 電 極、
TE：透明電極。

る励起子の形成、 2 ）励起子のドナー・アクセプター界面への拡散（exciton diffusion, ED）、 3 ）界面での電荷る。そのため、現在報告されている高効率なOPV素子

移動状態の形成（charge transfer, CT）、 4 ）電荷解離にの光活性層では、ドナーとアクセプターが十から数ナノ

よる自由電荷（独立に動くことができる電子と正孔）の形

メートルのドメインサイズで相分離した、バルクヘテロ

成（charge dissociation, CD）、 5 ）電極での電子・正孔接合構造（図 1 ）を取らせている。これにより、ドナー・の収集、の 5 段階に分類できる1）。OPVにおいては、無アクセプター界面の面積を増やし、生じた一重項励起子機太陽電池とは異なり、
光吸収により生成する励起子は、が素早く（数十ピコ秒（ps）以下で）界面に到達するよう室温で自由電荷を自発的に生じることができない。そのにしている。しかしながら、このような複雑な構造を、ため、電子ドナー性と電子アクセプター性の二種類の有再現性よく大面積に形成することは困難である。さらに、機半導体からなる複合膜を光活性層に用い、そのエネル

光照射時間が長くなるにつれて相分離が進み、ドメイン

ギー準位差を利用して、ドナー・アクセプター界面にてサイズが大きくなってしまうことが、素子の耐久性低下

自由電荷を生じさせている。

につながる。これらの点がOPVの実用化を妨げる大きOPVの光活性層に用いられる有機半導体には、以下な要因となっている。
このような背景の中、本研究では、エネルギーギャッの 2 つの特性が求められる。
i）可 視から近赤外に及ぶ太陽光を効率よく吸収するたプ則から生じるジレンマを克服するような、つまり、小め、1.4から1.5 eV程度の小さなバンドギャップを有さなバンドギャップと長寿命な一重項励起子を両立するする。

非 フ ラ ー レ ン ア ク セ プ タ ー（non-fullerene acceptor,ii）生 じた一重項励起子が、効率よくドナー・アクセプ

NFA）の開発に取り組んだ。

ター界面に到達できるように、長い寿命を有する。
2 ．結果と考察

しかしながら、
バンドギャップが小さい有機半導体は、
一般的に一重項励起子の寿命が短く（「エネルギーギャッ

2-1．TACICの設計と光物性プ則」として知られている）、そのために励起子拡散長OPVのアクセプター材料として、 5 年ほど前まではも数nm程度に限られる。一方、太陽光を十分に吸収すフラーレン誘導体が主に用いられていた1,2）。しかしながるためには、光活性層は100 nm程度以上の膜厚を要す

ら最近では、ITIC（図 2 ）3）に代表されるような、中央に― 94 ―

図3．
（a）TACIC-BO溶液の過渡吸収プロファイル。検出波
長：1050 nm、励起波長：650 nm、溶媒：クロロホル
ム。（b）TACIC-BO薄膜の蛍光減衰（ドット）、減衰
フィッティング（太線）、装置応答関数（細線）。検出波
長：781 nm、励起波長：636 nm。

的である。薄膜中では、チエノアザコロネン間の特異な図 2 ．TACIC、ITIC、PBDB-T、NTTICの化学構造。

π-π相互作用がTACIC-BOの無輻射失活を抑制したと
考 え ら れ る。 こ の よ う な 特 性 を 凝 集 誘 起 発 光

電子豊富ユニットを、両末端に電子不足ユニットを有す（aggregation induced emission、AIE）として発光材料

るNFAが大きな注目を集めている。NFAは、フラーレに応用する研究が近年注目を集めているが7）、OPVに適ン誘導体とは異なり、紫外−可視領域に幅広く強い吸収用された例はこれが初めてである。一方、吸収スペクトを持ち、合成が比較的容易で、かつエネルギー準位を調ルから見積もったTACIC-BOおよびITIC薄膜の光学バ

節し や す い。 そ のため、フラーレン誘導体を用 い た

ンドギャップは、それぞれ1.59 eV および1.65 eVであっ

OPVの変換効率（power conversion efficiency, PCE）はた。TACIC-BO薄膜では、小さなバンドギャップと長寿

10％程度にとどまっていた一方で1）、NFAを用いたOPV命一重項励起子の両立が達成されたと言える。

は10−18%の高いPCEが近年報告されている 。筆者ら
4）は、電子豊富部位としてナノグラフェン構造の一種であ2-2．PBDB-T：TACIC複合膜の光物性るチエノアザコロネンを、電子不足部位としてITICとTACIC-BOと共役系ポリマードナーであるPBDB-T

同様1,1-ジシアノメチレン-3-インダノンを有するNFAで（図 2）の複合薄膜を作製した5）。それを光活性層に用い、あるTACIC-BO（図 2 ）を開発した5）。チエノアザコロネ

ITO/ZnO/PBDB-T：TACIC-BO/MoO3/Agの 構 造 を 有

ンをNFA構造に組み込んだのは、チエノアザコロネン

するOPV素子を作製し、その性能評価を行ったところ、が薄膜において特異な分子間相互作用を示すことが知ら

PCEは9.92％（短絡電流密度JSC = 16.59 mA cm−2、開放れており6）、NFAの励起子ダイナミクスに影響を与える

電圧VOC = 0.982 V、曲線因子FF = 0.609）であった。一のではと期待したためである。

方、PBDB-T：ITIC複合膜を光活性層とした素子のPCE

TACIC-BOのクロロホルム溶液に対して、過渡吸収ス

は9.71％（JSC = 16.02 mA cm−2、VOC = 0.885 V、FF =ペクトル測定を行ったところ、1080 nm付近に極大を持

0.609）であった。TACICとITICの素子でJSCは同程度でつ一重項励起子に由来する吸収が観測された5）。その減あったが、TACIC-BOはITICよりも高いLUMO準位を衰挙動の解析により（図3a）、溶液中でのTACIC-BOの一有するためにVOCが高くなった。またTACIC-BOにおい

重項励起子寿命は220 psであり、ITIC（176 ps）と比較しては電子移動度が正孔移動度と比較して低いために、電て僅かながら長いことがわかった。一方、TACIC薄膜

荷移動度バランスが悪くなり、FFが低くなった。結果の時間相関単一光子計数法による蛍光寿命測定（図3b）としてTACIC-BOとITICのPCEは同程度になったと言から、その一重項励起子寿命は1.59 nsであり、溶液と比える。

較して大きく長寿命化していた。これは、ITIC（薄膜で

PBDB-T：TACIC-BO複合膜の光ダイナミクスを詳細の一重項励起子寿命：29.2 ps）を含む一般的な有機半導に 調 べ る た め、 そ の 過 渡 吸 収 ス ペ ク ト ル を、 主 に体が、薄膜中で一重項励起子が短寿命化することと対照

TACIC-BOが吸収する700 nmの励起光を用いて測定し― 95 ―

図 4 ．（a）PBDB-T：TACIC-BOの過渡吸収スペクトル。励起波長：650 nm。
（b）PBDB-T：TACIC-BOの過渡吸
収プロファイル。検出波長：550 nm。
（c）TACIC-BOを励起した際のPBDB-T：TACIC-BO中でのEDとCT
の様子。

図5．
（a）PBDB-T：TACIC-BOの過渡吸収スペクトル。励起 波 長：580 nm。
（b）TACIC-BOを 励 起 し た 際 のPBDB-T：TACIC-BO中でのエネルギー移動（EnT）およびED、CTの様子。

た（図4a）5）。TACICの一重項励起子に由来する吸収極大

うな分子配置をとっている可能性が示唆される8）。

が550 nmと1080 nmに観察されたが、その寿命は60 psであり（図4b）、その後に電荷分離状態の形成を示すシ

2-3．TACICの側鎖長効果

グナルが観察された。このTACIC-BOの一重項励起子寿TACIC-BOのチエノアザコロネン骨格の2,8-位には2-

命は、PBDB-T：ITIC複合膜において、ITICの一重項

ブチルオクチロキシ基を導入している。これは、チエノ励起子寿命が100 fs以下であることと比べると極めて長アザコロネンの強い凝集性を抑制し、有機溶媒への溶解

い。PBDB-T：TACIC-BO複合膜中で、TACIC-BOが比性を高めるためである。そこで筆者らは、2,8-位のアル較的大きなドメインを形成しており、TACIC-BOドメイ

コキシ基の長さを変化させたTACIC-EHおよびTACIC-

ン中で生じた励起子が、PBDB-TとTACIC-BOの界面まHD（図 2 ）を合成した9）。TACIC-EH, -BO, -HDの光学的・で到達するのに長い時間がかかったためと考えられる。

電気化学的物性は類似していたが、そのクロロホルムへ

しかしながら、PBDB-T：TACIC-BOの蛍光消光実験かの溶解性は、それぞれ6.0, 16, 60 mg mL−1であり、2,8-

ら、TACIC-BOドメインでのED効率は96％以上である

位のアルコキシ鎖長が大きく影響することがわかった。

ことがわかった。一般に、高いED効率を実現するには、

次に、上記と同様に、PBDB-Tを電子ドナー、TACIC-

10 ps以内に励起子が界面に辿り着く必要があるが、EH, -BO, -HDを電子アクセプターとしたOPV素子を作

TACIC-BOは薄膜中で長い一重項励起子寿命を有する製した。まず、光活性層の複合膜構造を調べるため、原ため、高いED効率が達成されたと考えられる（図4c）。

子 間 力 顕 微 鏡 測 定 を 行 っ た と こ ろ、TACIC-BOやまた、主にPBDB-Tが吸収する580 nmの励起光を用

TACIC-HDで は 比 較 的 滑 ら か な 構 造 が 見 ら れ た が、いてPBDB-T：TACIC-BOの過渡吸収スペクトル測定を

TACIC-EHではマイクロメートルサイズの凝集体がで行ったところ（図5a） 、PBDB-T励起状態からTACIC-

きていることがわかった（図 6 ）。通常、このような大きBOへの直接的な電子移動に加え、TACIC-BOへのエネな凝集体が複合膜中に形成すると、ED効率が小さくな

ルギー移動が起こった後に電荷分離状態を形成する経路

るため、PCE値が大幅に低くなる場合が多い10）。そこでが確認された（図5b）。これまでに様々な組み合わせのOPV性能評価を行ったところ、TACIC-EH, -BO, -HDを共役系ポリマーとNFAの複合膜の過渡吸収スペクトル用いた素子で、PCEはそれぞれ7.10%、9.92％、8.21％でが報告されてきたが、NFAからポリマーへのエネルギーあった。大きな凝集体を形成したTACIC-EHを用いた場

移 動 は 観 測 さ れ ず、CTが 見 ら れ る の み で あ っ た。

合でも、比較的高いPCEが達成されている。これは、

PBDB-T：TACIC-BOではエネルギー移動を促進するよ

TACIC-EHの一重項励起子の寿命が長く、励起子拡散長5）― 96 ―

現した。OPVのPCEが光活性層の相分離構造に大きな影響を受けない、つまり、バルクヘテロ接合構造のドメ
インサイズに鈍感である、ということから、作りやすく安定なOPV素子を実現するための材料設計指針が得ら
図6．
（a）PBDB-T：TACIC-EH、（ b）PBDB-T：TACICBO、（c）PBDB-T：TACIC-HDの原子間力顕微鏡図（2μm × 2 μm）。

れたと言える。しかしながら、そのPCEには向上の余地が 大 き く 残 さ れ て い る。 一 方 で 最 近 大 北 ら に よ り、
NFAと電子ドナーとのエネルギー準位差を小さくする
ことで、OPV素子の電圧損失を抑制できるという報告が長くなったために、大きな凝集体においても励起子ががなされた13）。しかしエネルギー差の小さいドナー・ア

効率よくドナー・アクセプター界面まで到達したことにクセプターの組み合わせでは、CT形成に要する時間が起因する。

長くなる。そのため、CT形成効率が低くなり、光電流発生効率が低下することが課題となっていた。そこで、

2-4．NTTICの光物性および太陽電池特性

TACICのような一重項励起子寿命の長いNFAを活用す

ITICの中心ベンゼン骨格を、二次元的にπ共役拡張ることで、電圧損失の低減（高い電圧値）と高効率CT状

したTACICにより、長寿命励起一重項状態を実現でき

態 形 成（ 高 い 電 流 値 ）が 可 能 と な る と 期 待 さ れ る。

たが、TACICの合成には多段階が必要という欠点があNTTICにおいても一重項励起子が長寿命化することかる。そこで筆者らは、ITICの中心ベンゼンをナフタレ

ら、比較的合成が容易なNFAにおいても、同様な効果

ンに拡張したNTTIC（図 2 ）を合成した。TACICとが期待できる。今後、さらなるNFA分子構造の最適化

比較すると、NTTICの中心電子豊富ユニットのπ共役を行うことで、高効率、高安定性、高再現性を併せ持つ

系 は 小 さ い が、ITICよ り 大 き い。 ま たNTTICは、素子を開発することにより、OPVの本格的な実用化に

TACICと比べて容易に合成が可能である。

大きく貢献できると考えている。

11,12）NTTIC薄膜の蛍光寿命測定から、その一重項励起子
4 ．謝辞

寿命は270 psと見積もられ、TACIC-BO薄膜（1.59 ns）より短いが、ITIC薄膜（29.2 ps）より長くなっていた。中本研究は、公益社団法人松籟科学技術振興財団からの心電子豊富ユニットをベンゼンからナフタレンにすると研究助成を受けて行われたものであり、ここに厚く御礼いう小さな変化でも、薄膜状態の励起子寿命に大きな変申し上げます。

化をもたらすことがわかった。ドナーとしてPBDB-T、アクセプターとしてNTTICを用いてOPV素子を作製し5 ．参考文献

た と こ ろ、PCEは9.95％ で あ り、ITICを 用 い た 場 合1 ）T. Umeyama and H. Imahori, Acc. Chem. Res., 52,（9.71％）よりも僅かながら向上した。原子間力顕微鏡測2046（2019）.

定 か ら、PBDB-T：NTTIC薄 膜 はPBDB-T：ITIC薄 膜

2）
T. Umeyama, T. Miyata, A. C. Jakowetz, S. Shibata,よりも凹凸が激しく、ドメインサイズが大きいことが示

K. Kurotobi, T. Higashino, T. Koganezawa, M.

唆された。しかしながら、NTTICのより長い一重項励Tsujimoto, S. Gélinas, W. Matsuda, S. Seki, R. H.

起子寿命のため、高いED効率が実現でき、PCEが高く

Friend, and H. Imahori, Chem. Sci., 8, 181（2017）.
3）
W. Zhao, D. Qian, S. Zhang, S. Li, O. Inganäs, F.

なったと考えられる。

Gao, and J. Hou, Adv. Mater., 28, 4734（2016）.
3 ．まとめ4）
D. Meng, R. Zheng, Y. Zhao, E. Zhang, L. Dou, and Y.

TACIC薄膜において、小さなバンドギャップと極め

Yang, Adv. Mater., 34, 2107330（2022）.

て長い一重項励起子寿命の両立を達成した。
それにより、

5）
T. Umeyama, K. Igarashi, D. Sasada, Y. Tamai, K.

マイクロメートルサイズのドメインを有するような複合

Ishida, T. Koganezawa, S. Ohtani, K. Tanaka, H.

膜を用いたOPV素子においても、比較的高いPCEを実

Ohkita, and H. Imahori, Chem. Sci., 11, 3250

― 97 ―Higashino, K. Mishima, K. Yamashita, and H.

（2020）.

Imahori, RSC Adv., 8, 18316（2018）.

6 ）B. He, A. B. Pun, L. M. Klivansky, A. M. McGough,Y. Ye, J. Zhu, J. Guo, S. J. Teat, and Y. Liu, Chem.

11）T. Umeyama, K. Igarashi, Y. Tamai, T. Wada, T.

Mater., 26, 3920（2014）.

Takeyama, D. Sasada, K. Ishida, T. Koganezawa, S.
Ohtani, K. Tanaka, H. Ohkita, and H. Imahori,

7）J. Ochi, K. Tanaka, and Y. Chujo, Angew. Chem.

Sustain. Energy Fuels, 5, 2028（2021）.

Int. Ed., 59, 9841（2020）.
8 ）T. Umeyama, T. Hanaoka, H. Yamada, Y. Namura, S.

12）T. Umeyama, T. Wada, K. Igarashi, K. Kato, A.

Mizuno, T. Ohara, J. Baek, J. Park, Y. Takano, K.

Yamakata, T. Takeyama, Y. Sakamoto, Y. Tamai,

Stranius, N. V. Tkachenko, and H. Imahori, Chem.

H. Ohkita, K. Ishida, T. Koganezawa, S. Ohtani, K.

Sci., 10, 6642（2019）.

Tanaka, and H. Imahori, ACS Appl. Energy Mater.,
4, 14022（2021）.

9 ）T. Umeyama, K. Igarashi, D. Sasada, K. Ishida, T.
Koganezawa, S. Ohtani, K. Tanaka, and H. Imahori,13）T. Saito, S. Natsuda, K. Imakita, Y. Tamai, and H.
Ohkita, Sol. RRL, 4, 2000255（2020）.

ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 39236（2020）.
10）T. Umeyama, S. Takahara, S. Shibata, K. Igarashi, T.

― 98 ―

申請者

京都大学

東野

智洋

新規縮環ホスホール誘導体の合成法開発と物性解明
京都大学

大学院工学研究科

東野

智洋

1 ．緒言
π共役分子は、そのπ電子系に由来する光吸収・発光特性や磁性、刺激に応答して色が変化する各種クロミズ
ムなど、多様な性質を発現しうるため、新規π共役分子の開発が精力的に進められている。近年ではπ電子系に硫黄（S）やリン（P）といった典型元素を導入することにより、典型元素同士の相互作用や構造の柔軟性、電荷の分極などの構造的・電子的特徴を活用し、多様なπ共役
機能性分子が実現されてきた。その中でもリン原子を含むホスホールを活用した分子は高い電子受容性や発光性を有するため、電子輸送材料や発光材料として期待され

Figure 1．Representative examples of fused phospholes（E= lone pair, O, S, BH3, metal, etc.）ている。さらに、ホスホールに他の芳香環を直接縮環した化合物は数多く報告されており、縮環させる芳香環のこで本研究では、ホスホールに対してメチレン鎖を介し種類によって様々な性質を発現可能である（Figure 1）てベンゼン環を縮環させた分子2（Figure 1）の合成法開。特に、ホスホール骨格に対してメチレン架橋して［1–3］発に取り組むこととした。

芳香環を縮環させた分子1（Figure 1）は、高い光安定性
2 ．メチレン架橋縮環ホスホールの合成検討を持つことが知られており、蛍光イメージング色素としての活用が期待されている

代表的なホスホールの合成法として、アルキンに対す

。

［4–6］

一方、最近我々はメチレン架橋して芳香環を縮環させるジルコニウム反応剤や低原子価チタン反応剤［7］を用いた分子が、有機太陽電池の一種である色素増感太陽電池た手法が挙げられるが、これらの手法ではアルキンにもにおける高性能色素として利用可能であることを報告しともと結合しているアルキル基やアリール基がβ位の置た［7］。同様に、メチレン架橋して芳香環を縮環させたホ［8,9］換基として導入される（Scheme 1a）。そのため、メ

スホール誘導体も、色素増感太陽電池における高性能色

チレン架橋縮環ホスホールを得る前駆体として考えられ素となることを期待したが、メチレン架橋して芳香環をる、ヒドロキシメチル基をβ位に導入することが難しい。

縮環させたホスホール誘導体はベンゼン環が直接縮環し一方で、ジフェニルブタジインに対し 1 等量のn-BuLiとたベンゾホスホール骨格を有するものに限られており、フェニルホスフィンを用い、さらにトリメチルシリルク

色素増感太陽電池の増感色素に適した分子を合成するこロリドと反応させることでβ位にトリメチルシリル基がとが困難であった。そのため、芳香環が直接縮環してい導入されたホスホール誘導体 3 が得られることが報告さないホスホール誘導体に対してメチレン架橋して芳香環［10,11］
れている（Scheme 1b）。そこで、求電子剤としてを縮環させた分子の汎用的な合成法が確立できれば、新用いられているトリメチルシリルクロリドをベンゾフェ

規縮環ホスホール誘導体、さらには色素増感太陽電池のノンに置き換えることで、β位にヒドロキシメチル基を新規増感色素の設計・開発につながると期待される。そ導入した化合物 4 の合成を試みた（Scheme 1c）。種々― 99 ―

Figure 2．X-Ray crystal structure of 6：a）top view and b）
side view. Thermal ellipsoids represent 50%
probability.

Scheme 1．Synthesis of phospholes.

Scheme 2．Synthesis of fused phosphole 6.

Scheme 3．Possible reaction mechanism.

反応条件の検討を行った結果、目的とする化合物 4 を収率22%で得ることに成功した。
次に、得られた化合物 4 に対しBF3·Et2O、CF3COOHを用いた分子内フリーデルクラフツ反応を試みたが、複雑な混合物を与えるのみであり、メチレン架橋してベンゼン環が縮環した化合物は得られなかった。一方、化合物 4 に対してH2O2を作用させてオキシド体 5 へと変換

Figure 3．Fused phospholes with substituents.

したのち、BF3·Et2Oを用いた反応を行うと、脱水反応が進行した化合物が収率44%で得られた（Scheme 2）。得とで検討を進めていく予定である。

られた化合物のNMRスペクトルや質量分析の結果から、

また、求電子剤として置換基をもつベンゾフェノンを標的化合物である 2 であると同定していたが、単結晶を用いることで、置換基を導入したジヒドロホスファペン

用いたX線構造解析の結果、メチレン架橋縮環ホスホー

タ レ ン 骨 格 を も つ 化 合 物7, 8の 合 成 に も 成 功 し た

ル誘導体 2 ではなく、 2 つの 5 員環をもつジヒドロホス（Figure 3）。

ファペンタレン構造をもつ化合物 6 であることが明らかとなった（Figure 2）。ルイス酸により生じたカチオン

3 ．ジヒドロホスファペンタレンの光学特性

中間体に対し、ホスホールのα位のベンゼン環での求電

ジクロロメタン中における吸収・発光スペクトルを子置換反応が進行すればメチレン架橋縮環ホスホールを

Figure 4に示す。化合物 6 と 7 では吸収に大きな違いが与えるのに対し、ベータ位の置換基として存在するベン見られなかったが、化合物 8 では明確な長波長シフトがゼン環での求電子置換反応が進行したものと考えられる見られた。このことから、ジヒドロホスファペンタレン（Scheme 3）。現在のところ、この反応の選択性につい骨格はアクセプター性を有しており、メトキシ基の導入てはよくわかっていないが、今後DFT計算等を行うこによって分子内CT性の寄与が現れていると考えられる。

― 100 ―

本研究に関わる全ての皆さまに感謝申し上げます。
6 ．参考文献［1］
Y. Matano, H. Imahori, Org. Biomol. Chem. 2009,
7, 1258–1271.
Figure 4．a）UV-vis absorption and b）fluorescence
spectra of 6（black）, 7（red）, and 8（blue）in
CH 2Cl 2. For fluorescence measurements, thesamples were excited at 373 nm where theabsorbances were adjusted to be identical forcomparison.

［2］T. Baumgartner, Acc. Chem. Res. 2014, 47, 1613–
1622.
［3］
M. P. Duffy, W. Delaunay, P.-A. Bouit, M. Hissler,
Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 5296–5310.
［4］A . Fukazawa, Y. Ichihashi, Y. Kosaka, S.
Yamaguchi, Chem. Asian J. 2009, 4, 1729–1740.

また、同一条件下において蛍光強度を測定したところ、［5］
E. Yamaguchi, C. Wang, A. Fukazawa, M. Taki, Y.

6 に比べて 7 では蛍光強度の増強が見られたが、 8 では

Sato, T. Sasaki, M. Ueda, N. Sasaki, T.

蛍光強度が大きく減少することが分かった。光学特性にHigashiyama, S. Yamaguchi, Angew. Chem. Int.

おける置換基効果についても、今後さらに検討を進めて

Ed. 2015, 54, 4539–4543.
［6］
C . Wang, M. Taki, Y. Sato, A. Fukazawa, T.

いく予定である。

Higashiyama, S. Yamaguchi, J. Am. Chem. Soc.
4 ．まとめ2017, 139, 10374–10381.

メチレン架橋してベンゼン環を縮環させた新規ホス［7］
Y. Kurumisawa, T. Higashino, S. Nimura, Y. Tsuji,

ホール誘導体の合成検討を行っていたところ、予期して

H. Iiyama, H. Imahori, J. Am. Chem. Soc. 2019,

いなかったジヒドロホスファペンタレン誘導体が得られ141, 9910–9919.

ることを見出した。また、導入する置換基によって蛍光［8］P. Fagan, W. Nugent, J. Calabrese, J. Am. Chem.
Soc. 1994, 116, 1880–1889.

強度が大きく変化することも明らかにした。ジヒドロホ
スファペンタレン骨格をもつ分子の基礎物性の解明をさ［9］
Y . Matano, T. Miyajima, T. Nakabuchi, Y.

らに進めるとともに、機能性分子として活用することをMatsutani, H. Imahori, J. Org. Chem. 2006, 71,

検討していきたい。

5792–5795.
［10］G . Märkl, R. Potthast, Angew. Chem. Int. Ed.

5 ．謝辞

Engl. 1967, 6, 86.

本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りまし［11］D . Klintuch, K. Krekić, C. Bruhn, Z. Benkő, R.

た公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上

Pietschnig, Eur. J. Inorg. Chem. 2016, 2016, 718–

げます。本研究は京都大学大学院工学研究科分子工学専725.

攻 今堀研究室で行われたものです。今堀教授ならびに― 101 ―

申請者

千葉大学

矢貝

史樹

発光性ポリカテナンの創出と革新的機能の探求
千葉大学

1 ．研究の背景と目的

大学院工学研究院

矢貝史樹性分子をモノマーとして、光吸収・発光・化学反応・励

ポリマーをはじめとするソフトマターの研究領域にお起子輸送・電荷輸送などの機能を持ったポリマー材料をいては、「形（トポロジー）」、すなわち高分子鎖のとりう

簡便に合成できる点にある。その一方で、π-π相互作る「高次構造」や「幾何学的絡み合い」の制御が極めて用の指向性の高さに由来する剛直性のためにポリマー鎖重要である1）。これらは、高分子鎖そのものの性質のみの高次構造制御は極めて困難であり、これが機能材料とならず、材料としてのマクロな性質や機能に大きな影響

してのさらなる発展の妨げとなっている（図1A）。
上記の機能と構造のジレンマを打破する革新的分子集を与える。
現在、ベンゼンやナフタレンなどのπ電子系有機化合合体として当該研究グループがこの10年をかけてその開物をπ電子間の相互作用（π-π相互作用）によって一次発に成功した材料が、トポロジカル超分子ポリマーであ元状に積み重ね、ワイヤー状に構造化した材料である超る3,4）。トポロジカル超分子ポリマーの特徴は、モノマー

分子ポリマーが注目を集めている2）。超分子ポリマーのとなるπ電子系分子を直接積層させるのではなく、特徴は、重合に化学反応を用いないため、あらゆる機能

DNA塩基に類似した分子（バルビツール酸）の水素結合

図 1 ．従来の超分子ポリマー（A）とトポロジカル超分子ポリマー
（B,C）
の比較

― 102 ―

によって風車状に 6 量化する点にある
（図1B）
。風車状
6 量体は特異な幾何学構造を反映し、π-π相互作用によって積層することで内在性の曲率を生み出す。我々はまず、バルビツール酸を有するナフタレン化合物が、直径15 nm程度のリング構造を定量的に形成することを見
5）
出した（図1C-i）。その後、放射光X線ならびに中性子を用いた構造解析により、風車状 6 量体の形成によって内在性曲率が発現することを見出した6）。この知見を元に、内在性曲率を失うことなくポリマー鎖がさらに伸長する
π電子系分子の分子構造を追求し、ランダムコイル構造
7）8,9）（図1C-ii）
やヘリカルコイル構造（図1C-iii）、さらにヘ

リカルコイル構造とリニア構造が融合したキメラ構造（図1C-iv）10）等、前例のないトポロジーを有する超分子ポリマーの創製に至った。さらに、光応答性分子を組み込むことで、トロイド構造を光開環や、ヘリカルコイル-ランダムコイル構造を光により構造変化させることにも成功した11-13）。
我々はさらに、様々なπ電子系分子に対し、加熱モノ
マー溶液の冷却速度を制御することで、異なったトポロ
ジーを選択的に得る手法も確立した4）。そこで、超分子図 2 ．インジェクション法による超分子重合と、 5 輪カテナ
ンのAFM像ポリマーの新たな重合法として、加熱したモノマー溶液の冷却ではなく、良溶媒（モノマーがよく溶ける溶媒）の2 ．結果と考察

モノマー溶液を貧溶媒（モノマーが溶けない溶媒）にイン

良溶媒にクロロホルムを、貧溶媒にメチルシクロヘキ

ジェクションする手法を図2Aの化合物 1 に対して適用

サンを用いてインジェクション法により超分子重合しした。すると驚いたことに、複数のリングが連結されたた。溶液をスピンコートしてAFM像100枚を取得し、「カテナン（鎖状の分子）」が効率よく得られた。さらに、5000個リングを数えたところ（リング以外の開いた超分

オリンピックのロゴマークのような、連結数 5 のカテナ

子ポリマーも得られるため）、150個のリングがナノ［ 2 ］

ンも見出された（図2B）。環状分子をいかなる結合をも

カテナン（［n］内の数字nは連結したリングの数を指す）

用いずにメカニカルに重合させることで得られるカテナを形成していることが明らかになった（図 3 ）。モノマー

ンは、伸長させてポリカテナンとすることで、従来の高基準で算出した収率は1.6%であり、この値は統計的な事

分子よりもはるかにダイナミックな動きを実現すること象では到底説明ができないことが判明した14）。さらに、ができ、剛直さとしなやかさを兼ね備えた次世代のトポ

貧溶媒をメチルシクロヘキサンからより低極性のn-ヘキ

ロジカル高分子材料として期待される。このようなエキ

サンやn-オクタンなどの直鎖アルカンに変えると、ナノ

ゾチックなナノ構造体がAFMで可視化された例はこれ

カテナンの収率は約 5 ~ 7 %まで上昇し、それに対応しまでにない。そこで本研究では、この形成メカニズムなて［n］も上昇した。

らびに、機能性材料への応用を見据えたカテナンのさらこの異常なカテナン収率を説明しうるメカニズムとしなる伸長、さらに強い発光を示すリングを用いたカテナて、我々は 2 次核形成という、現象に注目した。ある種ン形成等に取り組んだ。

の分子集合体は、結晶形成と同様に、「核」となる不安定な集合体を形成し、それを鋳型として成長することが知られている。我々の湾曲した超分子ポリマーも核形成を伴って形成されることがわかっている。ここで、もし― 103 ―

図 3 ．AFM像を利用したカテナン率の算出
BはAを異なる構造ごとに色付けしたもの。青：開いた超分子ポリマー；緑：単独リング；赤：［ 2 ］カテナン

図 4 ．インジェクション法による超分子重合と、 5 輪カテナ
ンのAFM像

あらかじめ形成されたリングの表面で新たな核形成が起
こりやすければ、カテナンになる確率は格段に上がるはして用いたらどうなるであろうか？末端がないにも関わずである。特にリングの内部で核形成が起これば、高いらず、核形成プロセスの促進が観察されたとしたら、こ

確率でカテナンを与える。この、「すでに形成された分

れは二次核形成の証明になるはずである。そこで我々は、子集合体の表面で核形成が起きやすくなる現象」が二次

これまでに開発した知見18,19） を駆使してリングを精製・核形成である。結晶の核形成においてもよく知られた現単離し、この純粋なリングの溶液（カテナンや他の超分象である。あるいは、アルツハイマー病やパーキンソン

子ポリマーを含まない）を用いてシード実験を行なった。

病などの原因であるアミロイド繊維の形成を引き起こす

1 の高温モノマー溶液を冷却していき、核形成温度よりタンパク質の凝集においても極めて重要なプロセスとさ少し低い温度で一定に保った。このまま放置しておくとれている15）。

約 5 分の遅延時間を経て核形成が始まることが吸収スペ「リング表面における二次核形成」という仮説を証明

クトル変化から示された（図 4 青線）。次に、温度を一定するために、我々は様々な実験を行なった。まずはタンに保ってすぐにリング溶液をモノマー溶液に加えた。すパク質の凝集現象における素過程（一次核形成、伸長反

ると、核形成を示すスペクトル変化が 3 分程度で始まり

応、二次核形成、断片化など）の寄与を調査する手法で（図 4 赤線）、加えられたリングの表面でモノマーが活性ある“スケーリング法”を検討した16）。様々なモノマー化され、核形成を引き起こしやすくなることが実験的に濃度に対して、超分子重合によりモノマーが半分消費さ示された。

れる時間をプロットし、スケーリング則法を適用したと我々はさらに、カテナンの更なる伸長、すなわちポリ

ころ、貧溶媒によって二次核形成の起こりやすさに違い

カテナンの創成に取り組んだ。 1 回のインジェクション

が見られ、環式アルカンより直鎖アルカンの方が二次核のようにモノマーを一気に加えるのではなく、複数回に形成が起こりやすいことが分かった。これは、環式アル

分けてインジェクションすることで、カテナンの末端かカンよりも直鎖アルカン中でカテナン率が高くなること

ら次々と 2 次核形成が起こるのではないかと考えた（図と一致する。

5）。そこで、インジェクションの速度・回数・間隔等

さらに、
シード
（タネ）
実験を実施した。
超分子ポリマーを試行し、最終的にモノマー溶液を 1 秒おきに10回貧溶の形成過程において、伸長プロセスの反応速度は、核形媒にインジェクションすると、確実にポリカテナンが得成過程の反応速度より圧倒的に早い。したがって、核形

られるようになった。

成が起こりにくい条件にあるモノマーに超分子ポリマー

図 6 はこの方法で得ることができた最長のポリ［17］の鋳型となるタネを加えると、タネの末端から即座に伸

カテナンおよびポリ［22］カテナンのAFM像である。

長プロセスが開始される 。通常超分子ポリマーのタネ

直鎖状に20個程度のリングが連結しているためこれらのは、超音波処理などで細かく砕いた超分子ポリマーの断長さは約500 nmを超え、まさにメゾスケールのトポロ

片をシードとして用いるが、末端がないリングをタネとジカル超分子ポリマーと言える。途中には分岐構造も見17）― 104 ―

長→環化→二次核形成→伸長→環化→・・・」という素過程の繰り返しによることが判明した。現在、ナノリングを形成することで高発光を示すモノマー分子の開発に成功している。今後、この高発光リングを利用してポリカテナンを作成することで、延伸等で発光が変化する高機能材料の創成が可能になると期待している。さらに、今後の分子集合体材料開発において、二次核形成は従来の手法では得られないような構造や物性を導き出すため
図 5 ．分割インジェクション法によるポリカテナン形成の模式図の新たなツールになると期待できる。
4 ．謝辞
本研究の遂行にあたり、研究助成を賜りました公益財
団法人松籟科学技術振興財団に厚く御礼申し上げます。
ま た、 参 考 文 献20（“Self-Assembled Poly-Catenanes
from Supramolecular Toroidal Building Blocks”,
Nature 2020, 583, 400−405）の共著者として共同研究に携わってくださった多くの研究者の方に深く感謝申し上げます。
5 ．参考文献（1）手塚育志, 現代化学, 2018, 5, 59.
（2）Aida, T.； Meijer, E. W.； Stupp, S. I. Nature 2012,
335, 813−817.
（3）Yagai, S.； Kitamoto, Y.； Datta, S.； Adhikari, B.
Acc. Chem. Res. 2019, 52, 1325−1335.
（4）Datta, S.； Takahashi, S.； Yagai, S. Acc. Mater.
Res., 2022, 3, 259-271（5）Y agai, S.； Goto, Y.； Lin, X.； Karatsu, T.；
Kitamura, A.； Kuzuhara, D.； Yamada, H.；
Kikkawa, Y.； Saeki, A.； Seki, S. Angew. Chem.

図 6 ．ポリカテナンのAFM

Int. Ed. 2012, 51, 6643−6647.
（6）Hollamby, M. J.；Aratsu, K.；Pauw, B. R.；Rogers,

えるため、 1 つのリングに 3 つの超分子ポリマー鎖が貫S. E.；Smith, A. J.；Yamauchi, M.；Lin, X.；Yagai,

通できることを示している。

S. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9890−9893.
（7）A dhikari, B.； Yamada, Y.； Yamauchi, M.；

3 ．まとめWakita, K.； Lin, X.； Aratsu, K.； Ohba, T.；「一定の曲率を保って超分子重合するモノマー」に「二Karatsu, T.； Hollamby, M. J.； Shimizu, N.；

次核形成」という新たなエッセンスを加えることで、溶Takagi, H.； Haruki, R.； Adachi, S.-i.； Yagai, S.

媒にモノマーを注入するだけで自発的に組み上がる自己

Nat. Commun. 2017, 8, 15254.

集合性ポリカテナンを創成することができた。20）この自（8）Prabhu, D. D.； Aratsu, K.； Kitamoto, Y.； Ouchi, H.；

己集合現象は、「核形成→伸長→環化→二次核形成→伸Ohba, T.； Hollamby, M. J.； Shimizu, N.； Takagi,― 105 ―

−4434.

H.； Haruki, R.； Adachi, S.； Yagai, S. Sci. Adv.
2018, 4, eaat8466.

（15）Cohen, S. I. A.；Vendruscolo, M.；Dobson, C. M.；（9）Aratsu, K.； Takeya, R.； Pauw, B. R.； Hollamby, M.

Knowles, T. P. J. J. Mol. Biol. 2012, 421, 160−171.

J.； Kitamoto, Y.； Shimizu, N.； Takagi, H.；（16）M eisl, G.； Kirkegaard, J. B.； Arosio, P.；

Haruki, R.； Adachi, S.； Yagai, S. Nat. Commun.

Michaels, T.C.； Vendruscolo M.； Dobson, C.M.；

2020, 11, 1623.

Linse, S.；Knowles, T. P. Nat Protoc. 2016, 11, 252
−272.

（10）
Kitamoto, Y.；Pan, Z.；Prabhu, D. D.；Isobe, A.；
Ohba, T.； Shimizu, N.； Takagi, H.； Haruki, R.；（17）Ogi, S.； Sugiyasu, K.； Manna, S.； Samitsu, S.；

Adachi, S.-i.； Yagai, S. Nat. Commun. 2019, 10,

Takeuchi, M. Nat. Chem. 2014, 6, 188−195.
（18）Isobe, A.；Prabhu, D. D.；Datta, S.；Aizawa, T.；

4578.
（11）
Adhikari, B.； Aratsu, K.； Davis, J.； Yagai, S.

Yagai, S. Chem. Eur. J. 2020, 26, 8997−9004.

Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 3764−3768.

（19）Suzuki, A.； Aratsu, K.； Datta, S.； Shimizu, N.；（12）
Fukushima, T.； Tamaki, K.； Isobe, A.； Hirose, T.；

Takagi, H.； Haruki, R.； Adachi, S.-i.； Hollamby,

Shimizu, N.； Takagi, H.； Haruki, R.； Adachi, S.-i.；

M.； Silly, F.； Yagai, S. J. Am. Chem. Soc. 2019,

Hollamby, M. J.； Yagai, S. J. Am. Chem. Soc.

141, 13196−13202.

2020, 143, 5845−8854.

（20）D atta, S.； Kato, Y.； Higashiharaguchi, S.；（13）
Tashiro, K.； Katayama, K.； Tamaki, K.； Pesce, L.；

Aratsu, K.； Isobe, A.； Saito, T.； Prabhu, D. D.；

Shimizu, N.； Takagi, H.； Haruki, R.； Hollamby, M.

Kitamoto, Y.； Hollamby, M. J.； Smith, A. J.；

J.； Pavan, G. M.； Yagai, S. Angew. Chem. Int.

Dalgliesh, R.； Mahmoudi, N.； Pesce, L.； Perego,

Ed. 2021, 60, 26986−26993.

C.； Pavan, G. M.； Yagai, S. Nature 2020, 583, 400（14）
Wasserman, E. J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 4433

― 106 ―

−405.

申請者

立命館大学

金子

光佑

フローフォーカシングデバイスを用いた有機無機複合型球状液晶エラストマーの創出
立命館大学

生命科学部

金子

1 ．研究概要

光佑

下、低電圧で大きな粘度増加を示す液晶材料の開発とい本研究では、液晶材料の新産業分野創出の可能性を追う化学的な面に加え、駆動方式の工夫などの工学的な面求するために、電場印加による液晶材料の粘度変化（電の両者からアプローチする。そこで、電場印加のための

気粘性効果）に注目し、「液晶ブレーキ」への応用を視野

複雑な大型装置の設計や、均一に分子を並ばせる配向膜に入れている。また最終的には、人間との協調活動が必などを必要とせず、固体的な硬さと液体の流動性を簡便要とされる医療・リハビリテーション分野でのロボットに調節することができる二周波駆動液晶を本研究の対象

システムの研究基盤を構築する。

物質とし、スマートなブレーキ装置の作製を目指す。

液晶エラストマーは「ポリマーネットワークの力学的電気粘性（ER）効果とは、電場の印加により流体の粘性質」と「液晶相の異方性（液晶分子の配向秩序など）」

度が増加し、電場を除去すると元の粘度に戻る現象であとのカップリングによる新たな物質系の可能性を秘めた

り、このような現象を示す流体はER流体と呼ばれてい機能性材料であり、人工筋肉やソフトアクチュエータへる。その効果の発現機構は、液晶材料にせん断ひずみをの応用が提案されている。本研究では報告例の極めて少与えて一方向に配向した棒状の分子構造を持つ液晶分子

ない「球状」の液晶エラストマーを開発し、微小サイズに対して垂直に電場を印加し、液晶分子が電場方向に配アクチュエータへの応用を図る。また、電場に対して応向することにより流動抵抗が増大し、その結果として粘答性のよい形状変化が期待できる二周波駆動液晶を用い度増加が発生する。電場を除去すると液晶分子の配向はた球状液晶エラストマーの創製に加え、印加交流電場のせん断ひずみにより崩され、流動抵抗が小さくなり粘度

周波数に対するエラストマーの変形量や変形に伴う応答は減少する。理想的なER効果は電場のON・OFFで応答時間に及ぼす材料構成成分の影響を検討し、どのような性の良い粘度変化が得られることであるが、電場除去後重合性液晶モノマーと架橋剤の成分比が適切かを明らかの液晶分子の配向（せん断方向への配向）に対し基本的ににする。さらに、球状液晶エラストマーの作製後、電場駆動力は働いておらず、せん断ひずみの大きさによりそ

刺激により可逆的に粘度を変化させることができる電気の応答性が異なるので、応答時間に問題が発生する。そ

粘性流体（ER流体）へ応用することによってアクチュ

こで本研究では、印加電圧の周波数の違いによって異なエータへの実装を図る。

る誘電率異方性を示す二周波駆動液晶を用い、周波数の変化により液晶分子の配向を制御して粘度の増加・減少

2 ．研究目的のスイッチングを起こす、これまでに報告例のない二周大型機械やモーターによる機械的な駆動とは異なっ

波駆動型液晶アクチュエータの開発を行う（図 1 ）。

た、液晶駆動によるしなやかなマイクロアクチュエータの実現は、超精密化・超小型化が要求されている次世代

3 ．研究内容および結果

マイクロロボットや先端医療機器の開発を大幅に加速す

研究内容るとともに、新たな市場の創出を可能にし、社会的・経エラストマーはゴム状の弾力性を有する高分子材料の済的波及効果は極めて高いと考えられる。以上の背景の総称であり、近年発展している新たな分子設計によって、― 107 ―

さらなる新機能を備えた高分子材料の開発を進めること

誘電率異方性が正から負に変化する現象を示す液晶材料が可能となっている。その一つの機能が液晶性である。

を二周波駆動液晶という。液晶相には配向様式の違いに液晶材料が示す最も魅力的な特性は、その分子配向を電より数種類に分類でき、その中でも最も配向秩序度の低場・磁場・光・温度などにより制御できることである。

いものはネマチック相という。ネマチック液晶は配向秩

このような液晶モノマーをエラストマー中に組み込むこ

序度が小さいことから粘度が低く、電場に対する応答性とにより、高分子材料に外部刺激応答性をもたせることが良いため、一般に使用されているディスプレイの液晶ができる。この様な液晶エラストマーに電圧を加えると材料として広く活用されている。そこで本実験では、こ内部の液晶分子の電場配向により形状が変形し、電圧をのような低粘度で応答性がよく、印加電圧の周波数に対取り除くと元の形に戻る。
このように、
液晶エラストマーする配向様式の違いを示すネマチック二周波駆動液晶のは①ゴム状の弾力性をもつ高分子材料なので繰り返し使

合成を第一の目的とした。

用に強く、②液晶分子の一斉回転により応答速度が速く、二周波駆動液晶をエラストマーに導入することで、各③様々なサイズのものを合成できる、という優れた特性

周波数において分子の配向変化に駆動力を付与することを有する。本研究では報告例の少ない「球状」の液晶エができるため、応答性の改善が期待される。そこで本研

ラストマーを開発し、極小サイズアクチュエータへの応

究では、二周波駆動性を持つ液晶分子（以下5D-Cl-5と略用を図る。また、電場に対して応答性のよい形状変化が記）を用いたエラストマーを作製した。球状液晶エラス期待できる二周波駆動液晶を用いた球状液晶エラスト

トマーの二周波駆動方式による変形様式（予想図）
を図 2

マーの創製に加え、印加交流電場の周波数に対するエラに示す。図に示されるように、低周波数領域ではエラス

ストマーの変形量や変形に伴う応答時間に及ぼす材料構

トマーを電場に対して平行に伸長させ、高周波数領域で成成分の影響を検討し、どのような重合性液晶モノマー

は電場に対して垂直に伸長させることを第二の目的としと架橋剤の成分比が適切かを明らかにする。

た。

棒状の形状をしている液晶分子は極性基の結合位置に液晶エラストマーの高分子ネットワークを形成する方

よって、分子全体の双極子モーメントの向きと大きさを法の代表例として、チオール-エン反応が挙げられる。

調整することができる。液晶分子に電圧を印加すると、

チ オ ー ル-エ ン 反 応 は チ オ ー ル 基（-SH）と ア ル ケ ン

その電場方向に液晶分子が揃うように配向しようとす（-CH=CH2）の間で起こる結合形成反応であり、開始剤る。しかし、ある種の液晶分子に対して印加する交流電によって生じたチイルラジカルが付加する連鎖機構で進場の周波数を数ヘルツ〜数メガヘルツまで変化させる

行する。この反応は化学選択性が高く、副反応を生じにと、電場方向に平行に配向していた分子が、ある周波数

くいことから、クリックケミストリーを体現する反応のを境に垂直に配向するようになる。このようにみかけの一つと捉えられている。本研究では、二周波駆動性ネマ
チック液晶として既知である化合物の構造の一部を変更
させ、ビニル基（-CH=CH2）を結合させた5D-Cl-5を母液晶とし、 4 つのチオール基を持つペンタエリトリトール

図1

図2

二周波駆動液晶の配向メカニズム― 108 ―

二周波駆動型液晶エラストマーの変形様式

図3

二周波駆動型液晶エラストマーの構成成分の構造式

テトラキスメルカプトアセテート（架橋分子A）および両末端に二重結合を持つ1,9-デカジエン（架橋分子B）を架

図4

橋剤として用いた（図 3 ）。

5D-Cl-5のDSC曲線

5D-Cl-5の相転移挙動は示差走査熱量（DSC）測定および偏光顕微鏡（POM）観察により決定し、その際の走査速度は5.0 ºC/minとした。誘電率の測定には、ポリイミドによる配向処理（ラビング方向： 垂直配向および水平
配向、セル厚：10±0.5 μm）が施された市販品の電極付
ガ ラ ス セ ル（EHC KSHH-10/B311P6NSS05お よ びEHC
KSRO-10/B311P6NSS05）を 使 用 し た。 温 度 制 御 装 置（Linkam L-600A）を取り付けた誘電体解析装置（東陽テクニカDielectric Interface 1296）を用いて、対象試料の各配向状態における誘電率（ε//およびε⊥ ）を求め、そ
図5の値から誘電率異方性（Δε = ε// -ε⊥ ）を算出した。

5D-Cl-5のシュリーレン組織（降温過程90°C）得られたエラストマーの形状は走査電子顕微鏡（HITACHI Miniscope TM-1000）（以下、SEMと略記）認された。POM観察より、11 °C〜137 °Cの温度範囲にを用いて確認した。

おいて再びシュリーレン組織が確認されたことからピー
ク③はIso.-N相転移に伴うピークであると判断した。11

結果°C以下の温度範囲では結晶組織が確認されたことから⃝5D-Cl-5の相転移挙動および誘電特性

ピーク④はN相から結晶相への転移に伴うピークである

5D-Cl-5のDSC測定およびPOM観察の結果を図 4 およと判断した。

び図 5 にそれぞれ示す。DSC測定の結果から昇温過程で5D-Cl-5のネマチック相における誘電率異方性の周波は72 ºC（①）および138 ºC（②）で吸熱ピークが確認され

数依存性測定の結果を図 6 に示す。80 ºC〜120 ºCの温た。POM観察により、72 ºC〜138 ºCの温度範囲におい

度範囲内において誘電緩和が認められた。測定周波数範てシュリーレン組織が確認されたことからピーク①は結囲内である1,000〜100,000 Hzにおいて誘電率異方性が正晶からネマチック（N）相への転移に伴うピークであるとから負に変化するクロスオーバー周波数（以下、fc）は80判断した。138 ºC以上の温度範囲では観察像が暗視野とºCのみで見られ、Δεの符号が切り替わるクロスオー

なったことからピーク②はN相から等方相（Iso.）への転バー周波数は4.32×105 Hz、Δεは0.96（10 kHz）
および移に伴うピークであると判断した。また、降温過程では-0.30（1000 kHz）であった。また、100 ºC以上の高温領

137 ºC（③）
および11 ºC（④）
で発熱ピークがそれぞれ確

域では、測定周波数範囲内においてfcは観測されなかっ― 109 ―

図6

5D-Cl-5の誘電率異方性

図8

球状エラストマーのSEM画像として、架橋分子の割合が少なく、高分子ネットワークが形成されなかったと判断した。そこで、高分子ネット
ワークの形成を優先させるために、液晶モノマー（5DCl-5）： 架橋分子A ： 架橋分子B = 4 ： 2 ： 2（mol％）に
再 調 製 し、 エ ラ ス ト マ ー の 作 製 を 行 っ た。 そ の 後、FT-IRスペクトルを用いてエラストマーの重合が進行したかを確認した。
図7

エラストマーのIRスペクトルの結果を見てみると、

球状エラストマーの作製セットアップ

1740 cm-1に エ ス テ ル 結 合 由 来 のC=O伸 縮 振 動、1580た。以上の結果より、5D-Cl-5は低温において二周波駆

cm-1および1490 cm-1にベンゼン環由来の伸縮振動、810

動性を示すことが明らかとなり、エラストマーの構成要

cm-1にハロゲン由来のC-Cl伸縮振動、560 cm-1にS-C伸縮

素として用いることとした。

振動がそれぞれ観測された。架橋分子AのみのIRスペク
トルを比較すると、架橋分子Aのスペクトルの2570 cm-1

⃝球状エラストマーの合成および物性評価で確認されたS-H伸縮振動がエラストマーのスペクトル球状エラストマーの作製においては、図 7 に示すフでは確認できず、560 cm-1にS-C伸縮振動によるスペク

ローフォーカシングデバイスを用い、有機相と連続相（水トルが確認されたため、チオール-エン反応による重合系）をそれぞれ異なる流速で押し出すことにより粒径がが行われ、エラストマーが作製できたと判断した。

数百µmの液晶ドロップレットを作製し、連続相を流れ

図 8 に得られた球状エラストマーのSEM画像を示す。

る液晶ドロップレットに紫外線を照射することによりチ図からわかるように、大きさは若干不均一であるが直径

オール-エン反応を行うシステムを利用した。未反応の数百μmのきれいな球状エラストマーが得られているこ

低分子材料を有機溶媒で数回洗浄し、遠心分離により合とが確認された。今回の実験では、有機相と連続相の流成したエラストマーの精製および分離を行った。

速の相対比を有機相：連続相=1：10で行った。本セッ

チオール基とビニル基の官能基をそれぞれ持つ架橋剤

トアップで作製するエラストマーの形状や粒径、粒径分と、二周波駆動性液晶分子および光開始剤を混合し、エ

布は、有機相と連続相の流速や照射UV強度などに大きラストマーの作製に用いた。その際、液晶モノマー（5D-

く影響されると考えられる。今後、これらの条件を最適

Cl-5）：架橋分子A：架橋分子B = 8：2：1（mol％）とな化することにより、粒径が均一な球状のエラストマーのるように試料を調製した。しかし、この条件下において作製か可能になると考えられる。

非常に粘性のある液体に近い物質が得られた。この原因― 110 ―

エラストマーのDSC測定の結果、昇温過程において

図9

図11

球状エラストマーのPOM画像

電場印加時の球状エラストマーのPOM画像

POM画像を図11に示す。ネマチック相を発現している
50 ºCにおいて、電場強度・印加交流電場の周波数・交流電場の波形（矩形波、サイン波）など様々な条件の交流電場を印加したが、球状液晶エラストマーの形状において大きな変化は見られなかった。また、球状液晶エラス
トマー内部の液晶分子が電場方向に対して平行に配列した場合、通常暗視野組織となるが、複屈折性は維持されたままであった。以上のことから、球状液晶エラストマー
内部の液晶分子の配向も起きておらず、その結果、高分
子ネットワーク全体の形状変化に繋がらなかったと考え
図10

られる。

球状エラストマーのXRDパターン-12 ºCでベースラインシフトが確認された。また60 ºC付

4 ．今後の取り組み・まとめ

近で非常にブロードなピークが確認された。POM観察

我々は液晶の新規産業分野の開拓を目標とし、介護ロ

では、球状のエラストマー内部に複屈折が観察され、60ボットなどの分野での応用に貢献すべく、新規液晶性ºC以上の温度で徐々に暗視野に変化した（図 9 ）。これ

ER流体の開発に取り組んでいる。要介護者が歩くのをらの結果から、60 ºC付近に液晶相から等方相（Iso.）への支えたり、高齢者を抱える介護職員の負担を軽くしたり転移点を持つエラストマーが得られたと判断した。また、するなど、機能を絞った比較的安価なロボットの開発は小角エックス線回折（XRD）実験において、低角側（2-3º）

今後の高齢化社会において重要な検討事項となる。高速にブロードなピークが観察された（図10）。温度変化に対応答性を有する液晶性ER流体が開発されれば、電極間して強度の違いが見られたことから、POM観察で複屈など狭い隙間への適応性を兼ね備えたER流体をブレー折が見られた温度範囲においてネマチック相を発現してキとして実用化できる。その結果、モーターや大きな金いると判断した。

属部品を使わないコンパクトな設計が可能となり、ス球状の液晶エラストマーの電場応答性については、シマートな機器の開発につながると考えている。

リコンオイルに分散させたエラストマーをセル厚10 μ本研究では、片末端にビニル基を持つ液晶モノマー

mのITO表面電極付きガラスセルに充填し、電場による（5D-Cl-5）を用いて側鎖型の球状液晶エラストマーを合

エラストマーの形状変化をPOM観察により確認する予成し、交流電場を印加することによって形状変化させよ定であったが、粒径の制御ができず（10 μm以下にならうと試みたが、大きな形状変化は得られなかった。このず）、このセルを用いた実験には至っていない。そこで、理由として、エラストマー内部に密な高分子ネットワー

得られた球状液晶エラストマーをエタノールで洗浄した

クが形成され、電場に対する液晶分子の配向が抑制され後に室温で乾燥させ、シリコンオイル中に分散させたもたことが考えられる。したがって、高分子ネットワークのを自作の電極セル（電極間2 mm）に滴下し、横電界を内にも二周波駆動液晶分子を導入することで液晶分子の印加できるセル内で球状液晶エラストマーの変形の様子

配向が高分子ネットワーク全体に伝搬し、形状エラストを観察した。100 ºCおよび50 ºCにおける電場印加時のマーが変形しやすくなるのではないかと予想している。

― 111 ―

そこで、両末端にビニル基を持つ液晶モノマーを合成し、実博士、具足毅氏、金子喜三好博士に深甚なる謝意を表5D-Cl-5と組み合わせて複合型の球状液晶エラストマー

します。

を現在検討している。
また、フローフォーカシングデバイスを用いる際の有発表論文・発表等

機相および水相の流速と得られる球状エラストマーの粒（1）金子光佑、藤岡大毅、金子喜三好、渕上清実、花﨑径との関係を明らかにし、作製条件を適正化する必要も知則、’’二周波駆動液晶を用いたソフトアクチュエーある。有機相の流速に対して水相の流速を20倍、40倍、

タ 材 料 の 開 発 と 展 望’’、BIO Clinica, 36, 709-713

80倍と速くすることによって球状エラストマーの粒径は（2021）.

小さくなっていくことが考えられる。さらに、水相に添（2）Takayuki Menjo, Yushi Inaba, Kimiyoshi Kaneko,

加する界面活性剤の種類や濃度などの条件を詳細に検討

Kiyomi Fuchigami, Daiki Fujioka, Kosuke Kaneko,

し、より粒径の小さい球状エラストマーを得ることも今and Tomonori Hanasaki, ‘’Preparation of spherical

後の目標としている。その結果、球状エラストマーに対

liquid crystalline elastomers and observation of

して印加電場強度を大きくすることが可能となり、液晶

shape change under electric field’’, The 2021

分子の配向を促すことで大きな形状変化に繋がると考えInternational Chemical Congress of Pacific Basinている。

Societies, Honolulu, USA, 2021年12月.
（3）金子光佑、校條貴之、永田一馬、藤岡大毅、渕上清

謝辞

実、花崎知則、’’球状液晶エラストマーの合成と電本研究を遂行するための資金を援助していただいた公場印加下における形状の観察’’、化学工学会 第53回

益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝いたしま

秋季大会、信州大学 長野（工学）キャンパス、2022

す。また有益な御助言を頂きました立命館大学生命科学

年 9 月.

部の花﨑知則教授、藤岡大毅初任助教、ならびに渕上清― 112 ―

申請者

物質・材料研究機構

玉手

亮多

耐湿性と耐クリープ性を有する自己修復性イオン伝導
ソフトマテリアル
物質・材料研究機構

1 ．はじめにエネルギー・環境材料研究拠点

玉手亮多

そこで本研究課題では、「自己修復性とクリープ耐性」、

自己修復材料は自発的に損傷を修復できる革新的な材「自己修復性と耐湿性」のトレードオフを克服した新規料であり、従来の材料設計の概念を覆す長期利用可能

自己修復性イオンゲルの創製を目的として研究を実施し性・安全性を持った新素材として、実用化されれば持続た。その結果、イオン液体中のラジカル重合に特有なビ可能な社会の実現に大きく貢献すると期待される。特にニルモノマーの高分子量化を利用することで、超高分子

自己修復高分子・ゲル材料は生体親和性・柔軟性などの量ポリマーの物理的絡み合いから形成される、全く新し観点からウェアラブル機器やソフトロボティクスなど多いコンセプトによる自己修復イオンゲルを精製不要かつ分野への応用が想定される。

ワンポットで合成する手法を確立した（10）。本報告でイオン液体はアニオン・カチオンのみからなる常温溶は、超高分子量ポリマーの物理的絡み合いからなる自己融塩であり、高イオン伝導性・不揮発性・難燃性など通修復イオンゲルの重合特性や粘弾性、機械的強度、自己常の分子性液体にない優れた特性を示す。イオン液体を修復性に関して述べる。また、イオンゲルの自己修復挙高分子網目に閉じ込めた「イオンゲル」は揮発に伴う物動に及ぼすイオン液体とポリマー構造の効果やイオン液性変化がない安全・安定性の高いイオン伝導材料である。

体中におけるポリマーのミクロな溶存構造を調べた結果

こ の た め、 イ オ ン ゲ ル は 来 る べ きIoT（Internet ofを基に、自己修復メカニズムを議論する。

Things）社会におけるフレキシブル・ウェアラブルデバ
イスの電解質材料としての応用などが期待されている

2 ．イオン液体中の物理的絡み合いを利用したイオンゲルの創製（ 1 – 5 ）。
我々はこれまでに、イオン液体中におけるブロック共

Fig. 1aに疎水性イオン液体［C 2mIm］［TFSI］およ

重合体のナノ相分離構造と高分子間の水素結合を利用すび汎用有機溶媒であるトルエン中のMMAのラジカル重ることで、イオン液体を用いた自己修復材料「自己修復合における、分子量・モノマー転化率と熱開始剤濃度のイオンゲル」を報告した（6–8）
。本研究は室温で迅速関係を示す。［C2mIm］［TFSI］中におけるラジカル重に自己修復する高強度イオンゲルに関する初めての報告

合で得られたPMMAの数平均分子量（Mn）は、開始剤濃として注目を集めている。

度（cAIBN）の低下に伴い増加し、極低濃度（< 1 mM）におしかしながら、現状の自己修復イオンゲルの問題としいて分子量100万を超える超高分子量PMMAが得られて、大気中の水分が水素結合を阻害するため高湿下で力た。このとき開始剤濃度が非常に低いにもかかわらず、学特性が劣化するという現象が存在する。また、高荷重

モノマー転化率はほぼ100%を維持した。その結果、超下においてクリープ変形が発生する問題がある。この 2高分子量PMMAの物理的絡み合いにより、架橋剤フリー

点はMacromolecules誌50周年記念の高分子ネットワー

であるにもかかわらず透明で自立したイオンゲルが得ら

クに関する総説でも言及されており、近年活発に研究された（Fig. 1b）。一方重合溶媒として汎用有機溶媒であれている、可逆結合を用いた高分子材料に共通で存在す

るトルエンを用いた場合には、開始剤濃度を低減してもる課題である（9）。

分子量は最大で10万程度であり、モノマー転化率は40%― 113 ―

Fig. 1．
（a）
［C 2mIm］［TFSI］およびトルエン中のMMAのラジカル重合における開始剤濃度と分子量、モノマー転化率の関係。
（b）（c）イオンゲルの［C 2mIm］［TFSI］中の超高分子量PMMAの絡み合いにより形成されたイオンゲルの写真および概念図。
自己修復挙動。ダンベル状に成型した 2 つのゲルを切断し、切断面を接触させると自発的な修復が発現する。
（d）異なる自［TFSI］： 1-ethyl-3-methylimidazolium bis
己修復時間におけるイオンゲルの応力-歪み曲線および破断強度。
［C 2mIm］（trifluoromethanesulfonyl）imide, MMA：methyl methacrylate, AIBN：2,2’-azobis（isobutylonitrile）.

程度と著しく低下した。これらの結果から、トルエンの

4 ．物理的絡み合いによって形成されるイオンゲルの自己修復メカニズム

ような分子性液体中でのMMAのラジカル重合と比較しイオンゲルの自己修復メカニズムを検討するため、超て、イオン液体中では特異的な重合反応の進行により超高分子量ゲルを切断してから切断面を接触させるまでに高分子量体が得られることが示唆された。

待機時間を設けてから切断面を接触させた場合の自己修
3 ．物理的絡み合いを利用したイオンゲルの力学特性

復特性を検討した。その結果、待機時間を延ばすと修復

超高分子量ポリマーの物理的な絡み合いにより形成さ効率が減少していくことが判明した（Fig. 2a）。これは、れたイオンゲルの力学特性を評価した結果、幅広い温水素結合などの超分子結合を利用した自己修復材料にお度・周波数範囲における優れた機械的安定性を示した。

いてもみられる現象である（11, 12）。超分子結合を利用

また引張試験から、500%以上の延伸に耐え得る伸長性、した自己修復材料においては、切断直後は開裂したフおよび熱成形によるリサイクル性を示すことが分かっ

リーの結合点が界面に多量に存在するが、切断面を接触た。更に特筆すべきことに、このイオンゲルは室温におさせるまでの待機時間を延ばすと界面近傍のフリーな結ける迅速な自己修復性を示した（Fig. 1c, d）。一般的に合性官能基が徐々に減少するため、自己修復効率が減少

高分子の分子量が高くなるに従い高分子のレプテーショ

する。このアナロジーから、物理的絡み合いからなるイン運動の緩和時間は長くなる。このため直感的には高分オンゲルの自己修復現象においても、切断直後の界面に子の分子量が高くなるほど破断面の絡み合いは起こりにおける高分子鎖は非平衡で絡み合いの少ない状態にあくくなる。しかし、創製したイオンゲルは百万を超える

り、高分子鎖同士による素早い絡み合いの再構築が起こ

超高分子量体の絡み合いからなるゲルであるにもかかわり迅速な自己修復性を発現していると推測される（Fig.

らず、室温での迅速な自己修復挙動を発現した。

2b）。
ま た、 モ ノ マ ー 種 依 存 性 の 検 討 か ら、poly（ethyl
methacrylate）（PEMA, Tg ~ 65 °C）を用いた超高分子― 114 ―

Fig. 2．
（a）異なる待機時間を設けた後に切断面を接触し 6 時間自己修復させた後のPMMA/［C 2mIm］［TFSI］イオンゲルの応［TFSI］およびPEMA/［C 2mIm］［TFSI］
力-歪み曲線。（b）待機時間の有無による修復過程の模式図。
（c）PMMA/［C 2mIm］［TFSI］および（e）PEMA/［C 2mIm］［TFSI］
イオンゲルの自己修復前後の応力-歪み曲線。
（d, e）（d）PMMA/［C 2mIm］
におけるメタクリレートポリマーの酸素原子とC 2mImカチオンのプロトン原子間の対相関関数、およびPMMAとPEMAの慣性半径（Rg）。

ゲルはPMMA（Tg ~105 °C）と比較して、ガラス転移温

オン液体である［C2mIm］［TFSI］から形成されるため、度が低くミクロな分子運動性が高いと推測されるにもか耐湿性が高く、我々が以前に開発した水素結合を利用しかわらず自己修復効率が低い（Fig. 2c）
。このことから、た自己修復イオンゲルと異なり、湿度による影響が小さ

超高分子量ゲルの切断面において物理的絡み合いが再形い。しかしながら、クリープ変形に関しては依然として成される過程には、高分子とイオン液体の相互作用など存在するため、今後は耐湿性に加えて耐クリープ性を向の複雑なミクロスケールの現象が関与していると考えら上させる試みが必要である。

れる。分子動力学計算から、PMMAはPEMAと比較してよりイオン液体［C2mIm］［TFSI］のカチオンにより6 ．謝辞

溶媒和されており、イオン液体中で拡がった形態をとっ本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を頂きましていることが示唆された（Fig. 2d, e）。このため、切断た公益財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上

界面においても拡がった高分子鎖が存在して絡み合いのげます。

再形成が起こり易く、PMMA/［C2mIm］［TFSI］イオ
7 ．参考文献

ンゲルは高い自己修復性を示したと考えられる。

1 ．T. Ueki, M. Watanabe, Macromolecules in Ionic
5 ．まとめLiquids： Progress, Challenges, and Opportunities.
Macromolecules. 41, 3739–3749（2008）.

本研究では、イオン液体中における高分子鎖の物理的な絡み合いという非常にシンプルで新しいアプローチに

2 ．R. Tamate, K. Hashimoto, T. Ueki, M. Watanabe,

よる自己修復イオンゲルの創製を行った。この自己修復

Block Copolymer Self-Assembly in Ionic Liquids.

イオンゲルは、疎水性高分子であるPMMAと疎水性イ

Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 25123–25139（2018）.

― 115 ―

Liquids and Block Copolymer Self-Assembly.

3 ．R. Tamate, M. Watanabe, Recent Progress in Self-

Polym. J. 53, 789–798（2021）.

Healable Ion Gels. Sci. Technol. Adv. Mater. 21,

9 ．C. Creton, 50th Anniversary Perspective：

388–401（2020）.

Networks and Gels：Soft but Dynamic and Tough.

4 ．Y. Kitazawa, K. Ueno, M. Watanabe, Advanced

Macromolecules. 50, 8297–8316（2017）.

Materials Based on Polymers and Ionic Liquids.
Chem. Rec. 18, 391–409（2018）.

10．Y. Kamiyama, R. Tamate, T. Hiroi, S. Samitsu, K.

5 ．J. Le Bideau, L. Viau, A. Vioux, Ionogels, Ionic

Fujii, T. Ueki, Highly Stretchable and Self-Healable

Liquid Based Hybrid Materials. Chem. Soc. Rev.

Polymer Gels from Physical Entanglements of

40, 907–925（2011）.

Ultrahigh Molecular Weight Polymer. submitted.

6 ．R. Tamate, K. Hashimoto, T. Horii, M. Hirasawa, X.

11．P. Cordier, F. Tournilhac, C. Soulié-Ziakovic, L.

Li, M. Shibayama, M. Watanabe, Self-Healing

Leibler, Self-Healing and Thermoreversible Rubber

Micellar Ion Gels Based on Multiple Hydrogenfrom Supramolecular Assembly. Nature. 451, 977–

Bonding. Adv. Mater. 30, 1802792（2018）.

980（2008）.

7 ．R. Tamate, K. Hashimoto, X. Li, M. Shibayama, M.

12．E. B. Stukalin, L.-H. Cai, N. A. Kumar, L. Leibler, M.

Watanabe, Effect of Ionic Liquid Structure on

Rubinstein, Self-Healing of Unentangled Polymer

Viscoelastic Behavior of Hydrogen-Bonded

Networks with Reversible Bonds. Macromolecules.

Micellar Ion Gels. Polymer 178, 121694（2019）.

46, 7525–7541（2013）.

8 ．R. Tamate, Healable Soft Materials Based on Ionic― 116 ―

申請者

岐阜大学

植村

一広

異種金属結合による第一遷移金属の一次元配列化と磁気物性評価
岐阜大学

植村

1 ．背景と目的

工学部

一広

属一次元鎖錯体を合成し、異方的に配置された第一遷移金属錯体は電子状態の多様な金属イオンと、設計性に富んだ有機配位子で構成され、それらをうまく組み合わ

金属の磁気物性、異種金属を介した磁気相互作用の強さを評価した。

せ、規則的に配列した集積型金属錯体は、有機物や無機物を超える物性や機能性が期待される。z方向へd-バン

2 ．結果と考察

ドを形成し、直接の金属-金属結合を有する一次元鎖錯

2-1．白金に第一遷移金属がサンドイッチされた三核錯体体は、興味深い導電/磁気物性が見出されてきた物質群

異種金属一次元鎖錯体の前駆体となるPt–M–Pt（M：

であり、dz2軌道にHOMOをもつd8金属種の部分的に酸

第一遷移金属）と並んだ三核錯体の合成と物性評価をし化することで合成することができ、ロジウム、パラジウ

た。既報を参考に、アミダート配位子が 2 つぶらさがっム、イリジウム、白金の 4 種類の金属が扱われてきた。

た 白 金 単 核 錯 体 のcis-［Pt（NH3）（piam）（piam =
2
2］

第一遷移金属は、一般に、第二周期、第三周期の金属に

pivalamidate）を合成した。同様に、トランス配位でぶ

比べ配位子場分裂が小さく、酸化還元活性、様々なスピらさがったtrans-［Pt（NH3）（piam）の合成に成功した。
2
2］

ン状態、光や温度等の外場応答性など、電子柔軟性を持

こ れ ら と、 2 価 の 第 一 遷 移 金 属 の 塩 化 物MCl（M=2

ちあわせている。もし、第一遷移金属を金属結合で一次Mn、Co、Ni、Cu）お よ び 過 剰 量 のNaX（X = ClO4–、

元状に並べれば、異方的な導電/磁気物性が期待できるPF6–）を 混 合 し て、cis-［Pt2M（piam）（NH43）
4］X（c-M）
2

が、現在の合成化学では、第一遷移金属を単独で一次元

お よ びtrans-［Pt2M（piam）（NHを 得 た。
43）4］X（t-M）2状に並べることは難しい。

FeCl2の場合、合成の過程で、自然に酸化され、cis-［Pt2Fe

このような中、我々は、白金四核錯体とロジウム複核（piam）（NH
お よ びtrans-［Pt2Fe（piam）
43）4］X（c-Fe）34錯体から、 2 種類の金属が規則的に並んだ一次元鎖錯体（NH3）4］X（t-Fe）となる傾向があることがわかった。
3の合成に成功している 。この一次元鎖錯体は白金とロ

未だ報告していないc-Mnに対し、単結晶X線構造解

ジウムが、–Rh–Rh–Pt–Pt–Pt–Pt–と、金属–金属結合に析 で 結 晶 構 造 を 明 ら か に し、 各 諸 物 性 測 定 をし た。

よって一次元状に規則的に並び、 2 種類の金属錯体間のc-Mnには 2 種類の三核構造が存在し、 1 つは、マンガ

dz 軌道間でのHOMO-LUMO相互作用で合理的に得られンに白金 2 つとpiamの酸素原子 4 つが八面体配位したている2。有機配位子を替えて一次元鎖全体のバンド構

もの、もう 1 つは、マンガンにpiamの酸素原子 4 つが造を制御したり、金属の組み合わせを変えて常磁性化す

四面体配位し、白金 2 つと非常に近い距離にあるものでることも可能であり、ロジウム複核錯体をルテニウム複6あった（図1a）。c-MnのMeCN中でのサイクリックボル

核錯体にすると–Ru–Ru–Pt–Pt–Pt–Pt–と3、白金四核錯

タンメトリーの結果、0.06 V（vs. Fc/Fc+）に可逆な酸化体を白金-銅三核錯体にすると–Rh–Rh–Pt–Cu–Pt–と並

還 元 波 が 確 認 で き た。 さ ら に、MeOH、EtOH、び4、不対電子が局在化した異種金属一次元鎖錯体が得

Me2CO、THF、MeCN中での77 KでのESR測定したとられる 。本研究では、第一遷移金属を規則的に組み込

ころ、MeOHではgMeOH,1 = 1.98、AMeOH,1 = 89×104 cm−1；

んだ一次元鎖錯体の合成と導電/磁気物性を評価するこgMeOH,2 = 2.00、AMeOH,2 = 89×104 cm−1、MeCNで は、とを目的とする。 3 種類の金属が規則的に並んだ異種金

gMeCN,1 = 1.98、AMeCN,1 = 89×104 cm−1；gMeCN,2 = 2.00,

1

2

5

― 117 ―

AMeCN,2 = 89×104 cm−1の シ グ ナ ル を 示 し た。 一 方、

2-2．酢酸ルテニウムおよび酢酸ロジウムとの多核集積化

EtOH、Me2CO、THFのスペクトルは、g = 6付近にシc-Mとt-Mともに、両白金の形式的酸化数はPt（+ 2 ）で、グナルが観測された。大きなg値は,ゼロ磁場分裂（=

dz2軌道がHOMOとなり、dz2軌道にLUMOをもつ酢酸ル

ZFS）によるためで、S = 5/ 2 に特徴的で、マンガンがテニウムおよび酢酸ロジウムと異種金属結合を形成する

ハイスピン状態であることがわかる。THFでは、gTHF =はずで、多核集積化を試みた。別途合成した常磁性複核−14.16、ATHF = 165×10 cm にマンガンによる超微細構錯体の［Ru（O2
2CCH3）
4］Xおよび［Ru（O2
2CCH3）
4］と、造の 6 つ分裂したシグナルがみられた。みかけ上、g値

不対電子のない複核錯体の［Rh（O2
2CCH3）
4］を、c-Mが大きくなるのは、ZFSの影響によってMn周りの対称およびt-Mと混合した。

性が低下しているためで、アキシャルZFSパラメータD

［Ru（O
c-Mを、
2
2CCH3）
4］Xおよび［Ru（O2
2CCH3）
4］と、が0.25 cm−1以上、かつ、面内ZFSパラメータをEとする

溶媒をMeOH、EtOH、Me2CO、THF、MeCNとかえ、と、E/D = λ ＝ 0のとき、g = 6付近に観測される。まアニオンとして、NO3–、ClO4–、CF3SO3–、CF3CO2–を添た、大きなDとλ ≈ 1/ 3 では、g = 4付近に観測される。

加して会合を狙ったが、現在のところ、希望の結晶構造

つまり、EtOH、Me2CO、THF中の［Pt2Mn（piam）（NH
4
3）

を も つ 単 結 晶 を 得 る に 至 っ て い な い。 し か し、［Ru2（PF6）］2では、Mnまわりのd軌道は立方対称からかけ離（O2CCH3）4Cl］とc-MnをMeOH中で混合し、ゆっくり蒸れ、異方的な広がりをもつことが考えられる。

発させて、茶色結晶を得た。単結晶X線構造解析の結果、

4

4

一方、t-MのMとPtは、 2 つのpiamがトランス配位で［{Ru（O（piam）（（ClO4）6n2
2CCH3）
4Cl2}{Pt 2Mn
4 NH3）4}3］n7
架橋した三核構造であった（図1b）。Pt–M間距離はc-M（1）であり、ルテニウム複核錯体と白金-マンガン三核錯と同様であったが、t-Mは二量化しPt–M–Pt---Pt–M–Pt

体は、金属結合を形成せず、白金-マンガン三核錯体が六核構造を形成していた。Pt---Ptは約3.9 Åの距離にあっルテニウム複核錯体のアキシャル位に配位したCl−を介た。t-MのMeCN中でのサイクリックボルタンメトリー

し、ジグザグとした一次元鎖を形成していた（図2a）。まの結果、t-Cu以外で、 2 段階の酸化還元波が観測され、た、別の白金-マンガン三核錯体が一次元鎖間に存在し、溶液中でも二量体を維持していることがわかった。

パッキングしていた。金属間距離は、Ru1–Ru1’ = 2.2828（13）Å、Pt1–Mn1 = 2.6404（4）Å、Pt2–Mn2 = 2.9507（14）Å、Pt3–Mn2 = 3.0136（15）Åであった。また、白
金-マンガン三核錯体は、マンガン周りの配位環境が、一次元鎖中ではオクタヘドラル（Oh）配位、一次元鎖間ではテトラヘドラル（Td）配位であった。配位結合距離はMn1–O = 1.906（6）Å、1.913（7）Å、Mn2–O = 2.060（7）Å、2.074（8）Å、2.077（7）Å、2.087（7）Åであった。
BVS法から結合原子価は、Oh配位で2.86、Td配位で1.85であり、一次元鎖中Oh配位のマンガンは一電子酸化され、 3 価になっていると考えられる。
次 に、［Rh（O［Rh2
2
2CCH3）
4］ と の 会 合 を 試 み た。
（O2CCH3）4］と、c-Coもしくはc-Cuとの異種金属一次元鎖錯体については既に論文公表済である4, 8。一方、［Rh2（O2CCH3）4］とc-MnをEtOH中で混合し、ヘキサンをゆっ
くり拡散すると、オレンジ-黄色の偏光を示す単結晶が析出した。単結晶X線構造解析の結果、［{Rh（O
2
2CCH3）
4}{Pt2Mn（piam）（NH（2） で、–
43）4}］n（PF6）
2n·1.5nEtOH
Rh2–Pt–Mn–Pt–と 並 ん だ 一 次 元 鎖 錯 体 で あ っ た（ 図

図 1 ．（a）c-Mnと（b）t-Mnの三核構造.

2b）。白金-マンガン三核錯体中のマンガンはpiamの酸素― 118 ―

図 2 ．（a）1と（b）2の一次元構造と（c）3のハニカム構造.

原子 4 つがTd配位し、ジグザグした一次元骨格を形成

Å、Cl（1）–Pt（ 2 ′）= 2.926（1）Åの距離でブリッジされ、していた。金属間距離は、Pt
（2）
---Mn
（1）= 3.2927（11）ジグザグ鎖を形成し、さらにCl–が［Rh（O2
2CCH3）
4］にÅ、Mn（1）–Pt（1）= 3.0099（12） Å、Pt（1）–Rh（1）=配位することで、ハニカム状の二次元構造を形成してい2.8108（6）Å、Rh（2）–Rh（2）= 2.7752（6）Åであった。

た（図2c）。

Mn周りは、Mn–O = 2.040（7）Å、2.058（7）Å、2.066（6）Å、2.035（6）Å で あ っ た。 ま た、
［Rh（O2
2CCH3）
4］ と2-3．磁化率測定
図3aに、c-Mnと 2 の磁化率測定の結果を示す。c-Mn

c-Ni、もしくはt-Cuからも良好な単結晶が得られ、現在、の300 KでのχT値は4.41 cm3 K mol−1で不対電子 5 つ分

追跡中である。
次に、［Rh（O2
2CCH3）
4Cl2］とt-FeをMeOH中で混合すに相当することを確認した。また、χT値は10 Kまで一ると、黒色単結晶を得た。単結晶X線構造解析の結果、

定で、10 K以下で減少し、3.86 cm3 K mol−1となった。

［{Rh（O（piam）（NH
2
2CCH 3）
4Cl 2}{Pt 2Fe43）4} 2］n（ClO 4）4n

この減少はZFSのためで、フィッティングの結果、ESR（3）で あ り、［Rh（O2
2CCH3）
4］ とt-Feが 1 ： 2 で 含 ま れの結果と同じで、D = 1.21 cm−1となった。一方、 2 のていた。三核錯体の両白金は、Pt（1）–Cl（1）= 2.8121（14）磁化率測定の結果、300 KでのχT値は5.33 cm3 K mol−1― 119 ―

図 3 ．（a）c-Mnと 2 、（b）（c）t-M、（d）3の磁化率測定の結果．実線はフィッティングの結果．

であり、不対電子 5 つがマンガン上に局在化していると

図3dに、 3 の 2 –300 Kでの磁化率測定の結果を示す。

考えられる。χT値は、40 K以下で減少し、2 Kで1.65

300 Kで、χT値は4.35 cm3 K mol−1であり、Fe上の不cm3 K mol−1と な っ た。ZFSを 考 慮 し た 分 子 場 近 似 で対電子 5 個分に相当することがわかった。40 Kまでゆ

フィッティングしたところ、zJ = –0.43 cm の反強磁性

るやかに減少し、それ以下で急に減少し、2 KでχT値

的相互作用が働くことがわかった。 2 中のマンガンは,は2.24 cm3 K mol−1となった。ZFSを考慮した分子場近–Pt–Rh–Rh–Pt–を介し、約14 Åの距離で隔てられてお似の結果、zJ = –0.12 cm−1と弱いながらも反強磁性的相り、長距離にも関わらず相互作用が働くのは、金属結合互作用を示すことがわかった。

−1に由来するためと考えている。
図3bに、t-Mの磁化率測定の結果、300 KのχT値は3.90

3 ．まとめ（Mn）、2.51（Co）、1.05（Ni）、0.43（Cu）cm3 K mol–1で、以上、当初目的としていた–Ru2–Pt–Mn–Pt–と並んだ不対電子がそれぞれ 5 、 3 、 2 、 1 個あり、第一遷移金

一次元鎖錯体の合成は達成できていないが、幾つかの新属は高スピン状態であることがわかった。Mn、Co、Ni

しい常磁性異種金属一次元鎖錯体の合成に成功し、そのを含む三核錯体では、低温域で反強磁性体への転移が確

磁化率測定をし、知見を得ることができた。過去の有機認され（ 図3c）、 ネ ー ル 温 度 はMn： 9 K、Co： 13 K、物およびハライドイオンで架橋された同様の一次元鎖錯

Ni：24 Kであった。この転移は二量化によるためだが、体と磁気的相互作用の強さを比較すると、異種金属結合

Cuの場合は、dx2–y2スピンであるため、相互作用が弱くの方が強いことがわかりつつある5。例えば、t-Mの場合、転移 が 観 測 さ れ な いと考えらえる。白金間距離 は、

末端白金間距離が3.8〜4.0 Åとファンデルワールス半径

Mn：3.81 Å、Co：3.87 Å、Ni：3.96 Åであり、比較的より長いにも関わらず、明確なネール温度を示すことが長い距離にも関わらず相互作用が発現するのは、金属結わかった。希望の合成が達成できない原因に、異種金属合の強さのためと考えられる。

結合間の配位子同士の反発が考えられる。具体的には、― 120 ―

異種金属結合を形成してる場合は、カルボニル酸素とア

5 ．参考文献

ンモニアとのように相補的な水素結合が働いている場合

1 ．K. Uemura, M. Ebihara, Inorg. Chem. 2011, 50,
7919–7921.

が多い。今後は、dz2軌道のHOMO-LUMO相互作用だけ
でなく、配位子間の相互作用も考慮していく予定である。

2 ．K. Uemura, Dalton Trans. 2017, 46, 5474–5492.
3 ．K.Uemura, N. Uesugi, A. Matsuyama, M. Ebihara, H.

4 ．謝辞

Yoshikawa, K. Awaga, Inorg. Chem. 2016, 55,
7003–7011.

本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団からの研究助成を受けて行われたものであり、ここに厚くお礼

4 ．K. Uemura, M. Ebihara, Inorg. Chem. 2013, 52,5535–5550.

申し上げます。本研究の一部は文部科学省ナノテクノロ
ジ ー プ ラ ッ ト フ ォ ー ム 事 業 分 子・ 物 質 合 成

5 ．K. Uemura, A. Takamori, Coord. Chem. Rev. 2022,
in press.

（JPMXP09S21MS1025）の支援により自然科学研究機構
分子科学研究所で実施されました。また、実験をサポー

6 ．K. Uemura, Y. Aoki, A. Takamori, Dalton Trans.
2022, 51, 946–957.

トしてくれた岐阜大学大学院卒業生の青木友佑君と、博士後期課程 3 年生の高森敦志君に感謝します。

7 ．A. Takamori, K. Uemura, Inorg. Chem. 2022, 61,
5762–5778.
8 ．K. Uemura, R. Miyake, Inorg. Chem. 2020, 59,
1692–1701.

― 121 ―

申請者

物質・材料研究機構

山内祥弘

超巨大高分子による透明性と強靭性を両立した
ナノ相分離プラスチックの開発
物質・材料研究機構

1 ．はじめに機能性材料研究拠点

山内祥弘

本研究では、2-ブロモイソブチリル基をメチレンオキ

リビング重合法の発展により、近年精密かつ複雑な高シドスペーサーを介して、ノルボルネン骨格に連結した分子の合成がより一層可能になってきた。中でも、ボト誘導体（NB）が上述した条件を満たす極めて有効なモノ

ルブラシポリマーは 1 本の主鎖とそれからグラフトされマーであることを見出した。このモノマーを出発原料とた複数の側鎖から構成されたユニークな高分子である。

して、まず主鎖合成を開環オレフィンメタセシス重合

側鎖間の排除体積効果により、主鎖が伸びた形態をとる（ROMP）で、続いて側鎖合成をPNBから原子移動ラジため、シリンダー型の構造をとる。主鎖と側鎖の重合度

カル重合（ATRP）により行いボトルブラシポリマーを合を制御することによって、このシリンダー構造の長さと成した（図1b）。NBの重合は、NBと開始剤のRu錯体（第直径を制御することができる。加えて、リビング重合す

3 世代Grubbs触媒）比率によって、30から10,000まで狭るモノマーの選択によって、化学的性質の制御も可能で

い分子量分布を維持しつつ進行した（図1c, d）。この時、ある。このため、ボトルブラシポリマーは、長さ・直径・NBの単結晶を利用した。NBは酢酸エチルに溶かして室化学的性質・分子量分布をそれぞれ独立に自在制御可能

温で蒸発濃縮することにより、針状の単結晶を析出する。

な 1 次元ナノマテリアルとして捉えられるという特徴を

この結晶は、水や溶媒分子を含んでおらず、NB同士が有する。
本研究では、多様なボトルブラシポリマーを精密合成するための要素技術の確立、および、それをフィラーとして応用した相分離プラスチックの開発について報告する。前者と後者、ともに論文として国際誌（1）（2）に掲載済みである。本稿では、これらの重要な点に焦点を当て結果報告する。
2 ．ボトルブラシポリマーの精密合成（1）高分子の鎖長は、高分子材料のバルク特性に影響を与える重要な因子である。しかしながら、最新の高分子合成技術を駆使しても、マイクロメートルを超える鎖長を有する高分子の精密合成は容易ではなく、開始速度と伝搬速度を制御しながら、素反応を高効率で繰り返す分子設計が必要である。また、ボトルブラシポリマー合成の基点となるモノマーには主鎖方向と側鎖方向への高分子
鎖を伸長するために異なる反応性のユニットを組み込むという制約がかかる。

図1．
（a）ボトルブラシポリマーの長さ：本研究と過去の文献値との比較,（b）ボトルブラシポリマーの合成ス
キーム.主鎖の構築にROMP, 側鎖の重合にATRPを利用, （c）PNBのサイズ除去クロマトグラフィーのプロファイルとその（d）Mn および Mw/Mnプロット.

― 122 ―

互いに密に充填された構造をとっていることを単結晶X開が期待できる。

線構造解析により明らかにした。この単結晶をROMPに直接利用することによって、系内の純度を向上させると3 ．ボトルブラシポリマー複合プラスチックの開発（2）いう戦略である。結果、コンバージョンはいずれの比率

プラスチック材料を強化するために、マトリックスにでも99%以上。反応速度は極めて速く10,000量体の反応

フィラーを充填する戦略は広く採用されている。しかしもわずか15分で完結した。10,000量体という重合度の極ながら、設計性に欠ける既存のフィラーはマトリックス

めて大きな高分子にもかかわらず、分子量分布 Mn/との屈折率差に基づく相界面での光散乱により、材料のMw = 1.17という優れた値を示した。PNBからスチレン

透明性を低下させるという問題を抱える。本研究では、やアクリル酸、メタクリル酸系のモノマーを重合し、化

ボトルブラシポリマーが（1）形状、（2）ガラス転移温度、学的性質の異なる側鎖を有するボトルブラシポリマーを（3）屈折率を調整可能なフィラーとなる可能性に着目し、合成した。これにより、
ボトルブラシポリマーの親水性、ボトルブラシポリマーを複合したプラスチックを合成し疎水性、ガラス転移温度などの性質を制御できた。合成た。

したボトルブラシポリマーの側鎖を主鎖から切り離し、透明性と強靭性を両立するために、マトリックスを

分子量分布を求めた結果、Mn/Mw = 1.12-1.24という値

poly（t-butyl methacrylate）、ボトルブラシポリマーのであった。以上より、主鎖と側鎖の両方が精密に合成さ側鎖をpoly（n-butyl acrylate）に選定した。これらは両れていることが確かめられた。また、原子間力顕微鏡に者の屈折率のマッチングとガラス転移温度（Tg）が室温よる直接観察からも、ボトルブラシポリマーがサイズ除を基準として上か下かという観点によるものである。材

去クロマトグラフィーのデータから予測される精度で合料の透明度の低下を防ぐために、ボトルブラシポリマー

成されていることを確認した（図2a-d）。この合成法は、とマトリックスの屈折率を揃え（nD = 1.46）、ガラス性

主鎖長が7μmのボトルブラシポリマーの合成をも可能

マトリックス（Tg = 89. 1 ℃）を高靭化するためのフィにした（図1a, 図2d）
。これは、これまでに合成された精ラーとして、ゴム状の性質（Tg = −48.1 ℃）を示すボト

密ボトルブラシポリマーの中で「史上最長」である。こルブラシポリマーを用いた。

の合成法を基盤として、ボトルブラシポリマーを自在合

前項の合成法に基づき、主鎖がpolynorbornene（DP

成可能な 1 次元ナノマテリアルとした、様々な研究の展= 600）、側鎖がpoly（n-butyl acrylate）（DP = 88）のボト
ルブラシポリマーPNB600-b-PBA88（Mn = 1.1 ×106, Mw/
Mn = 1.21）を合成し、これをマトリックスの前駆体であるt-butyl methacrylateに10 wt%加え溶解させた後、光重 合 開 始 剤2-hydroxy-2-methylpropiophenone を0.8
mol%加えた。得られた溶液をUVランプ（500 W）により
1 時間光照射して重合固化し、ボトルブラシポリマーが埋め込まれたプラスチックを得た（図3a,b）。このプラス
チックは、マトリックス単独と比べて透明性を大きく損な う こ と が な い 上 に、 強 靱 化 さ れ て い る こ と を、
Vickers硬度試験（図3c,d）、衝突試験（図3e）より明らかにした。これに加えて、ボトルブラシポリマーが優れたフィラーである点として、ボトルブラシポリマーをマトリックスに埋め込むと、得られた材料の破壊靭性が増加させることに加えて、耐熱性も向上させる効果があるこ

図 2 ．原子力顕微鏡によるボトルブラシポリマーの直接観察.
（a）33 nm,（b）100 nm,（c）1 mm and（d）7 mm（史
上最長）.

とである
（図3e下段Tg）。示差走査熱量計により、ボト
ルブラシポリマー10 wt%を複合したプラスチックのTg
は、99.1℃まで向上することがわかった。マトリックス― 123 ―

（Tg = 82.6 ℃）という結果であった。
この結果は、化学的性質が同じ高分子鎖でも高分子鎖の連結方法を変えることで、材料特性を反対方向へ転換できるということを示唆するものである。他の高分子鎖の組み合わせでも同様の現象が普遍的に観測されるか、今後の更なる検討が必要である。
4 ．謝辞
本研究を遂行するにあたり、ご支援を賜りました公益
財団法人松籟科学技術振興財団に厚く御礼を申し上げます。また、本成果を発表した論文の共著者である物質・材料研究機構および理化学研究所の皆様に心より感謝を申し上げます。
5 ．発表論文1）
Yoshihiro Yamauchi,* Noriko Nishizawa Horimoto,Kuniyo Yamada, Yoshitaka Matsushita, Masayuki
Takeuchi, Yasuhiro Ishida*
図3．
（a）ボトルブラシポリマーを複合したプラスチックの合成とその（b）写真. （ c）破壊靱性値 と（d）ビッ
カース硬さ,（e）落球衝撃試験 と ガラス転移温度.
（i）マトリックスのみ,（ii）鎖状高分子（LP）10wt%複合したプラスチック,（iii）ボトルブラシポリマー（BP）
10 wt%複合したプラスチック.

“Two ‐ Step Divergent Synthesis of Monodisperse

単 体 のTgは89.1ºC、 ボ ト ル ブ ラ シ ポ リ マ ー のTgは −2）
Yoshihiro Yamauchi,* Sadaki Samitsu, Kenta Goto,and Ultra ‐ Long Bottlebrush Polymers from an
Easily Purifiable ROMP Monomer”
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 1528-1534.
Selected as “Hot paper” and “Front cover picture”.

48.1ºCであることを考慮すると、Tgの上昇は予期せぬ結

Masayuki Takeuchi

果であった。一方で、対照実験として行なった市販のリ“Bottlebrush polymer-reinforced transparent

ニ ア ポ リ マ ーpoly（n-butyl acrylate）（Mn = 2.0 ×10 ,multiphase plastics with enhanced thermal

Mw/Mn = 3.0）
を10 wt%埋め込んだプラスチックは、破stability”

壊靭性は増加するが、ガラス転移温度が下降してしまう

Chem. Commun., 2020, 56, 14641-14644.

4― 124 ―

申請者

東北大学

石田

真太郎

可視光を用いた選択的脱芳香族化による交差共役および拡張キノイド型機能性分子の創製
東北大学

1 ．背景

大学院理学研究科

石田真太郎

ン（以下シレピン）の吸収および発光波長はシクロへプタ

π共役系化合物の周辺にケイ素原子を導入するとSi–

トリエンのものよりも長波長シフトする6。これまでに、

C結合のσ（σ*）軌道が共役系のπ（π*）軌道と相互作用

ジベンゾシレピンの周辺置換基がシレピンの物性に与えし（σ–π共役）、酸化還元的性質や光物性が変化する1。

る影響や6a、ケイ素中心が 5 配位であるジベンゾシレピ

この性質を利用した様々な含ケイ素環状π電子系化合物

ンをモノマー単位に持つポリマーDの性質が明らかとが合成されている。例えば、図 1 に示すようなケイ素置なっている6b,c。しかし、これまで報告されているシレピ

換を持つアントラセンA2やピレンB3は無置換のものに比ンのほとんどはジベンゾまたはトリベンゾシレピンのよべ吸収の長波長シフトや蛍光量子収率の向上が見られうなπ電子系が縮環したものに限られており、ベンゾ縮る。これはSi–C結合のσ*軌道と共役系のπ*軌道間の相環の無いシレピンについては合成上の制約により性質は互作用により、LUMOのエネルギー準位が低下すると未解明な部分が多い6d。特にシレピンが直接連結したオ

ともに、共役の伸長によりπ–π*遷移の振動子強度が増

リゴシレピンはこれまで合成例が無く、シレピン環を連大し、一重項励起状態からの放射過程が促進されたため結させることによって得られる構造や物性に興味が持たと説明されている1。含ケイ素五員環化合物であるシローれる。

ルCはピロールやチオフェンなどの他の複素五員環に比これに対して先に我々は、単離可能なジアルキルシリ

べ低いエネルギー準位のLUMOを持ち、その誘導体は

7
レン1（カルベンのケイ素類縁体）
が可視光照射によりベ

有機ELの電子輸送材料として実用化された。これは環ンゼンなどの芳香族化合物と反応してシレピンを与える

外Si–C結合のσ*軌道とブタジエン部位のπ*軌道とのσことを報告している（スキーム 1 ）8,9。これはBuchner環*–π*共役が有効に作用することに起因する4,5。

拡大反応のケイ素版に相当し、最初に脱芳香族化型の含ケイ素七員環化合物であるシラシクロヘプタトリエ

図 1 ．含ケイ素π電子系化合物の例

スキーム 1― 125 ―

（ 1 + 2 ）環化付加反応が進行し、続く環拡大によりシレ4aを収率38％で得ることに成功した。化合物4aの同定ピンを与える。脱芳香族化反応は、容易に得られる芳香は各種NMRスペクトル、高分解能質量分析およびX線族化合物を脂環式化合物に変換できるため、合成化学的

結晶構造解析（図 2 ）により行った。これはビシレピンの利点が大きい。そのため近年反応開発のトピックスの一合成および単離の初めての例である。いずれの七員環もつとして注目されている10。

ボート型配座を取っており、置換基間の立体反発を避け

そこで今回、スキーム 1 の反応を利用して入手容易なる形となっていた。
期待したように、ビシレピン4aはシリルエノールエー

芳香族化合物から交差共役系分子11であるビシレピンおテル部位を持つために、クロロホルム中の水分により容よびπ拡張されたシレピンの合成を検討した。

易に加水分解してジケトン4bを収率72%で与えることが2 ．結果と考察分かった（スキーム 3 ・図 3 ）。この一連の反応はシリレ

ビシレピンの合成
初めにビシレピンの合成を検討した。脱芳香族化型環化付加の位置選択性制御と、ビシレピンの官能基化のために、フェノール部位をトリメチルシリル基で保護したビフェニル誘導体3aを基質として用いた。スキーム2aに示すように、3aと 2 当量の 1 のヘキサン溶液に対して室温で青色LED光（発光波長448 nm）を照射したとこ
ろ溶液の色は 2 時間で退色した。生成物解析から未反応の3aとともに目的のビシレピン4aおよび3aの片方のア
リール基のみ反応したシレピン 5 を含む複雑な混合物の生成が確認された。しかしこの混合物の中から目的のシレピンを単離することはできなかった。
量論反応では望みの反応の効率および選択性が悪いた
め、段階的に脱芳香族化反応を行うことにした（スキー

図 2 ．ビシレピン4aの分子構造.

ム2b）。シリレン 1 に対して 5 当量の3aを用いて光反応を行うことで、シレピン 5 を収率74%で単離した。得られた 5 に対して同様の反応を行うことで、ビシレピン

スキーム 3

スキーム 2

図 3 ．ジケトン4bの分子構造.

― 126 ―

ンを用いた脱芳香族化反応により、フェノール誘導体か

合成し、その後、カップリング反応によるπ拡張シレピ

ら交差共役系ジケトン誘導体への変換反応ととらえるこンへと誘導するという合成戦略を立てた。この目的のたとができる。

めには、ホウ素置換およびハロゲン置換シレピンが必要であるため、まずこれらの合成を行った。

ターシレピンの合成検討

初めに、ピナコールボリル基を持つシレピン 7 の合成

p-ターフェニルからターシレピンの合成を試みた
（ス

を検討した
（スキーム 5 ）。シリレン 1 と 5 当量の1,4-ジ

キーム 4 ）。まず、ターシレピン合成が可能であるかど

ピナコールボリルベンゼン3cのヘキサン溶液に対し、

うかを確かめるために、p-ターフェニル3bに過剰量の 1

448 nmの青色LED光を照射したところ 1 時間で反応溶を作用させることによるターシレピンへの直接誘導を試

液は無色に変化して反応が完結した。最終的に目的物 7

みた。光反応を効率よく進行させるため、 1 は都度追加を白色固体として単離収率45%で得た。しかしその後のする方法を取った。すなわち、3bに対して 3 当量のシ調査により 7 は溶液中徐々に熱分解することが判明し、

リレン 1 を加え、ヘキサン中で448 nmのLED光を照射

これを用いるカップリング反応のルートは断念した。

した。 H NMRスペクトルにより反応追跡を行い、原料ハロゲン置換シレピンの合成を検討した。臭素置換シが消失してスペクトルに変化が見られなくなるまで 3 当

レピンは光反応時の副反応により単離できなかったもの

量の 1 を合計 4 回加えた
（合計12当量）。生成物は複雑なの、種々の反応条件の精査の結果、p-ジクロロベンゼン

混合物であったが、ターシレピン 6 が含まれていること

3dを用いて反応を行うことで、ジクロロシレピン 8 をを高分解能質量分析から確認した。
しかし、分離法を種々

単離収率34％で得ることに成功した。化合物 8 の熱安定検討したが 6 の単離には至らなかった。これは生成する

性は 7 より格段に高く、70 °C程度の温度では分解しな

シレピン類の種類が多いことに加え、 6 を含む反応生成

いことが分かった。

1

物の溶解性が低いことが理由の一つである。以上の結果

ジクロロシレピン 8 を用いたカップリング反応を検討

より、 1 を用いた3bからターシレピンへの選択的誘導した。ジクロロシピレン 8 の塩化アルケニル部位の低いは困難であると判断した。反応の選択性および基質の溶反応性が予想されたため、カップリング反応には不活性

解性の向上が課題である。

な基質でも有効な熊田・玉尾・Corriuクロスカップリン
グ反応を採用した。結果を表 1 に示す。ニッケル触媒はπ拡張シレピンの合成

今回の反応には適していないことがわかった。一方で次にπ拡張シレピンの合成を検討した。あらかじめPd（PPh3）4を触媒として用いた場合は 8 にPh基が一つ導

カップリング反応に適応可能な置換基を持つシレピンを入 さ れ た シ レ ピ ン9-Phが 主 生 成 物 と し て 得 ら れ た（Entry 2）。より高活性なPd（PtBu3）2を触媒として用いた場合では目的物である9-Ph2のNMR収率は65%にまで向上し、反応時間も 3 時間と短いことがわかった（Entry
4）。
続いてジクロロシレピン 8 に対してアリール基の導入

スキーム 4

スキーム 5― 127 ―

表 1 ．カップリング条件の最適化

図 4 ．9-Phの分子構造.

スキーム 6を試みた（スキーム 6 ）。チエニル基、4-メトキシフェニ
ル基を持つシレピン9-Th2および9-Ani2をそれぞれ単離
収 率43%お よ び19%で 得 た。 ま た、Pd触 媒 と し てPd（PPh3）4を用いることで、Ph基を一つ導入した9-Phを収率62%で単離することも可能であった。構造の決定は各
種分光学的測定によって行い、9-Phについては図 4 に示

図 5 ．化合物9-Ph2, 9-Ani2, 9-Th2, 9-Phおよび2aの紫外可視吸収スペクトル（ヘキサン中、室温）.
表 3 ．化合物9-Ph2, 9-Ani2, 9-Th2, 9-Ph, 2aおよび関連化合物の極大吸収波長およびモル吸光系数したように単結晶エックス線構造解析によって分子構造を明らかにした。9-Phは様々な官能基にシレピンを導入できるユニットとして有望である。
置換シレピン類の吸収スペクトル合成したアリール置換シレピンの紫外可視吸収スペク
トルを測定し（図 5 ）、結果を表 3 にまとめた。9-Ph2,
9-Ani2, 9-Th2, 9-Phおよび無置換体である2aのヘキサン中における紫外可視吸収スペクトルを示した。電子豊富― 128 ―

な（ヘテロ）
アリール基が導入されるにつれて、吸収帯のまた、本研究で得られた他のシレピン類が空気に対して

長波長シフトが観測された。一方同じアリール基を持つ

安定であるのに対して、10のヘキサン溶液に空気を通ず

9-Phと9-Ph2の吸収極大波長はそれぞれ254 nm, 257 nm

ると10分間で完全に分解し、Si−C結合が酸化的に切断とほとんど変化していない。これはπ拡張シレピンの持された化合物11が得られた。これは10の持つビラジカル

つ交差共役系の特徴と考えられる。今回合成したシレピ性の寄与を反映しているものと考えられる。

ン類は室温溶液中では蛍光が観測されなかった。励起状

同様の光反応をコロネンに対しても行ったところ、溶態からの無輻射失活が優先されているためだと考えられ

液の色は薄い青色に変化し目的の反応が進んでいる可能る。

性を示唆していたが、コロネンのヘキサンへの溶解性が低く反応がほとんど進行しないため、分析可能な量の目

拡張キノイド型シレピン

的物を取り出すことができなかった。今後10の詳細な性

シリレン 1 とコランニュレンとの光反応においても、対応するシレピン誘導体10が濃紺色粉末として得られた質の解明、ならびに他の拡張キノイド型分子の合成と機能性について引き続き検討を続ける。

（スキーム 7 ）。この化合物はキノジメタン構造10aと、芳香族性の獲得に伴うビラジカル構造10b双方の電子状

3 ．まとめシリレン 1 と可視光を用いた脱芳香族型環化反応を利態の寄与が考えられる特異な分子であり、それを反映し用して様々なタイプのシレピン、特に交差共役系である

た高い反応性を示した。
10のサイクリックボルタンメトリーを測定すると、ビシレピン4aやその加水分解によるジケトン4b、並びTHF中で−1.47 Vに可逆な還元波が観測された。この結にπ拡張シレピン 9 の合成が可能であることを実験的に

果は10が容易に一電子還元され安定なアニオンラジカル

明らかにした。得られたπ拡張シレピン 9 は置換基の電が発生することを示している。実際に10に対して金属カ子供与性に応じた吸収帯の長波長シフトが観測された。

リウムを作用させると10のアニオンラジカルが生成する

拡張キノイド構造を持つシレピン10について、ビラジカ

ことをEPRスペクトルなどから確認した（スキーム 8 ）。

ル電子状態の寄与が反応性に関わっていることを明確にすることができた。
4 ．謝辞
本研究課題を遂行するにあたり公益財団法人松籟科学
技術振興財団からの研究助成を賜りました。財団および関係者の皆様に深く御礼申し上げます。
5 ．参考文献

スキーム 7

1 ．現代ケイ素化学, 吉良満夫・玉尾皓平編, 2013, 化学
同人.
2 ．a）Kyushin, S.； Ikarugi, M.； Goto, M.； Hiratsuka,
H.； Matsumoto, H. Organometallics 1996, 15, 1067.
b） Karatsu, T.； Hazuku, R.； Asuke, M.；
Nishigaki, A.； Yagai, S.； Suzuri, Y.； Kita, H.；
Kitamura, A. Org. Electronics 2007, 357, 366.
3 ．Maeda, H.； Suzuki, T.； Segi, M. Photochem.
Photobiol. Sci. 2018, 17, 781.
4 ．a）Yamaguchi, S.； Tamao, K. Chem. Lett. 2005,
34, 2. b）Yamaguchi, S.； Tamao, K. Bull. Chem.

スキーム 8― 129 ―

Soc. Jpn. 1996, 69, 2327.

7 ．Kira, M.； Ishida, S.； Iwamoto, T.； Kabuto, C. J.
Am. Chem. Soc. 1999, 121, 9722.

5 ．a）Tamao, K.； Uchida, M.； Izumizawa, T.；
Furukawa, K.； Yamaguchi, S.； J. Am. Chem. Soc.

8 ．シリレンの脱芳香族化型環化付加の例：Suzuki, H.；

1996, 118, 11974. b）Uchida, M.； Izumizawa, T.；

Tokitoh, N.； Okazaki, R. J. Am. Chem. Soc. 1994,

Nakano, T.； Yamaguchi, S.； Tamao, K.；

116, 11572.

Furukawa, K. Chem. Mater. 2001, 13, 2680.

9 ．a）Kira, M.；Ishida, S.；Iwamoto, T.；Kabuto, C. J.

6 ．a）Mercier, L. G.； Furukawa, S.； Piers, W. E.；

Am. Chem. Soc. 2002, 124, 3830. b）Kira, M.；

Wakamiya, A.； Yamaguchi, S.； Parvez, M.；

Ishida, S.； Iwamoto, T.； de Meijere, A.；

Harrington, R. O.； Clegg, W. Organometallics 2011,

Fujitsuka, M.； Ito, O. Angew. Chem. Int. Ed.

30, 1719. b）Tokoro, Y.； Tanaka, K.； Chujo, Y.

Engl. 2004, 43, 4510. c）Kosai, T.； Ishida, S.；

RSC Adv. 2015, 5, 23331. c）Tokoro, Y.； Tanaka,

Iwamoto, T. Chem. Commun. 2015, 51, 10707.

K.； ChujoY. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2015, 88, 1350. d）

10．a）Kuwajima, I.； Nakamura, E. Acc. Chem. Res.

Nakadaira, Y.； Sato, R.； Sakurai, H.

1985, 18, 181-187. b）Wertjes, W. C.； Southgate, E.

Organometallics 1991, 10, 435. e） Inai, N.；

H.；Sarlah, D. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 7996.

Yokogawa, D.； Yanai, T. J. Phys. Chem. A. 2021,

11．Gholami M.； Tykwinski, R. R. Chem. Rev. 2006,
106, 4997.

125, 559.

― 130 ―

研究報告集第 34 集 （非売品）

2023年 3 月 1 日発行
発行所

公益財団法人松籟科学技術振興財団〒541 0042 大阪市中央区今橋 4 丁目4 7（淀屋橋ビル）
ハリマ化成グループ株式会社内
TEL 06 6229 0966