研究報告集
第

35

集

2020年度助成研究

2024 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35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38回（2020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35集」をお手許にお届けします。当財団は、昨年 3 月には創立40周年を記念し研究助成金の増額を行い、併せて40周年を記念する研究助成金贈呈式を開催しました。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が、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、今年はコロナウイルスの感染拡大は収束しましたが、ロシアによるウクライナへの侵攻、
イスラエルのガザ地区侵攻による中東地域不安定化等、世界の安全保障、経済に大きな影響を与えています。
また、地球温暖化も国連事務総長の「地球温暖化から沸騰化時代」との演説にあるように留まることがありません。特に日本の現状を見ると、異常気象による国内経済への影響、日米の金利差、
上記の事変による影響もあり記録的な円安となっています。
このような中、我が国では、かつての科学立国としての地位を取り戻そうと、政府主導で半導体産業分野への投資を進めており、更に世界最高水準の研究大学（国際卓越研究大学）創設のため10兆円規模の大学ファンドを運用し、2024年度から認定された大学への助成を開始すると報じられています。
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。
現在、企業の人材不足から活発な求人活動が行われ、このままでは就業が保証されない助教の先生方が企業に転職し、大学における基礎研究の担い手がなくなるのではと危惧しています。
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」、「次世代エレクトロニクス材料および実装技術に関わる研究」、「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。
当財団では、昨年度創立40周年を記念し助成金を大幅増額しましたが、今年度から従来の幅広く助成する方針を変更し、助成件数は減少しますが 1 件当たりの助成金額を増額することにしました。
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。
2024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、

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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、
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めてまいりました。

国は、とかく成

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となっております。
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国は、世界の国として創用、科学技術の
め、世界

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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（2023年３月31日現在）
正味財産

11億78百万円

iii

目

次

第38回（2020年度）助成金受領研究報告
柑橘類果皮由来フラボノイド化合物の認知症予防における活用を目指した基礎研究
弘前大学

農学生命科学部

中島晶…… 3

植物分子生合成酵素の機能解析と新規物質生産への応用
東京大学

大学院薬学系研究科

森

貴裕…… 6

精密制御マイクロ波による「超」急速加熱を用いた、バイオマスおよび二酸化炭素の高度利用技術の開発
九州大学

大学院農学研究院

椿

俊太郎…… 10

植物共生菌が産生する抗生物質プレウソメリン類の網羅的不斉全合成
東京工業大学理学院

安藤

吉勇…… 15

生命環境系

前田

義昌…… 20

オイル高蓄積微細藻類を用いたオメガ 3 脂肪酸の高生産技術の開発
筑波大学

植物抽出エキスへの直接フッ素化法の開発と含フッ素天然化合物の創薬シーズへの応用
琉球大学

理学部海洋自然科学科

有光

暁…… 24

天然由来キラルテルペン類を不斉源とする実践的不斉触媒反応の開拓
京都大学

大学院工学研究科

山本

武司…… 28

植物病害抵抗性に寄与するサリチル酸とN-ヒドロキシピペコリン酸の生合成調節機構の解明とその利用
宇都宮大学

バイオサイエンス教育研究センター

岡本昌憲…… 32

植田

浩史…… 36

曽川

洋光…… 42菅原章公…… 46

酸素酸化反応の開発を基盤とした植物由来二量体型アルカロイドの革新的合成
東北大学

大学院薬学研究科

藻類バイオマス資源を利活用する高性能バイオエラストマーの開発
関西大学

化学生命工学部

植物由来天然資源と生合成非含有元素を組み合わせた新規天然物様骨格群の創出
東北大学

大学院薬学研究科

天然物資源から遺伝子組み換え線虫を用いた抗老化作用を有する機能性化合物の探索
広島大学

大学院医系科学研究科

山野喜…… 51セルロース透明基材を反応場とする光水素生産システムの構築
名古屋工業大学

大学院工学研究科

近藤

政晴…… 55

数理物質系

辻村

清也…… 59

先端科学技術研究センター

松久

直司…… 65

熊木

大介…… 72

関根

康平…… 75

生体触媒と電極間の電子移動を促進する電極表面修飾の開拓
筑波大学
自己接着性ポリマーを用いた超柔軟伸縮性デバイスと回路基板の接合
東京大学

有機半導体とのオーミック接合を実現する金属ナノ粒子インクの研究
山形大学

有機エレクトロニクスイノベーションセンター

有機機能性材料の創製を指向した含ケイ素π共役系分子の高効率的合成手法の開発
九州大学

iv

先導物質化学研究所

七員環構造を有する湾曲型ペリレンジイミド誘導体の開発
静岡大学

工学部化学バイオ工学科

藤本

圭佑…… 78

福井

識人…… 84

硫黄の脱離を分子設計の鍵とするn型有機半導体の可溶性前駆体の開発と有機薄膜太陽電池への応用
名古屋大学

大学院工学研究科

ハロゲンの酸化を利用した含酸素ヘテロ環化合物の合成を基盤とする機能性物質の創製
千葉大学

大学院理学研究院

森山

克彦…… 89

自己修復性と自己洗浄性を有するイオン性シリコーン/TiO2ナノシート複合エラストマーの開発
岐阜大学

工学部

三輪

洋平…… 93

大学院工学研究科

小山

剛史…… 98

電荷ドーピングによるグラフェンの発光制御
名古屋大学

有機典型元素ハイブリッド化合物の光骨格転位反応を起点とする酸／塩基応答性発光材料の開発
東京工業大学

理学院化学系鷹谷

絢……102

熱不可逆・光可逆性の蛍光メカノプローブの開発
広島大学

大学院先進理工系科学研究科

今任

景一……105

真空表面合成法による有機分子二次元ハニカム格子で実現する超高密度磁気記憶素子
千葉大学

大学院工学研究院

山田

豊和……110

高性能二次電池を実現する超濃厚電解液界面の機能性要因解明
東京工業大学

物質理工学院

岩橋

崇……117高周期典型元素触媒による二酸化炭素からポリウレタン原料への変換反応の開発
埼玉大学

大学院理工学研究科

中田

憲男……122

金属錯体とタンパク質の複合触媒を用いたCO2還元反応の開発
名古屋大学 大学院理学研究科

Jung Jieun……125

ブロックシーケンス精密制御による半導体高分子材料の系統合成と弾性付与
山形大学

大学院有機材料システム研究科

東原知哉……130

超分子ポリマーからなる超イオン伝導体の創成
大阪工業大学v

工学部

平郡

諭……135

第38回（2020年度）

助成金受領研究報告

申請者

弘前大学

中島

晶

柑橘類果皮由来フラボノイド化合物の認知症予防における活用を目指した基礎研究
弘前大学

1 ．研究の背景と目的

農学生命科学部

中島晶

タウの遺伝子変異を組み込んだトリプルトランスジェ

近年、日本では生活習慣の向上や医療の発展により高ニックマウス）における記憶障害やβアミロイド（Aβ）

齢化が進行し、アルツハイマー病や脳血管性認知症などの蓄積、酸化ストレスの増強やタウの異常リン酸化等のの認知症が急増しており、大きな社会問題となっている。

アルツハイマー病で見られる神経病理学的変化を改善す特に代表的な認知症であるアルツハイマー病は、未だ明ることを明らかにしてきた［1-8］。また、認知症予防に

確な原因の解明や予防法、治療法が確立されていないのおける活用を目指して、ノビレチンを高濃度含有するポが現状であり、予防および治療を含めた認知症対策は社

ンカン果皮エキスの安全性を遺伝毒性試験、亜慢性毒性

会的急務と言える。

試験により明らかにしている［9］。

天然生理活性物質は、細胞情報伝達研究における薬理

一方、ノビレチンの脳内ターゲットタンパク質は明ら学的ツールとしてのみならず、医療品開発のための優れかになっておらず、その作用メカニズムについては不明

たリード化合物として多くの研究者に注目されてきた。

な点が多く残されている。そこで、本研究ではノビレチ

これまでに、様々な薬理作用を有する生理活性物質が発ンの脳内ターゲットタンパク質を探索・同定することに見され、医薬品として応用されてきたが、未だ作用の知より、ノビレチンの記憶障害改善作用メカニズムを明らられていない化合物も数多く存在している。このようなかにするとともにノビレチンの有効性・安全性について

化合物の詳細な薬理作用を解明することにより、疾患に科学的なエビデンスを得ることを目的とした。具体的に対する優れた薬物が発見されることが期待される。我々は、ノビレチンをビオチンで標識したプローブを用いての研究グループは、シークワーサーやポンカンなどの柑

アフィニティー解析を行うことにより、ノビレチンの脳

橘類の果皮に豊富に含まれるポリメトキシフラボノイド

内ターゲットタンパク質を探索した。

化合物であるノビレチン（図 1 ）がPC12細胞や初代培養
ラット海馬神経細胞において記憶形成に重要なcAMP/

2 ．結果と考察

PKA/ERK/CREBシグナル伝達経路を活性化し、種々2 ．1 ．ビオチン化ノビレチンプローブのERKリン酸化の認知症モデルマウス（N-methyl-D-aspartate 受容体遮に及ぼす影響の解析

断薬投与マウス、脳虚血マウス、老化促進モデルマウス、本研究で使用したビオチン化ノビレチンプローブの化

アミロイド前駆体タンパク質トランスジェニックマウス

学構造を図 2 に示す。ビオチン化ノビレチンプローブはおよびアミロイド前駆体タンパク質、プレセニリン 1 と東北大学大学院薬学研究科の山越博幸助教と岩渕好治教

図 1 ． ノビレチン

図 2 ．ビオチン化ノビレチンプローブ―3―図 3 ．ERKリン酸化に及ぼす影響

授により合成された。
まず、はじめにビオチン標識によるノビレチンの薬理活性への影響をPC12細胞において検討した。ノビレチ
図 4 ．銀染色の結果

ンはPC12細胞において記憶形成に重要なcAMP/PKA/
ERK/CREBシグナル伝達経路を活性化することが明らかとなっている［8］。そこで、PC12細胞にビオチン化
ノビレチンプローブを処置し、ウェスタンブロット法によりERKのリン酸化を検討した。図 3 に示すように、
ノビレチン（100μM）
を 5 分間処置することによりERK
リン酸化の上昇が見られた。また、ビオチン化ノビレチ
ンプローブ（100μM）を 5 分間処置することによりノビ

図 5 ．抗Ferrochelatase抗体を用いたウェスタンブロット解析

レチンと同様なERKリン酸化の上昇が見られた。以上の結果から、ビオチン化ノビレチンプローブはノビレチ

れた（図 5 ）。

ン単独処置と同様にERKリン酸化を引き起こすことが示され、ノビレチンと同様な薬理活性が保たれているこ

3 ．まとめ
本研究の結果から、Ferrochelataseがノビレチンの脳とが示唆された。

内ターゲットタンパク質の一つであることが示唆され
2 ．2 ．ビオチン化ノビレチンプローブを用いたアフィ
ニティー解析

た。Ferrochelataseはミトコンドリアに存在するヘム合成酵素であり、アルツハイマー病患者脳における発現上ノビレチンの脳内ターゲットタンパク質を探索するた昇が報告されており［10］、認知症予防・治療におけるめ、マウス脳ホモジネートとビオチン化ノビレチンプ

分子標的となり得る可能性がある。今後、ノビレチン処

ローブを結合させたストレプトアビジンビーズをイン

置 後 のFerrochelataseの 酵 素 活 性 の 変 化 や、

キュベーションし、磁気分離によりノビレチンと相互作

Ferrochelataseをノックダウンあるいは過剰発現させた用するタンパク質を分離した。図 4 に溶出したタンパク

際のノビレチンの効果を解析することにより、ノビレチ

質を 銀 染 色 法 に より検出した結果を示す。分子 量40ンの作用発現におけるFerrochelataseの役割の解明が期

kDa付近に、ビオチンをストレプトアビジンビーズに結待される。

合させたコントロール群では見られず、ビオチン化ノビ
レチンプローブをストレプトアビジンビーズに結合させ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

た群でのみ検出されたバンドが見られた。
そこで、このバンドを切り出し質量分析器による解析

財団法人松籟科学技術振興財団に深く感謝申し上げまを行ったところ、分子量43 kDaのFerrochelataseと同定す。また、共同研究者の大泉康特任教授（東北福祉大学

された。さらに、溶出サンプルを抗Ferrochelatase抗体

感性福祉研究所）、岩渕好治教授（東北大学大学院薬学研を用いたウェスタンブロット法により解析したところ、

究科）、山越博幸助教（東北大学大学院薬学研究科）、堀

ビオチン化ノビレチンプローブ群でのみバンドが検出さ礼佳氏に感謝いたします。

―4―

5 ．参考文献

learning and memory deficits through stimulationof CaMKII and CREB phosphorylation. Brain［ 1 ］Nakajima A, Yamakuni T, Matsuzaki K, Nakata N,

Res. 1295：218-229.

Onozuka H, Yokosuka A, Sashida Y, Mimaki Y,
Ohizumi Y（2007）Nobiletin, a citrus flavonoid,［ 6 ］Nakajima A, Aoyama Y, Nguyen TY, Shin EJ,

reverses learning impairment associated withKim HC, Yamada S, Nakai T, Nagai T, Yokosuka

NMDA receptor antagonism by activation ofA, Mimaki Y, Ohizumi Y, Yamada K（2013）

ERK signaling. J Pharmacol Exp Ther. 321：784-

Nobiletin, a citrus flavonoid, ameliorates cognitive

790.

impairment, oxidative burden, and［ 2 ］Nakajima A, Yamakuni T, Haraguchi M, Omae N,

hyperphosphorylation of tau in senescence-Song SY, Kato C, Tadano T, Yokosuka A, Mimaki

accelerated mouse. Behav Brain Res. 250：351-

Y, Sashida Y, Ohizumi Y（2007）Nobiletin, a360.

citrus flavonoid that improves memory［ 7 ］Nakajima A, Aoyama Y, Shin EJ, Nam Y, Kim

impairment, rescues bulbectomy-induced

HC, Nagai T, Yokosuka A, Mimaki Y, Yokoi T,

cholinergic neurodegeneration in mice. J

Ohizumi Y, Yamada K（2015）Nobiletin, a citrus

Pharmacol Sci. 105：122-126.

flavonoid, improves cognitive impairment and［ 3 ］Onozuka H, Nakajima A, Matsuzaki K, Shin RW,

reduces soluble Abeta levels in a triple

Ogino K, Saigusa D, Tetsu N, Yokosuka A,

transgenic mouse model of Alzheimer’s disease

Sashida Y, Mimaki Y, Yamakuni T, Ohizumi Y（3XTg-AD）.Behav Brain Res. 289：69-77.

（2008）Nobiletin, a citrus flavonoid, improves［ 8 ］Nakajima A, Ohizumi Y（2019）Potential benefits

memory impairment and Abeta pathology in aof nobiletin, a citrus flavonoid, against

transgenic mouse model of Alzheimer’s disease. J

Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease. Int J

Pharmacol Exp Ther. 326：739-744.

Mol Sci. 20：E3380.

［ 4 ］Rahim Md Al, Nakajima A, Saigusa D, Tetsu N,［ 9 ］Nakajima A, Nemoto K, Ohizumi Y（2020）An

Maruyama Y, Shibuya M, Yamakoshi H, Tomioka

evaluation of the genotoxicity and subchronic

Y, Iwabuchi Y, Ohizumi Y, Yamakuni T（2009）

toxicity of the peel extract of Ponkan cultivar

4´-Demethylnobiletin, a bioactive metabolite of‘Ohta Ponkan’（Citrus Reticulata Blanco）that isnobiletin enhancing PKA/ERK/CREB signaling,rich in nobiletin and tangeretin with anti-

rescues learning impairment associated withdementia activity. Regul Toxicol Pharmacol.

NMDA receptor-antagonism via stimulation of

114：104670.

ERK cascade. Biochemistry. 18：7713-7721.

［10］Atamna H, Frey WH 2nd（2004）A role for heme

［ 5 ］Yamamoto Y, Shioda N, Han F, Moriguchi S,

in Alzheimer’s disease：heme binds amyloid beta

Nakajima A, Yokosuka A, Mimaki Y, Sashida Y,

and has altered metabolism. Proc Natl Acad Sci

Yamakuni T, Ohizumi Y, Fukunaga K（2009）U S A. 101：11153-8.

Nobiletin improves brain ischemia-induced

―5―

申請者

東京大学

森

貴裕

植物分子生合成酵素の機能解析と新規物質生産への応用
東京大学

大学院薬学系研究科

森貴裕

1 ．背景と目的植物が生産する二次代謝産物はその構造の複雑さ、高い生物活性、多様な物理化学的特性から現在利用されている医薬品やバイオ産業品として大きな役割を担ってきた。遺伝子操作技術の進歩とシークエンサーの発展により、植物二次代謝産物生合成遺伝子の報告例も増加してきている。生合成研究の発展に伴い、遺伝子工学研究と図 1 ．Bacterial MicroCompartment（BMC）

してポリケタイドやペプチド天然物の主骨格を構築する
酵素遺伝子を他の生合成経路のものと置き換え、環構造や炭素鎖数が異なる新規化合物を創出する、コンビナト

パノール代謝に関わるBMC遺伝子群、Pduクラスター

リアル生合成を利用した研究の例が増加してきている。

内の酵素、PduPの1-20番目アミノ酸残基およびPduDのしかし、本手法は適用できる生合成経路は限られ、多く

1-18番目アミノ酸残基が知られている［2-4］。そこで、可の場合において収量が著しく減少する。特に植物分子の溶性に発現する目的酵素群に対してBMCに取り込まれ生合成遺伝子はゲノム上に広く分布し、発現後の局在性、るための認識ペプチドを付加し、Pduシェルタンパク質

タンパク質―タンパク質相互作用が重要であり、それら内に酵素群を局在化させることを行った。

を考慮した物質生産系を確立する必要がある。このよう
2 ．結果と考察

な背景のもと、本研究では、生体内における酵素複合体
や基本骨格構築に重要な代謝酵素の詳細な構造機能を理

まず、導入効率の向上のため、BMC認識ペプチドの解した上で、それらを利用した物質生産系の確立を目標

最適化を行った。既存の認識ペプチドにランダムな変異とし、コンビナトリアル生合成の効率化基盤の確立の検を導入した認識ペプチドライブラリーを毒性タンパク質討を試みた。

（HIV-protease）に付加し、大腸毒性タンパク質発現下に酵素の局在化による生合成効率の改善のために、いく

おいても生育可能な菌を選別することで、自己集合につ か の 微 生 物 に お い て 見 ら れ るBacterial

よって効率的に毒性タンパク質を内包（= 毒性の低下）［1］
MicroCompartment（BMC）に着目した（図 1 ）。

可能な認識ペプチドの取得を試みた（図 2 ）。

BMCは、微生物の細胞内に存在し、脂質膜ではなく天然において認識ペプチドとして知られているPduP

タンパク質のみで形成される多面体のシェル構造であの1-20番目アミノ酸残基およびPduDの1-18番目アミノる。複数種のシェルタンパク質が相互作用して40~200

酸 残 基 を 前 半、 後 半 に 分 割 し、Pdu5-9、Pdu10-14、nmのケージを形成し、ケージ内に様々な生合成酵素群

PduD3-7、PduD8-12のランダムな変異を導入することで認を内包することで、酵素間でのチャネリング効果を増大

識ペプチドライブラリーを作成した。

させ、毒性生成物から細胞を保護し、不安定中間体の分

これらのライブラリーを大腸菌に形質転換し、96ウェ

解や内部酵素のプロテアーゼによる分解を軽減していルプレートでスクリーニングを行った。毒性タンパク質る。BMCに取り込まれる認識ペプチドとして、1,2-プロとPduシェルタンパク質の発現時期、発現量などの検討―6―

や、シェルの発現誘導を行うIPTC濃度、毒性タンパクに達した際にIPTGを添加し、生合成酵素とPduシェルタ

質HIV proteaseの発現誘導を行うテトラサイクリンのンパク質を同時に発現させた。酵素を発現させた大腸菌濃度の検討を行い、12時間の培養後培地濁度を測定し、をM9最少培地に移し、1 mMの基質p-coumaric acidを取り込み効率が促進したペプチドタグを選別した。結果、添加してさらに60時間培養し、bisdemethoxycurcumin

天然型の認識ペプチドよりも大腸菌の生育性が向上し（BDMC）の物質生産を行った。

た、すなわちBMCに取り込まれる効率が向上した変異

その結果、P1-18-4CL+変異ペプチドA-ACC+D1-18-CUS

ペプチドタグを複数取得した。

の組み合わせにおいて、他の組み合わせより高い収率をそこで次に、モデル経路としてクルクミノイド類のコ示した（0.4 mg/L）（図 4 ）。しかし、シェルと認識ペプ

ンビナトリアル生合成系に対し、取得したタグを用いた

チドタグを付加した酵素群を共発現した生産系は、認識［5］
BMC内における物質生産系の構築を試みた（図 3 ）。

ペプチドタグを付加していない生産系（0.6 mg/L）と比スクリーニングにより得た、取り込み効率が上昇した 5

較して収率は低く、Pduシェルによる生合成効率化は見

種 の 認 識 ペ プ チ ド 配 列 及 び そ の 融 合 体 2 種、 野 生 型られなかった。

（P1-18、D1-18）を、クルクミン類の生合成を行う酵素群、その要因として、物質生産の際には、生合成酵素、シェ素（4CL）、acetyl-CoA

ルタンパク質を発現させ、シェルに生合成酵素を取り込

carboxylase（ACC）、curcumin synthase（CUS）の そ れんだのちに基質を添加しているため、シェル内への基質

ぞれのN末端側に付加し、認識ペプチドタグの組み合わの取り込みがうまくいかず、基質供給に問題があったとせの最適化を行なった。

考えられた。天然におけるBMCでは、基質、補酵素の4-coumaroyl-CoA合成

酵遺伝子を導入した大腸菌をLB培地で培養し、OD600 0.6

取り込みはシェルの面を形成するタンパク質複合体の中心に存在する孔穴から取り込まれることが提唱されている［6］。Pduシェルタンパク質群の中で最も多く存在する

図 2 ．ランダムペプチドスクリーニング手法、BMCを用いた合成生物学の概念図

図 4 ．取得した認識ペプチドを付加したBDMC生産の一例

図 3 ．クルクミンのコンビナトリアル生合成系
4CL： 4-coumaroyl-CoA（from Lithospermum erythrorhizon）, ACC： acetyl-CoA carboxylase（from Corynebacterium
glutamicum）,CUS：curcumin synthase（from Oryza sativa）―7―

PduAの孔穴は直径5.6Åであり、1,2-プロパンジオールのて、直径約50 x 10 nm程度のPduマイクロチューブ（MT）

選択的輸送とプロピオンアルデヒド中間体の流出制限に［7］が形成されることが報告された（図 7 ）。Pdu MTにお関与すると考えられている［6］。

いては、表面積の増加やオープンエンド構造により、代クルクミノイド類生合成経路の場合、コエンザイム

謝酵素や構造体への基質の取り込みがより効率的である

A（CoASH）はp-coumaric acidからp-coumaroyl-CoA をことが示されており、このチューブ型シェルを利用する合成するための重要な共基質であるが、その予想化合物

ことで高い経路フラックスが達成できると考えた。クル

サイズはPduAの穴より大きいため、取り込みが制限さ

クミノイド生合成酵素遺伝子群と CoASH生合成酵素群れている可能性やシェル形成の際に同時に取り込まれるを Pdu MT に 組 み 込 ん だ 結 果（PduMT+E（CUS）+E

CoASH の濃度が低く、BDMC の高生産ができないと（Coa））24 時間で 1.10 mg/L と認識ペプチドなしの発現考えた。そこで、CoASH分子をPduシェルタンパク質系に比べ、1.83倍のクルクミノイド生産を達成した（図内において直接生合成すれば、クルクミノイド生合成経

6）。

路のフラックスが促進されるという仮説を立て、内在性Malonyl-CoAはクルクミノイド生合成の基質の一つでCoASH生合成遺伝子群coaA, coaBC, coaD, coaEを大腸あるが、シェル内のmalonyl-CoAの内部レベルはアセチ菌のゲノムDNAから増幅し、PduD1-18タグと融合させ、

ル-CoAの初期取り込み量に依存している。アセチル

クルクミノイド生合成酵素遺伝子群およびPduシェルタ-CoA合成酵素（ACS）とアセチル-CoAカルボキシラーゼ

ンパク質遺伝子群とともに大腸菌で物質生産を行った（ACC）を導入することにより、フラボノン合成を大幅（Pdu+E
（CUS）
+E
（Coa）
（図 5 ））。CoASH生合成の前駆に改善できることが実証されている［8］ 。そこで、大腸体化合物panthotheneは十分サイズが小さく、取り込み菌由来の遺伝子acsをクルクミノイド生合成酵素遺伝子に問題ないことが考えられる。

群とCoASH生合成酵素遺伝子、PduMTとともに共発現

その結果、生産量は24 時間で 0.73 mg/L とタグなしさせた。PduMT+E（CUS）+E（Coa）+ACS 株のクルクミ

酵素群から1.22倍の クルクミノイド産生の増大を確認

ノイド生産量は 36 時間で1.45 mg/L であり、認識ペプ

した（図 6 ）。一方で、Pduシェルを共発現させず、CoA

チドなしの発現系に比べ 2.4 倍に向上した（図 6 ）。

生合成遺伝子とクルクミノイド生合成酵素遺伝子のみを過剰発現させた場合
（E
（CUS）
+E
（Coa）
）
は、24時間で0.83
mg/Lの収率であり、Pduシェルを共発現させた事による向上は見られなかったため、このCoASHの取り込みのみが律速ではないことが考えられた。
2022年、シェルを形成するタンパク質の一つである、PduNを欠損させたSalmonera entericaの変異株におい

図 6 ．BMCを利用した物質生産系におけるbisdemethoxycurcuminの収量

図 7 ．PduN欠損によるBMC形状の変化

図 5 ．BMC内でのbisdemethoxycurcumin生合成―8―

3 ．結論
以上、ポリケタイド化合物の生合成酵素群と基質生合成経路酵素の局在化により、代謝経路の効率化に成功した。今後、培地にp-coumaric acidのアナログ体を添加し、生合成酵素群と共局在化を行うことで、非天然型化合物の物質生産系の構築にも繋げていく予定である。
4 ．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研究助成を受けて行われたものであり、ここに厚く御礼申し上げます。
5 ．参考文献

図 8 ．BMCを利用した物質生産系におけるnaringenin
chalconeの収量

1 ．C. A. Kerfeld, M. Sutter, Curr. Opin. Biotechnol.
2020, 65, 225-232.
2 ．Y. Liu, J. Jorda, T. O. Yeates, T. A. Bobik, J
Bacteriol 2015, 197, 2392-2399.
3 ．C. Fan, S. Cheng, Y. Liu, C. M. Escobar, C. S.
Crowley, R. E. Jefferson, T. O. Yeates, T. A. Bobik,
Proc Natl Acad Sci U S A 2010, 107, 7509-7514；
4 ．C. Fan, T. A. Bobik, J Bacteriol 2011, 193, 5623-

図 9 ．HsPKS1によるnaringenin chalcone生成反応5628.
次に、構築した発現系が他のポリケタイド合成系にも

5 ．Y. Katsuyama, M. Matsuzawa, N. Funa, S.

応用可能であることを確認するため、CUSをnaringenin

Horinouchi, Microbiology, 2008, 154, 2620-2628.

chalconeの生合成に関わるIII型PKS、HsPKS1に置き換

6 ．C. Chowdhury, S. Chun, A. Pang, M. R. Sawaya, S.

え、物質生産を行った。Huperiza serrirtaのHsPKS1は、Sinha, T. O. Yeates, T. A. Bobik, Proc. Natl. Acad.

III型PKSに属し、 1 分子のp-coumaroyl-CoAと 3 分子のSci. USA, 2015, 112, 2990-2995.

malonyl-CoAの縮合反応を触媒し、naringenin chalcone

7 ．C. E. Mills, C. Waltmann, A. G. Archer, N. W.

を形成する（図 9 ） 。認識ペプチドを付加したHsPKS1

Kennedy, C. H. Abrahamson, A. D. Jackson, E. W.

と認識ペプチドを付加した4CL、ACC、CoASH合成酵

Roth, S. Shirman, M. C. Jewett, N. M. Mangan, M.

素 遺 伝 子、PduMTと 共 に 大 腸 菌 に 発 現 さ せ（Pdu

Olvera de la Cruz, D. Tullman-Ercek, Nat.

MT+E
（HsPKS1）+E（Coa））
、ナリンゲニンの生産を確

Commun., 2022, 13, 3746.

［9］

認した結果、48 時間生合成で最も高い収率が観察され、8 ．K.-H. L. Effendi Leonard, Phan-Nee Saw, and認識ペプチドなしの発現系から3.7 倍向上し、10.97 mg/

Mattheos A. G. Koffas, Appl. Environ. Microbiol.

L のナリンゲニンを生産した（図 8 ）。

2007, 73, 3877-3886.
9 ．K. Wanibuchi, P. Zhang, T. Abe, H. Morita, T.
Kohno, G. Chen, H. Noguchi, I. Abe, FEBS J., 2007,
274, 1073-1082.

―9―

申請者

東京工業大学（現九州大学） 椿俊太郎

精密制御マイクロ波による「超」急速加熱を用いた、バイオマスおよび二酸化炭素の高度利用技術の開発
九州大学

1 ．導入

大学院農学研究院

椿俊太郎

を実証した2）。また、マイクロ波による反応加速効果を、再生可能エネルギーが普及する中、太陽光や風力発電

バイオマス変換反応を促進する手法として展開してきによる電力により化学プロセスを駆動する、新化学産業

た。リグノセルロース系バイオマスの急速熱分解が、従の実現が望まれる。マイクロ波加熱は、電力を効率的に来の外部熱源からの伝熱と比較して加速されることを実熱に変換し、化学プロセスを駆動する技術の一つとして証している4）。特に、半導体式マイクロ波加熱装置を用期待される1）。化石資源を大量消費する重厚長大な既往いて電磁波を精密制御し、高密度な電磁界を発生させるの化学プロセスを、電磁波によって誘起される反応場をことで、リグノセルロースを最大330℃/secで急速昇温活用した超低消費エネルギーで駆動する化学プロセスへし、迅速に熱分解することに成功した。

置き換えることが望まれている。マイクロ波化学プロセ

これらの研究成果をもとに、本研究では半導体式マイスでは、変動の大きな再生可能エネルギー由来の電力にクロ波を用いた精密加熱技術を駆使し、CO2とバイオマ

合わせて瞬時に触媒反応を駆動し、小規模プラントでオスを、省エネルギーでCO・H2・炭化水素などの有用化

ンデマンドに物質生産することも期待される。マイクロ合物へと変換することを目的とした。マイクロ波照射条波を用いた化学プロセスは、有機合成、材料プロセッシ

件を精密制御し、高密度な電磁界を加えることで、CO2ング、触媒プロセス、鉄鋼など、広く応用可能であり、によるバイオマスの急速熱分解とBoudouard反応の促進

世界が抱えるエネルギー供給問題、CO2排出量の低減、が可能であると考えられた。そこで、本研究では周波数

炭素資源の循環的な利用の実現に貢献することができる。

や電場/磁場、共振状態を精密に制御可能なマイクロ波

難分解性バイオマスの活用には高い反応温度や長時間

化学反応装置を開発するともに、各種in situ測定により、の反応が求められるため、多くの技術開発が進められて

マイクロ波の精密制御によって反応加速が生じる機構をきたにも関わらず、実用化の障害となっている。我々は、明らかにし、マイクロ波の精密制御によって、反応加速

マイクロ波により温和な反応条件においてバイオマス資を制御する方法論を確立することを目指した（図 1 ）。

源を有用化学物質へ効率的に変換する技術の研究開発に
2 ．精密制御マイクロ波熱分解炉の開発取り組んできた。たとえば、in situ/operando 計測によりマイクロ波による化学反応加速が生じる機構を明らか

これまで、多くのマイクロ波装置は、マグネトロンとするとともに、マイクロ波照射によりバイオマスを有用

マルチモード型アプリケーターを用いた、電子レンジタ

物質へ変換する反応を実現してきた。顕微分光測定が可

イプの装置が広く用いられてきた。こうしたマイクロ波

能な独自のマイクロ波化学反応装置を開発し、本装置を装置は、比較的安価で、庫内も大きくさまざまな試料の用い精密なマイクロ波照射条件において、直接X線吸収加熱に用いることができる。しかし、従来のマイクロ波

微細構造（XAFS）解析やラマン分光、電気化学測定など装置に搭載されているマグネトロンは、幅広いスペクト

2,3）が 可 能 な 手 法 を 確 立 し た 。 本 手 法 を 用 い てin situ

ルのマイクロ波を出力し、さらに、発振中にスペクトル

XAFS測定を行い、マイクロ波によって担持金属触媒上が揺らぐため、共振周波数以外のマイクロ波は被照射物の金属ナノ粒子に特異的な局所高温場が形成されることに伝搬せず無駄なエネルギーとなる。半導体発振器は、― 10 ―

図 1 ．マイクロ波加熱および従来式加熱の比較。

幅が極めて狭いシャープな発振スペクトルであり、空洞共振器の共振周波数に適合した周波数のマイクロ波を印加することで、高い加熱効率を得ることができる。従来の電子レンジでは、マイクロ波吸収性に劣るバイオマスを加熱することは難しい。たとえば、紙容器を家庭用電子レンジで加熱することはできない。一方、半導体発振

図 2 ．マイクロ波の電場および磁場を効果的に用いたバイオ
マスの加熱。
（A）イナワラの電場加熱、（B）イナワラ炭
化物の磁場加熱器と空洞共振器を搭載したマイクロ波装置によって、被加熱物に高い電界を与えることで、急速昇温できる（図

二色温度計（高温のみ）を用いて非接触で温度を計測する

2A）。

ことができる。さらに、サーモグラフィー（石英透過・

そこで、半導体式マイクロ波装置を、マイクロ波エネ

高温のみ）を用い、反応中の試料の温度分布も詳細に解

ルギーの伝送効率を高めることが可能な、バイオマスの析することができる。また、反応器の下流には、液体トCO2熱 分 解 炉 を 作 製 し た。 本 装 置 は 半 導 体 発 振 器 とラップ管を用いて液体生成物を回収すると主に、インラ

TM010モード（電場加熱モード）ないしはTM110モード（磁インのマイクロGCおよび質量分析装置によって、生成

場加熱）が可能な空洞共振器を搭載している。発振器とガスをリアルタイムで観測することができる。

いずれも、2.45 GHzと5.8 GHzの 2 周波数が使用可能な
3 ．マイクロ波の精密照射による反応制御法の確立、お装置群を開発した。これにより、加熱試料の誘電特性のよびCO2・バイオマス変換の加速

周波数依存性に応じて、適切な周波数を用いることが可能である。さらに、2.45 GHzでは、共振の先鋭度を示す
Q値が異なる空洞共振器作製した。

上記の 2 で作製したマイクロ波装置をもちいて、バイオマスの急速熱分解反応の加速効果を検証した。空洞共

一方、バイオマスの急速熱分解中には、加熱試料の炭振器内部に試料を含む石英反応管を配置し、不活性ガス

素化が進み、導電性が増すためか生じるため電場ではマ下およびCO2流通下で熱分解を行った。まず、リグノセ

イクロ波が反射され加熱が困難である。
このような場合、ルロースの熱化学反応系として、Ni/SiO2-Al2O3用いたマイクロ波の磁場を用いることで導電性を有する炭素材

リグノセルロースのモデル基質（セルロース・リグニン）、

料の誘導加熱が可能である（図2B）。マイクロ波磁場におよび実バイオマス（タケ）のin situ 熱分解を行い、マ

おいては、IHヒーターと同様に、マイクロ波の磁場成

イクロ波の照射法（波数や電場/磁場）の効果を検証した。

分を用いて渦電流を生じさせることにより、試料が加熱

まず、N2雰囲気下において、Ni/SiO2-Al2O3によるタケされる。また、マイクロ波加熱中には赤外放射温度計やの急速熱分解を行ったところ、出力依存的に到達温度が― 11 ―

図 3 ．半導体式マイクロ波装置によるタケの触媒的熱分解。

高まり、水素をはじめとする熱分解ガスが得られた（図
3）。
続いて、異なる周波数のマイクロ波を照射した際の、タケとNi/SiO2-Al2O3触媒のそれぞれのマイクロ波加熱
特性と、周波数依存的な複素誘電率を調べた（図 4 ）。タ
ケ粉末は比較的低い周波数にて加熱され、2.45 GHz 3
cm cavityが最も効率よく加熱された。一方、Ni/SiO2Al2O3は5.8 GHzが最も加熱され、続いてQ値の高い 2.45
GHz 5 cm cavity が有効であった（図4AB）。複素誘電率からも同様の傾向が見られた（図4C）。タケの誘電損失

図 4 ．タケおよびNi/SiO2-Al2O3の周波数依存的な加熱挙動および誘電損失係数

係数は周波数が低いほど高まる。これはタケの電解質成分により周波数の低い領域で導電損失が高まると考えら

まず、Ar流通下で触媒的な熱分解反応を行い、水素れた。一方、Ni/SiO2-Al2O3は周波数が高いほど優れたの生成が見られなくなるまでMWを照射した。その後、加熱特性を示す。これは、触媒粒子の加熱には高い周波

CO2（100 %）をキャリアガスとしてマイクロ波磁場加数が有効であることを示している。バイオマスの触媒的熱を行った。未反応のタケとNi/SiO2-Al2O3触媒の場合な急速熱分解反応は、バイオマスの熱分解反応と逐次的は、マイクロ波磁場で加熱されないことから、熱分解にな触媒的改質反応で構成されることから、タケ原料と触より生じた炭素がマイクロ波磁場加熱されているといえ媒のマイクロ波吸収特性がちょうど重なる2.45 GHzが本る。Ar流通下でタケを電場加熱した場合、H2が高選択反応に最適な周波数帯域であると考えられる。

的に得られ、H2＞CO2であった（図5A）。一方、CO2キャ

一方、本触媒反応では高選択的に水素が生じるが、リアで磁場加熱した場合、CO＞H2となった（図5B）。す

COとCO2の生成量は少なく、Ni/SiO2-Al2O3触媒上で炭

なわち、析出炭素とCO2のブードア反応によって、CO素析出が生じていると考えられた。そこで、CO2を酸化生成が強化されたと考えられた。また、電場でCO2をキャ剤として用い、触媒上の析出炭素の酸化分解を行った。

リアガスとして流通しながら未反応タケの熱分解についまた、急速熱分解により炭素化が進行して試料の導電性ても試みた。この場合、Arキャリアと同様にまずH2がが高まるため、マイクロ波の磁場（TM110モードの中央

生成し、続いて、COが顕著に生成した。これは、タケの磁場最大点）で反応を行った。

の急速熱分解で生成したH2とCO2の逆シフト反応により― 12 ―

図 5 ．マイクロ波電場・磁場およびキャリアガスによる、
Ni/SiO2-Al2O3を介したタケの触媒的熱分解の制御。
（A）
Ar流通下、およびマイクロ波電場でのイナワラ熱分解、（B）CO2流通下、およびマイクロ波磁場でのイナ
ワラ炭化物のBoudouard反応、（C）CO2流通下、およびマイクロ波電場でのイナワラの熱分解

COが生じたと考えられた。結果として、H2 ： CO比は

図 6 ．Ni/SiO2-Al2O3（65 wt%）の20 keVに お け るin situ
XRDパターン。
（A）MW 加熱、（B）イメージ炉による外部加熱。

中間の値を示した（図5C）。これらの結果より、マイク
ロ波の電場と磁場、および、反応時のキャリアガスとのXRDパターン（20 keV）を得た（図 6 ）。 MW照射下にお組み合わせを変えることで、タケの急速熱分解による生いては350 ~ 400℃程度の低温においても、Ni粒子の焼成ガスのH2 ：CO比を制御できることが示された。

結によるシャープな散乱ピークが生じたことから（図6A）、マイクロ波がNiナノ粒子に集中し焼結が進行した

4 ．In situ XRD分析による反応促進機構の解明と考えられた。 一方、外部加熱（イメージ炉）で1000℃

マイクロ波照射下でのin situ XRD分析を行い、温度に昇温した場合（100℃/min）、Niの焼結は生じなかった

依存的なNiのXRDパターンから、MWによるNi粒子上（図6B）。これは、マイクロ波照射によって、見かけ上の局所高温場を評価した。XRD計測用のスリット型窓

低温でも担持Ni上に局所的な高温場が形成され、Niナノ穴を搭載したマイクロ波加熱装置（2.45 GHz）を開発

粒子が焼結しているものと考えられた。

し、 二 次 元 検 出 器 を 用 い てMW加 熱 中 の 触 媒 試 料 の― 13 ―

上記のMW in situ XRD測定の結果より、MWを用い5 ．謝辞て固体触媒上の担持Niナノ粒子に、局所的な高温場が生じることを実証することができた。特に、触媒のナノ粒

本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団研究助

子上で吸熱反応が生じる場合、マイクロ波が担持金属へ

成金、JSTさきがけ、科学研究費補助金基盤研究（B）、

直接エネルギーを供給することで、効率的に反応を加速

環境研究総合推進費（若手枠）の補助のもと実施した研究

してうるものと考えられた。

の成果です。また、マイクロ波による急速熱分解反応の成果は、東京工業大学 和田 雄二 先生、大阪大学

4 ．総括

安田

誠 先生、NIMS 藤井 知 先生、高エネルギー加速器研究

本研究では、電磁場の精密制御が可能な半導体発振器

機構 君島 堅一 先生、東北大学 福島 潤 先生との共同研と空洞共振器を備えたマイクロ波装置を開発し、イナワ

究によるものです。この場をお借りして感謝申し上げま

ラやイナワラ熱分解物の急速熱を実現した。本装置を用す。

いて、Ni/SiO2-Al2O3触媒存在下、バイオマスの熱分解

6 ．参考文献が加速されることを見出した。また、バイオマスとNi/

1 ）K.M. van Geem, V.V. Galvita, G.B. Marin, Making

SiO2-Al2O3触媒の周波数依存的な加熱挙動の解析によchemicals with electricity, Science, 364, 6442, 734-

り、どちらの加熱にも優れた2.45 GHz付近の周波数が、735.

最も適した条件であることが示唆された。さらに、磁場2 ）T. Ano, S. Tsubaki, A. Liu, M. Matsuhisa, S. Fujii, K.

中でイナワラの炭素化物とCO2を反応させることによMotokura, W.J. Chun, Y. Wada, Probing theり、高選択的にBoudouard反応を進行できることを見出

temperature of supported platinum nanoparticles

した。マイクロ波 in situ XRDにおいて、Ni/SiO2-Al2O3

under microwave irradiation by in situ and

触媒上のNiが非常に低い温度で焼結し始めることから、

operando XAFS, Commun. Chem., 8, 86, 2020.

マイクロ波によってNiナノ粒子が局所的に高温になる

3 ）S. Tsubaki, T. Matsuzawa, E. Suzuki, S. Fujii, Y.

ことにより、バイオマスの触媒的な熱分解反応が加速す

Wada, Operando Raman spectroscopy of the

ると考えられた。今後、マイクロ波のエネルギーを効率

microwave-enhanced catalytic dehydration of的に用いた熱分解反応は、バイオマスのみならず、医療

2-propanol by WO3, Ind. Eng. Chem. Res., 59, 5

廃棄物や汚泥などの無菌化と減容化や、廃プラスチック

1781-1788, 2020のケミカルリサイクル、炭素材料の製造など、さまざま

4 ）S. Tsubaki, Y. Nakasako, N. Ohara, M. Nishioka, S.

な産業プロセスにも応用が期待される。また、再生可能

Fujii, Y. Wada, Ultra-fast pyrolysis of lignocellulose

エネルギー由来のクリーンな電力を用いることで、カー

using highly tuned microwaves： Synergistic

ボンニュートラルな化学産業にも貢献することができる。

effect of cylindrical cavity resonator andfrequency-auto-tracking solid-state microwave
generator, Green Chem., 22, 342-351, 2020.

― 14 ―

申請者

東京工業大学安藤吉勇

植物共生菌が産生する抗生物質プレウソメリン類の網羅的不斉全合成
東京工業大学

安藤

背景

理学院

吉勇

の報告例がある2。しかし、天然物は光学活性体にもかプ レ ウ ソ メ リ ンEG1は、 南 米 の 植 物Callicarpa

かわらず、その不斉合成は未解決のままである。誘導体

acuminata（ビューティベリーの一種）の葉に共生する菌によっては、天然からわずかしか単離できないため、生類Edenia gomezpompaeか ら 単 離 さ れ た 天 然 物 で あ る

物活性試験に供する光学活性サンプル量は限られてい（図 1 ）。ナフトキノンが二つのスピロアセタール構造

る。そのため、この化合物を基にした薬剤開発研究は困を介して二量化した構造を有しており、植物病原菌に対難となっている。

1

する抗菌活性を示す。そのため、植物はこの抗生物質を利用して自身の害となる菌の繁殖を防いでいると考えら

研究目的と方法
本研究は、プレウソメリンEG1の合成化学的問題を解れている。
一方、プレウソメリン類はこれまでに20種類以上の類決し、その初の不斉全合成を目指すものである。さらに、縁体が報告されており、その化学構造のわずかな違いに開発した手法をもとに他のプレウソメリン類の網羅的なより、抗菌活性だけでなく抗腫瘍活性など多様な生物活合成も達成し、生物活性試験へ化学合成による供給を可性を持つことが知られている2。これら生物学的な興味能とすることを目標とする。

とその特徴的な構造から多くの研究者によって合成研究

プレウソメリン類の不斉合成における問題はスピロアが行われており、ラセミ体の全合成についてはいくつか

セタールの立体選択的合成に集約される。通常スピロア
セタールの立体制御は、スピロ中心以外の不斉炭素由来の立体障害とアノマー効果を組み合わせることにより可能である（図 2 ）3。
しかし、プレウソメリンEG1の不斉炭素はスピロ中心のみであるため、その方法は適用できない（図 3 ）。また、他のプレウソメリン類については、スピロ中心以外に不斉炭素を持つものもあるが、この不斉情報をもとにスピロ中心を立体制御することは困難であることが分かって

図 2 ．ジアステレオ選択的スピロアセタール合成

図 1 ．プレウソメリン類― 15 ―

図 5 ．1,6-水素移動を経由する光酸化還元反応
図 3 ．立体制御困難なスピロアセタール

図 4 ．立体特異的光酸化還元反応

図 6 ．臭素導入による反応性の変化（図 5 ）。まずX = HのナフトキノンCへ光を照射したといる。
私はこの問題の解決の基盤となるナフトキノンの光酸

ころ、中程度の収率（42%）で対応するアセタールが生成

化還元反応を開発している。すなわち、ナフトキノンAした。一方、X = Brの場合には反応が円滑に進行し、に光照射すると、ベンジル位で環化反応が進行し、対応

良い収率（84%）でDを得ることができた。

するナフトールBが生成する（図 4 ）。反応の前後に注目

本反応はキノンカルボニル基が光励起された後に近傍すると、ナフトキノンAのベンジル位が酸化される一方、の水素原子が1,6-水素移動することにより反応が進行す

キノン部位は還元されており、分子全体の酸化度は変化る。そのため、反応が進行するためには、移動する水素

していない。そのため、この反応は光を契機とした分子がカルボニル基の近傍に位置する配座Eであることが望

内酸化還元反応と見なせる。さらに、原料のC–H結合のましい（図 6 ）。ここで、X = Hの場合は、カルボニル基

不斉情報は、生成物のC–O結合の立体化学へ立体保持でとの反発により、水素が反応点から離れた配座Fが優勢転写される。申請者は世界に先駆けこの反応の一般性おである考えられる。一方、X = Brの場合は、臭素とのよび立体特異性を示した 。この光反応は、不活性なC–

立体障害により配座Eが有利である。そのため、X = Br

H結合を穏和な条件で官能基化できる反応であり、官能の場合には、X = Hの場合よりも反応の開始段階である

基許容性が高く合成化学的有用性が高い。本研究ではこ1,6-水素移動がエントロピー的に有利となり円滑に進行の光反応の適用範囲を広げ、スピロアセタールの不斉合したと考えられる。

4

次に置換基Rを様々検討することによって、基質一般

成へ展開する。

性について調査した（図 7 ）。アリル基や第三級アルキル
研究成果

基、およびシクロプロピルメチル基が置換した基質につ本合成においては、 6 員環アセタールをいかにして光

いては、おおむね良好な収率で対応するアセタールを得

酸化還元反応によって立体制御するかが鍵となる。しかることができた。一方で、第二級アルキル基、第一級ア

し、 6 員環アセタールを収率よく光酸化還元反応によっルキル基とその級数が減少するにつれて、収率が低下して合成できるかは未知である。

た。また、電子求引性基が置換した基質も低収率であっそのため、まずモデルのナフトキノンCを合成し、光た。

反応によりアセタールDを収率よく与えるか調査した― 16 ―

以上の結果は、想定される光反応の機構に矛盾しない

図 7 ．基質一般性

図 9 ．逆合成解析

動により合成できる。 1 は、アセタール 2 の酸化により得られる。 2 は開発したナフトキノン 3 の光酸化還元反応により誘導可能と考えられる。このとき、反応が立体特異的に進行すればアセタール 2 の立体制御が実現できる。 3 は、光学活性テトラロン 5 とナフトール 4 との光延反応により調製できる。
実際の合成について示す（図10）。テトラロン 5 とナフ
トール 4 を光延反応により連結し、ナフタレン 6 とした。
これを酸化してナフトキノン 3 とし光を照射すると、光図 8 ．推定反応機構

酸化還元反応が進行し、アセタール 7 が生成した。これを速やかにアセチル化し、 8 としたところ、収率よく望（図 8 ）。すなわち、本反応は光励起後に1,6-水素移動

むアセタールを得ることができた。そして、この 8 に対

（1,6-H）が 進 行 し たのち、ビラジカル生成、電子 移 動

してキラル固定層を用いて鏡像体過剰率をHPLCにより

（SET）
、環化
（H→I→J）
が順次進行し、生成物を与える。

検定したところ、99%以上であることがわかり、反応がそのため、反応点で生成するラジカルおよびカチオン種

立体特異的に進行していることを確認した。また、X線を安定化できるアリル基や第三級のアルキル基では、円結晶構造解析により、その絶対配置を確認し、立体保持

滑に反応が進行する。しかし、第二級や第一級のアルキで反応が進行していることが明らかとなった。以上によル基は相対的にその安定化効果が減少し、収率が低下す

り、これまで立体制御困難だったスピロアセタールの不る。また、電子求引性基はラジカルを安定化する効果は斉合成に成功した。
スピロアセタール 8 から天然物へ誘導した（図11）。加あるものの、カチオンの生成を妨げるために低収率とな

水素分解反応によりベンジル基と臭素を還元的に除去しると考えられる。
以上により、反応の一般性が明らかとなったため、こたのち、ケトンの還元とキノンへの酸化を順次行うこと

れをプレウソメリン類の合成へ応用した。プレウソメリ

により、キノン10とした。このアルコールを酸化し、塩

ンEG1を標的とした逆合成解析を以下に示す（図 9 ）。プ

基性条件下アセチル基を除去すると、分子内のキノンとレウソメリンEG1は、キノン 1 の分子内での酸化度の移

ヒドロキノン間で酸化度の移動が進行し、キノンアセ― 17 ―

タール13となる。さらに溶媒のメタノー
ルが立体選択的にMichael付加し、プレウソメリンEG3を得ることができた5。
プレウソメリンEG3から他の誘導体への変換を行った。すなわち、まずエノー
ルシリルエーテルへ変換すると、メトキシ基の脱離が進行し、エノン14となる。
これを弱酸性条件に付すとプレウソメリ
ンEG1へ変換できる。これを立体選択的にエポキシ化しエポキシケトン15とした
後、亜鉛により還元すると、プレウソメ
リンEG2へ変換することができた5。
合成したプレウソメリン類の比旋光度を報告値と比較したところ、その符号が一致したため、合成品は天然物と同様の
図10．立体特異的光酸化還元反応

絶対立体化学を有していると判断するこ

図11．プレウソメリンEG類の不斉全合成― 18 ―

とができる。一方、その絶対値は大きくずれていた。合文献

成品の純度については問題がないため、天然物の測定結

1 ）M. L. Macías-Rubalcava, B. E. Hernández-Bautista,

果に何かしらの不備があると考えられる。実際、プレウ

M. Jiménez-Estrada, M. C. González, A. E. Glenn, R.

ソメリンEG3については、文献の測定濃度では合成品のT. Hanlin, S. Hernández-Ortega, A. Saucedo-García,

一部が溶解せず、同じ濃度での測定が困難であった。そJ. M. Muria-González, A. L. Anaya, Phytochemistryのため、天然物は純度の面で問題がある、もしくは天然

2008, 69, 1185–1196.

物自体の鏡像体過剰率が低い可能性がある。一方、単離2 ）a）K. Miyashita, T. Imanishi, Chem. Rev. 2005,

構造決定を報告した研究室はすでに閉じられており、天105, 4515–4536. b）Y.-S. Cai, Y.-W. Guo, K. Krohn,

然物標品の入手が困難であったため、これ以上の検証はNat. Prod. Rep. 2010, 27, 1840–1870.
3 ）a）F. Perron, K. F. Albizati, Chem. Rev. 1989, 89,

行えていない。

1617–1661. b）J. E. Aho, P. M. Pihko, T. K. Rissa,
まとめ

Chem. Rev. 2005, 105, 4406–4440.

以上、1,6-水素移動を経由するナフトキノンの立体特4 ）a）Y. Ando, T. Matsumoto, K. Suzuki, Synlett 2017,

異的光酸化還元反応を開発することにより、プレウソメ

28, 1040–1045. b）Y. Ando, A. Hanaki, R. Sasaki, K.

リンEG類の初の不斉全合成を達成した。本法は他のプ

Ohmori, K. Suzuki, Angew. Chem. Int. Ed. 2017,

レウソメリン類へも展開可能な一般的な合成経路であ56, 11460–11465. c）Y. Ando, D. Tanaka, R. Sasaki,

り、今後その網羅的合成へと展開できると期待される。

K. Ohmori, K. Suzuki, Angew. Chem. Int. Ed. 2019,58, 12507–12513. For review, see： d）Y. Ando, K.

謝辞

Suzuki, Chem. Eur. J. 2018, 24, 15955–15964.

本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団からの5 ）Y. Ando, D. Ogawa, K. Ohmori, K. Suzuki, Angew.

研究助成を受けて行われたものであり、ここに厚く御礼

Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202213682.（本研究成果）

申し上げます。

― 19 ―

申請者

東京農業大学（現筑波大学） 前田義昌

オイル高蓄積微細藻類を用いたオメガ 3 脂肪酸の高生産技術の開発
筑波大学

生命環境系

前田

1 ．研究の背景と目的

義昌

は初めてとなる、内在性イントロンを利用した遺伝子発

世界の人口が増加する中で、食料の安定的な供給は、Sustainable Development Goals（SDGs）の一つとして掲

現強化法の開発と、魚油代替のオメガ 3 脂肪酸の高生産プロセスの開発を行った。

げられている（目標 2 「飢餓をゼロに」）。増加する食料需要を支える上で、魚介類は重要な位置を占めており、

2 ．実験方法

その生産量（2016年の年間生産量：約 1 億 7 千万トン）は、

2 ．1 ．ソラリス株の培養

牛肉（約7000万トン）、豚肉（ 1 億 2 千万トン）、鶏肉（ 1海洋珪藻F. solaris JPCC DA0580株の培養には、f/2

億 2 千万トン）を凌ぐ。その中で、養殖魚介類は魚介類

培地を1 Lの人工海水（株式会社富田製薬）に溶解して調の総生産量の約半分（約8000万トン）
を占めるに至ってお製した培地を用いた。

り、さらに毎年平均 6 ％の割合で増加している。このこ
2 ．2 ．内在性イントロンの探索とから、養殖魚介類の生産性を持続的に向上させること
は、食料供給全体の向上・安定化に直結する。しかし、遺伝子予測ツールAugustusを用いてF. solaris全ゲノ

現在の養殖魚介類生産は持続可能性が高いとは言い難

ム配列2から予測された遺伝子領域の配列を参照配列、

い。これは、養殖魚の生育のために、天然魚の魚油を原

プライマーウォーキング法でシーケンスを獲得した料とするオメガ 3 脂肪酸（主にエイコサペンタエン酸

cDNAの配列をクエリ配列としてClustalWでアライメン（EPA）とドコサヘキサエン酸
（DHA）
）を飼料
（餌）に添加トを行い、イントロンを同定した。一連の解析にはゲノする必要があり、「魚の油で魚を育てる（魚がいないと魚

ム解析用ワークステーション（株式会社テガラ）を利用しを育てられない）」ためである。年間100万トン得られる

た。

魚油の内、約80%は養殖用飼料に添加されている現状は、
2 ．3 ．珪藻の遺伝子組み換え「フィッシュオイルジレンマ」と呼ばれている。このジレンマの解消は、食料の安定供給のために今まさに解決に着手すべき課題である。そのためには、天然魚に依存構築したベクターをパーティクルガン法もしくは接合伝達法によりF. solaris野生株に導入した。

しない持続可能なオメガ 3 脂肪酸の生産方法の開発が必要である。

パーティクルガン法では、50%グリセロール中に懸濁された直径0.6 µmのタングステン粒子懸濁液に対し、2.5

魚油の代替となる持続可能なオメガ 3 脂肪酸の供給源

M CaCl2及び0.1 Mスペルミジン、各ベクターをそれぞとして、光合成によりオメガ 3 脂肪酸を生合成できる微れ添加した。ボルテックスにより混合し、静置した後、細藻類のバイオマスが注目されている。そこで本研究で遠心分離を行い、粒子を回収した。回収した粒子に70%

は、世界で最も高いEPA生産性を示す微細藻類である

エタノールを加えた後、同様に遠心分離により粒子を回珪藻Fistulifera solaris の分子育種により、オメガ 3 脂

収し、続いて100%エタノールを加え、粒子を洗浄した。

肪酸生産性を強化する技術を開発することを目的とし洗浄操作を 2 回ずつ繰り返し行った後、100%エタノー

た。具体的には、効率的な分子育種基盤として、珪藻でルを加え、ベクター固定粒子を作成した。タッピングに1― 20 ―

より混合し、マイクロキャリアに塗布しパーティクルガ

ホスト生物由来の内在性イントロンを、遺伝子発現カン 用 導 入 ベ ク タ ー と し た。 続 い て 5 ×107 cellsのF.

セット（タンパク質をコードする領域、もしくは非翻訳

solaris野生株を 1 %寒天f/ 2 培地
（直径3.6 cmシャーレ）

領域）に人為的に挿入することで、その発現を強化でき上に塗布し、クリーンベンチ内で風乾させた。シャーレることが報告されている5。しかし、このイントロン介をBiolistic PDS-1000/He Particle Delivery System内に在発現強化法が珪藻に適用された例は無い。そこで本研セットし、打ち出し圧力1,100 psiにてベクターの導入を

究では、F. solarisにおいて導入する組み換え遺伝子の行った。復活培養（25°
C、24 h）
を行った後、ゼオシン（終発現向上に寄与するイントロンの同定を行った。具体的

濃度2.5もしくは5 µg/ml）
を含む 1 %寒天f/ 2 培地
（直径9にはF. solarisのゲノム配列から同定したイントロンを、

cmシ ャ ー レ ）に 塗 布 し、 光 量 子 束 密 度130 µmol

抗生物質
（ゼオシン）耐性遺伝子であるshbleに挿入し、photons/m2/s、25°C条件下で 3 ～ 6 週間培養を行い、遺伝子発現への影響を評価した。
まず、F. solarisのゲノム配列に対して、先行研究でコロニーを形成させた。
接合伝達法ではKarasらの方法3を改変し、珪藻の形質取得した当該株のcDNA配列をマッピングした。これにより、cDNA配列には含まれていないイントロン配列を転換を行った。

網羅的に同定することができた。同定したイントロンの2 ．4 ．高不飽和脂肪酸合成酵素遺伝子の探索と機能予測

末端各 5 塩基の配列を多重アライメントし、スプライス

他生物のΔ5エロンゲースのアミノ酸配列をクエリ配部位の保存性を確認した。その結果、スプライス部位で列として、BLASTによりF. solaris全ゲノム配列からΔは 5 ̍末端にGT、 3 ̍末端にAGの保存傾向が確認され、多5エロンガーゼをコードする候補遺伝子の探索を行った。

くの真核生物で高度に保存されているモチーフと一致し見出した候補遺伝子の特徴や機能を推定するため、た（図 1 ）。

InterProScan、TMHMM、ColabFoldによる解析を行っ同定したイントロンの内、ハウスキーピング遺伝子とた。
一連の解析にはゲノム解析用ワークステーション（株してソラリス株細胞内で発現量が恒常的に高い、グリセ

式会社テガラ）を利用した。

ルアルデヒド -3- リン酸脱水素酵素（GAPDH）遺伝子の第一イントロンを選択し、抗生物質耐性遺伝子shbleの2 ．5 ．ガスクロマトグラフィー

コード領域に挿入した（図 2（A））。構築した発現カセッ

F. solaris野生株、および形質転換体の細胞からクロロ

トを含むプラスミドをパーティクルガン法によりF.

ホルム／メタノール混合溶媒を用いて総脂質を抽出しsolarisに導入し、ゼオシン存在下で形質転換体を選択した。その後、ガスクロマトグラフィー質量分析計を用いた。ゼオシンはインターカレーションによりDNAに結て脂肪酸組成を解析した4。

合し、切断することによって抗生物質として機能する。
shbleがコードするタンパク質はゼオシンと結合するこ

3 ．結果と考察とにより、その機能を阻害する。そのため、内在性イン

3 ．1 ．内在性イントロンを利用した遺伝子発現強化法

トロンにshble発現量を増加する作用があれば、一定濃の開発

度のゼオシン存在下でも生存できるコロニーが増加する

F. solarisを遺伝子組み換えにより形質転換した場合、外部から導入した組み換え遺伝子の発現の低下が生じる
場合が多い。この問題は、オメガ 3 脂肪酸合成に関連する遺伝子の過剰発現を行う本研究でも大きな障壁となる。そこで、F. solarisの核ゲノムに含まれる内在性イントロンを利用した、組み換え遺伝子の発現強化法の開発を試みた。
イントロンとは、成熟したmRNAが生成される過程で除去される塩基配列である。
多くの真核生物において、

図 1 ．Fistulifera solarisのイントロン-エキソン境界の共通配列― 21 ―

図 2 ．Fistulifera solarisにおけるイントロン介在発現強化法の評価ことが期待される。実験の結果、GAPDHイントロンを挿入しなかった場合と比較して、イントロンを挿入した
場合は顕著に多い数の形質転換体コロニーを得ることが

図 3 ．DHA生 合 成 経 路 の 一 部
Elo：エロンガーゼ

Des： デ サ チ ュ ラ ー ゼ、できた
（図 2（B））。得られたGAPDHイントロン挿入株、およびイントロン非挿入株のshbleの発現量をリアルタ

DHA生合成経路は複数種類知られているが、本研究でイムPCRにより定量したところ、イントロン挿入株におは、EPAの脂肪酸鎖をΔ5エロンガーゼにより伸長させい てmRNA発 現 量 に 顕 著 な 向 上 が 確 認 さ れ た（ 図 2た後、Δ4デサチュラーゼにより不飽和化させる経路（図（C））。以上の結果より、GAPDHイントロンを標的とす

3 ）に注目した。特にΔ5エロンガーゼをコードする候補

る遺伝子に挿入することで、その発現を向上できること

遺伝子を探索したところ、 1 種類の遺伝子が候補配列とが示された。この成果は、イントロン介在発現強化法をして挙げられた。当該遺伝子がコードするタンパク質の珪藻に適用した初めての報告である6。

配列を各種バイオインフォマティクスツールで解析した
ところ、脂肪酸エロンガーゼの機能に必要なドメインが3 ．2 ．魚油代替のオメガ 3 脂肪酸の高生産プロセスの開発

含まれていること、他のエロンガーゼと同様に膜貫通ドメインが予想されること、他のエロンガーゼの立体構造

魚油の代替となる持続可能なオメガ 3 脂肪酸の供給源と当該遺伝子がコードするタンパク質の予測立体構造がとして、光合成によりオメガ 3 脂肪酸を生合成できる微類似していることを確認できた（図 4 ）。このことから、細藻類のバイオマスが注目されている。これまでに、珪

当該遺伝子が探索していた遺伝子である可能性が高いと藻キートセロス
（Chaetoceros gracilis）が飼料添加物とし判断した。

て実用化されており、本研究で研究対象としている珪藻

なお、F. solarisは異質倍数体（異なる 2 種の両親種のF. solarisも有力な供給源候補である。しかし、これら交雑によって生じた雑種生物）であると考えられており、の微細藻類に含まれる主なオメガ 3 脂肪酸はEPAであ

ほとんどの遺伝子について、ペアとなるもう一つの遺伝

り、DHAがほとんど含まれていないという課題がある。

子（ホメオロガス遺伝子）が存在する2,7。そこで、ナノポ

食料品として需要が高い海水魚の稚魚の成育には、オメ

アシークエンサーにより取得した新規ゲノム情報8を利ガ 3 脂肪酸の内、DHAの添加が特に重要であることが用して更なる解析を実施し、以前の遺伝子予測では見出知られており、真に魚油代替となる、DHA生産性を強されなかった当該遺伝子（Δ5エロンガーゼ候補遺伝子）化した微細藻類の開発が求められている。

のホメオロガス遺伝子を見つけることにも成功した。

そこで本研究では、F. solarisの予測遺伝子群の中か見出したΔ5エロンガーゼ候補遺伝子を含むベクター

ら、DHAを生合成するための候補遺伝子を探索した。

を構築し、接合伝達法によりF. solarisに導入した。そ― 22 ―

5 ．謝辞本研究の遂行に際して、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。また、本研究の多くは、東京農工大学の田中剛教授
が主宰する研究室において実施されました。田中剛教授、および田中研究室の関係者各位に深く感謝申し上げます。
6 ．参考文献
1 ．Tanaka, T. et al. Production of eicosapentaenoic
acid by high cell density cultivation of the marine
図 4 ．F. solarisのΔ5エロンガーゼ候補遺伝子がコードする
タンパク質の予測立体構造（A）、およびヒト超長鎖脂肪酸エロンガーゼの立体構造との重ね合わせ（B）

oleaginous diatom Fistulifera solaris. Bioresour
Technol 245, 567–572（2017）.
2 ．Tanaka, T. et al. Oil Accumulation by the
Oleaginous Diatom Fistulifera solaris as Revealedの結果、複数の形質転換体コロニーを獲得した。逆転写

by the Genome and Transcriptome. Plant Cell 27,

PCRによる解析を行ったところ、野生株ではΔ5エロン

162–176（2015）.

ガーゼ候補遺伝子のmRNAは検出されなかったの対し3 ．Karas, B. J. et al. Designer diatom episomesて、形質転換体株では検出された。そこで、形質転換体

delivered by bacterial conjugation. Nat Commun 6,

株の総脂質を抽出し、脂肪酸組成を解析した。その結果、6925（2015）.

ドコサペンタエン酸（DPA）が検出された。DPAは、Δ54 ．Nomaguchi, T. et al. Comprehensive analysis of

エロンガーゼによるEPAの脂肪酸伸長により生成されtriacylglycerol lipases in the oleaginous diatom

る脂肪酸であり、DHAの直接の前駆体である。さらにFistulifera solaris JPCC DA0580 with

DPAは野生株では検出されないことが確認されている。

transcriptomics under lipid degradation. J Biosci

このことから、本研究で導入した候補遺伝子の産物は、Bioeng 126, 258–265（2018）.

Δ5エロンガーゼ活性を示すことが示唆された。これに5 ．Baier, T., Wichmann, J., Kruse, O. & Lauersen, K. J.

より、F. solarisのオメガ 3 脂肪酸代謝を拡大できるこ

Intron-containing algal transgenes mediateとが示された。

efficient recombinant gene expression in the green

今後の課題として、検出されたDPAが微量であった
事から、イントロン介在発現強化法などを駆使してΔ5

microalga Chlamydomonas reinhardtii. Nucleic
Acids Res 46, 6909–6919（2018）.

エロンガーゼ遺伝子の発現を向上させること、さらに6 ．Tanaka, T. et al. Intron-mediated enhancement of

DPAをDHAに変換するΔ4デサチュラーゼを共発現さtransgene expression in the oleaginous diatom

せることが挙げられる。

Fistulifera solaris towards bisabolene production.
Algal Res 57, 102345（2021）.

4 ．結論

7 ．Nomaguchi, T. et al. Homoeolog expression bias in

本研究では、珪藻で初めてイントロン介在発現強化法を開発した。さらに、F. solarisのゲノム情報からΔ5エallopolyploid oleaginous marine diatom Fistulifera
solaris. BMC Genomics 19, 330（2018）.

ロンガーゼ遺伝子を特定し、その発現によりオメガ 3 脂

8 ．Maeda, Y. et al. Chromosome-scale genome肪酸代謝を拡大できることを実証した。本研究で得られassembly of the marine oleaginous diatom

た成果は、微細藻類によるオメガ 3 脂肪酸生産の効率化

Fistulifera solaris. Mar Biotechnol 24, 788–800に向けた重要なマイルストーンとなるものである。

（2022）.

― 23 ―

申請者

琉球大学

有光

暁

植物抽出エキスへの直接フッ素化法の開発と含フッ素天然化合物の創薬シーズへの応用
琉球大学

理学部海洋自然科学科

有光

暁2 ．実験方法

1 ．研究の背景と目的
生物資源は、多様な有機化合物を有しているため創薬

まず、原料となる生物資源としてシーズとして利用されてきた。しかし、長年の探索研究

赤腐れ病を引き起こしたサトウキビにより、新たな骨格や活性を持つ新規化合物の発見が困に注目した（図 1 ）。サトウキビは、難になってきている。従来、創薬シーズの合成は、生物

沖縄県の農家の約70%が栽培してい資源から精製された純粋な化合物を誘導化することで行る主力農作物である。砂糖のみならわれていたが、前段階の精製に時間がかかり迅速な研究ずバイオエタノールやバイオ肥料な推進が困難であった。そこで、短時間に創薬シーズを創ど、周辺産業を含めると地域にもたらす経済効果はサト製することを目的に、天然物抽出エキスに対し化学反応

ウキビ自体の生産額の約4.3倍に上るといわれている［4］。

処理を行い、有機化合物の多様性を拡大させた抽出物か

また、サトウキビは世界でも重要な農業産物であり、熱ら創薬シーズを探索する方法（Chemically-Engineered-

帯または亜熱帯地域の国々にとって経済を支える重要な

Extract：CEE法）
が開発された 。

作物である。しかし、サトウキビには多くの病害が存在［1］

図 1 ．赤腐れ病

一方、
創薬リード化合物にフッ素基を導入することで、し、中でも赤腐れ病は最も深刻な病害として知られてい脂質溶解性や代謝安定性が向上し、薬理活性を改善するる。真菌病原菌Colletotrichum falcatum に感染したサことが知られており、約30%もの医薬品にフッ素原子がトウキビはストレスを受け防御物質として赤色を呈する

導入されている［2］。フッ素原子はファンデルワールス半

フィトアレキシンを生産する。このフィトアレキシンは、径が水素と同程度のサイズで、全元素のなかで最大の電人間には有害なため赤腐れ病に感染したサトウキビに関

気陰性度を有している。この特性により有機分子中にしては廃棄せざるを得ない。

フッ素原子を導入することで化合物の形や大きさを変化

そこで、本研究ではアップサイクルの観点で赤腐れ病させることなく、その物性を激変させることができる［3］。

に感染したサトウキビの創薬利用を目標とし、赤腐れ病

しかし、自然界にはフッ素を取り込む代謝系がほとんどに感染したサトウキビの抽出物に対してフッ素化反応を存在せず、天然資源から得られる含フッ素有機化合物は検討した。

単純な構造に限定されている。そのため、複雑な構造を
2 ．1 ．赤腐れ病に感染したサトウキビ抽出物の調製もつ創薬シーズにフッ素を導入するには、多段階工程を経る有機合成反応に頼らざるを得ないのが現状である。

サトウキビを10日間ほど室温で静置し赤腐れ病に感染

そこで本研究では、創薬において重要な役割を担ってさせた。赤く変色した部分を1 cm程度に切り、メタノー

いたにも関わらず、それぞれ個別に発展してきた天然物

ルもしくは酢酸エチルに24時間浸漬し抽出を行った。抽

化学と有機フッ素化学をCEE法により統合し、複雑な出液は、吸引ろ過し固形物を取り除いた後、ろ液をエバ骨格を持つフッ素化化合物を簡便に合成できないかと考ポレーターにより減圧濃縮した。続いて除糖のため、蒸えた。その検証のために、植物抽出エキスに直接フッ素

留水を加え酢酸エチル（150 mL × 3）で分配した。除糖化反応を試みた。

した有機層は減圧濃縮し、乾燥した固形物を得た。また、― 24 ―

図 3 ．フッ素化反応後の反応溶液の19F NMR
表1
図 2 ．各種抽出物のHPLCデータ

Entry

比較実験のために感染していないサトウキビでも同様の抽出作業を行った。
次に各抽出物が含有する化合物の組成を調べるために高速液体クロマトグラフィー（HPLC）の測定を行った。

フッ素化反応の最適化

抽出物 Selectfluor MeCN（mg） （mmol） （mL）

温度
（℃）

生成物

1

10.2

0.05

1.0

室温

×

2

10.1

0.2

1.0

室温

A, B

3

10.0

0.4

1.0

室温

A, B

4

9.8

0.5

1.0

室温

A, B

5

10.6

0.6

1.0

室温

A, B

6

10.3

0.2

2.0

室温

B

HPLCは島津製作所のLC20-ADを使用し、検出器はPDA

7

a

9.9

0.2

1.0

室温

B

検 出 器 を 用 い た。 カ ラ ム はCOSMOSIL 5C18-PAQ

8b

10.7

0.2

1.0

室温

B

Packed Column（120 Å 5 µm、2.0 mm x 150 mm）、流

9c

10.8

0.2

1.0

室温

A, B

10

11.3

0.2

1.0

60

×

11

100.9

5.0

1.0

室温

A, B

速は0.15 mL/min、展開溶媒は20–100 % MeCN（ギ酸0.05 %）
で分析を行った。HPLC分析の結果、赤腐れ病に（a）反応時間：2 h.（b）反応時間：7 h.（c）反応時間：48 h.

感染したサトウキビで数多くの化合物が生成していることを確認した（図 2 ）。また赤腐れ病に感染したサトウキ

了後、反応溶液に水を入れ酢酸エチルで抽出した。有機

ビのメタノール抽出物と酢酸エチル抽出物とを比較した

層を乾燥後、反応混合物の19F NMRを確認したところ、場合、ピークの傾向はほとんど同じであったが、酢酸エ

メタノール抽出物を原料とした場合にはフッ素化合物はチル抽出物の方が若干多くの化合物が検出された（図 2得られなかった。一方、酢酸エチル抽出物を原料とした

の（ii）
と
（iii）
）
。

場合には二種類のフッ素化合物（AとB）が生成していることを確認した（図 3 ）。この結果より、酢酸エチル抽出

2 ．2 ．赤腐れ病に感染したサトウキビ抽出物を原料と物が原料として相応しいと結論付けた。

したフッ素化反応の検討

次に、フッ素化反応の条件検討を行った（表 1 ）。まず、次に、赤腐れ病に感染したサトウキビの酢酸エチル抽

酢酸エチル抽出物10 mgに対しSelectfluor の量を0.05–

出物とメタノール抽出物の 2 種類の原料に対して、フッ0.6 mmolの範囲で検討した（Entry 1– 5 ）。その結果、フッ素化反応を検討した。2016年のFurlanらの研究では、

素化生成物を与えるには、0.2 mmol以上のSelectfluorがエッセンシャルオイルにフッ素化試薬としてSelectfluor

必要ということが分かった。続いて、溶媒の濃度を1.0–2.0

を用いてCEEによるフッ素の導入をおこなっている［5］。

mLの範囲で検討した。結果、原料10 mgに対して、1.0

この先行研究を参考に、フッ素化剤としてSelectfluorを

mLのMeCNを使用した条件では化合物AとBが得られた選択した。まず、それぞれの乾燥した抽出物10 mg を1.0

が（Entry 2）、二倍に希釈した2.0 mLを使用した場合、

mLのMeCNに 溶 解 し、Selectfluor（0.2 mmol）を 加 え、

化合物Bのみが得られた（Entry 6）。また、反応時間を

室温かつアルゴン雰囲気下で24時間撹拌させた。反応終2 –48 hの範囲で検討した結果、 2 –7 hの条件下では化― 25 ―

合物Bのみが得られたが（Entry 7– 8 ）、48時間に延長し

6）。

ても24 時間と同様の結果になることより、化合物AとB両方得るためには24時間反応させる必要があることが分

3 ．結論

かった。
（Entry 2, 9）。最後に温度を検討したところ、60

赤腐れ病に感染したサトウキビ抽出物に対して°Cでは生成物の分解が確認された（Entry 10）。以上の

Selectfluorを用いたフッ素化反応をおこない、フッ素化

事より、Entry 2– 5 を最適条件とした。次に100 mgの生成物AとBを合成することに成功した。開発したフッ原料を用いて、反応の再現性とスケールアップを確認し素化反応は、100 mgまでスケールアップしても再現性たところ、Selectfluorを 5 mmol使用した場合に再現性

良く実行可能である。得られたフッ素化合物の詳細な構

良く反応が進行した（Entry 11）。

造や生理活性の評価については、まだ明らかになっていないため、今後引き続き研究を行っていく。

2 ．3 ．フッ素化生成物の単離以上のことから、本研究によりフッ素化反応もCEE

まず、フッ素化反応後の酢酸エチル抽出物を、シリカ法に応用できる可能性を示すことができた。また本研究

ゲルカラムクロマトグラフィー（Hexane：Ethyl acetate

により、本来は廃棄されるはずであった資源を創薬利用= 5： 1 、 2 ： 1 、 0 ： 1 、Ethyl acetate：メタノール= 0： 1 ）により、四つのフラクション（ 1 – 4 ）に分画した（図 4 ）
。それぞれのフラクションの19F NMRを確認したところ、フラクション 2 にA、フラクション 3 にBが存在していることが明らかになった。次に、フラクショ
ン 2（20.3 mg）の 精 製 を 行 っ た。 カ ラ ム はCOSMOSIL
5C18-PAQ Packed Column（120 Å 5 µm、2.0 mm x 150mm）、流速は2.0 mL/min、展開溶媒としてH2O/MeCN= 60/40を用いて精製を行った。精製により無色の固体の化合物A（8.3 mg）を得た（図 5 ）。さらに、フラクショ
ン 3（15.8 mg）の精製を行った。フラクション 2 と同様にカラムはCOSMOSIL 5C18-PAQ Packed Column（120Å 5 µm、2.0 mm x 150 mm）、流速は2.0 mL/min、展開溶媒としてH2O/MeCN = 70/30を用いて精製を行っ

図 5 ．フッ素化生成物AのHPLCと19F NMR

た。精製により黄色の固体の化合物B（5.2 mg）を得た（図図 4 ．フッ素化反応物の分画

図 6 ．フッ素化生成物BのHPLCと19F NMR― 26 ―

13, 200–204.

へとアップサイクルできる可能性も示すことができた。

［ 2 ］Wang, J； Sánchez-Roselló, M.； Aceña, J.； del4 ．謝辞

Pozo, C.； Sorochinsky, A. E.； Fustero, 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

Soloshonok, V. A.； Liu, H. Fluorine in団法人松籟科学技術振興財団ならびに選考委員の先生方Pharmaceutical Industry： Fluorine-Containingに心より感謝申し上げます。また、本研究を実施するに

Drugs Introduced to the Market in the Last

あたり、尽力してくれた当研究室の真栄田りな氏（2022

Decade（2001−2011）, Chem. Rev. 2014, 114,

年修士修了）に感謝申し上げます。

2432–2506.
［ 3 ］Müller, K.； Faeh, C.； Diederich, F. Fluorine in

5 ．参考文献

Pharmaceuticals： Looking Beyond Intuition.
Science 2007, 317, 1881–1886.

［ 1 ］（a）Lopez, S. N.；Ramallo, I. A.；Gonzalez Sierra,M.； Zacchino, S. A.； Furlan, R. L. E. Chemically［ 4 ］井上壮太朗. 沖縄県におけるさとうきび策と製糖業

engineered extracts as an alternative source ofの現状と課題, 農林水産政策研究, 2006, 12, 65–84.

bioactive natural product-like compounds Proc.

［ 5 ］García, P.； Salazar, M. O.； Ramallo, I. R.；

Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007, 104, 441–444.（b）Furlan, R. L. E. A New Fluorinated Tyrosinase

Mendez, L.； Salazar, M. O.； I. Ramallo, A.；

Inhibitor from a Chemically Engineered Essential

Furlan, R. L. E. Brominated Extracts As Source

Oil, ACS Comb. Sci. 2016, 18, 283–28

of Bioactive Compounds, ACS Comb. Sci. 2011,― 27 ―

申請者

京都大学

山本

武司

天然由来キラルテルペン類を不斉源とする
実践的不斉触媒反応の開拓
京都大学

大学院工学研究科

山本武司

1 ．はじめに少量のキラル触媒から多量のキラル生成物が得られる
触媒的不斉合成は、反応効率の高さから盛んに研究がおこなわれている。しかしながら、不斉触媒の調製に多大なコストがかかることが大きな課題となっていた。この背景のもと、入手容易なキラル溶媒をキラル源として直接利用した触媒的不斉合成に関心が寄せられてきたが、溶媒との弱い相互作用により強固な不斉反応場を構築するのは困難であり、立体選択性は低いものにとどまって
図 1 ．PQXのらせん不斉制御

いた。
一方、近年の高分子合成法の著しい発展のもと、精密に構造制御された人工らせん高分子を利用した機能性材を達成しており、アキラルなエーテル側鎖を有するP1料の開発が進められている1）。左右らせん間に平衡があをリモネンに溶解させることで、完全な一方向巻きらせるポリアセチレンやポリイソシアネート、ポリシラン等

ん構造を誘起できることを見出している10）。また最近では動的らせん高分子として知られており、光学活性側鎖は、アミノ酸誘導体をキラル添加剤とするより効率的なの共有結合による導入やキラルゲストとの分子間相互作

らせん不斉制御も見出している11）。

用によるらせん不斉誘起が達成されている。しかしながリモネン溶媒中で完全な一方向巻きらせん構造が誘起

ら、主鎖のらせん不斉を完全に制御できる人工らせん高された高分子配位子 PQXphos は、不斉鈴木−宮浦カッ

分子は限られており、キラル溶媒からのらせん不斉誘起

プリング反応において最高98% eeの高い光学純度で軸に基づいたキラルらせん高分子材料の開発は限られてい不斉ビアリール生成物を与え、キラル溶媒を唯一の不斉る2,3）。

源として高いエナンチオ選択性を達成した初の成功例と申請者の所属する研究室では、動的らせん構造を有すなっている（図 2 ）。

るポリ（キノキサリン-2,3-ジイル）（以下PQXと称す）のら

上記研究背景のもと、本研究では、安価に入手できる

せん不斉制御とキラル機能性材料への利用を進めてい

植物由来のキラルテルペン類を動的らせん高分子触媒のる。これまでにPQXにキラル側鎖を導入することで主らせん不斉を誘起する不斉源として利用することを目指

鎖に完全な一方向巻きらせん構造の誘起を達成しておし、らせん不斉誘起の効率化についてさらなる検討をおり 4,5）（図 1 ）、キラル触媒の主骨格として利用することでこなうとともに、不斉求核触媒反応への展開を検討した。

PQXの嵩高いキラルらせん構造に由来する高いエナン

以下、詳細な結果について報告する。

チオ選択性や触媒活性が発現することを報告している 6–9）。また、
より実践的なPQXのらせん不斉誘起として、キラル溶媒との弱い相互作用に基づいたらせん不斉誘起― 28 ―

図 2 ．リモネンをキラル溶媒とする不斉鈴木−宮浦カップリ
ング

図 4 ．キラルテルペン類を用いたアキラルPQXのらせん不斉誘起

図3（．R）-リモネンによるP1（100量体）のらせん不斉誘起におけるCD強度の温度変化用するためには、より効率的ならせん不斉誘起が求められることが確認された。
2 ．2 ．テルペン類によるPQXのらせん不斉誘起

2 ．結果と考察
2 ．1 ．リモネンによるPQXのらせん不斉誘起の温度依
存性

PQXへの効率的ならせん不斉誘起を目指し、PQXの側鎖構造について検討をおこなった。動的らせん構造形

リモネンによるらせん不斉誘起についてさらなる評価

成に重要なキノキサリン環上の5,8位のメチル基は固定をおこなうため、その温度依存性についてCD測定によしたまま、6,7位のアキラルエーテル側鎖構造が異なるる検討をおこなった（図 3 ）（R）。
-リモネン溶媒中では、PQX（P2–P5）合成し、キラルテルペン類およびその誘導

20 °CにおいてP1の100量体にほぼ完全な右巻きらせん体によるらせん不斉誘起を検討した（図 4 ）。キラルゲス構造が誘起されるが、温度の上昇に伴いCDスペクトルトが 5 %含まれたtBuOMeにPQXを溶解し、366 nmにお強度（Δε/ε）が減少した。この温度変化を解析したとこ

けるCDスペクトル強度から誘起されるらせん不斉を評ろ、40 °C以上では完全な右巻きらせん構造が維持され価したところ、従来のP1に比べ長いアルキル側鎖を有ず、左巻きらせん構造の割合が増加していることが示唆するP2では（R）-リモネンにより右巻きのらせん不斉がされた。これにより、リモネン等のキラルテルペン類に誘起された。
（+）-メントールでは左巻きのらせん不斉がよるPQXのらせん不斉誘起を様々な不斉触媒反応へ適誘起されたが、（1R）-α-ピネンや（S）-1-クロロ-2-メチルブ― 29 ―

タンではらせん不斉がほとんど誘起されなかった。一方、プロリン誘導体であるAc-l-Pro-OMeを用いた場合には左巻きらせん不斉が効率的に誘起されることが確認された11）。側鎖にエステル部位を有するP3ではテルペン類に よ る ら せ ん 不 斉 誘 起 効 率 は 低 下 し た が、Ac-l-ProOMeを用いた場合にはほぼ完全な左巻きらせん不斉が誘起された。また、キノキサリン環の6,7位に直接アルコキシ基が導入されたP4とP5ではいずれのキラルゲス
トにおいてもらせん不斉はほとんど誘起されなかった。
これらの結果から、アキラル側鎖のベンジルエーテル構
造がらせん不斉誘起に必要であることが示唆された。
さらに、テルペン類やアミノ酸誘導体以外の様々なキ

図 5 ．オリゴエチレングリコール側鎖を有するPQXの水中
らせん不斉誘起

ラル化合物によるP1のらせん不斉誘起についても検討したところ、l-乳酸の環化二量体であるl-ラクチドがより高いらせん不斉誘起能を示すことが見出された。リモネンやプロリン誘導体、ラクチドが高いらせん不斉誘起能を有することは、環状構造によりキラルゲストの配座が固定されることがPQXとの効果的な分子間相互作用に重要であることを示している。
2 ．3 ．水溶性PQXの合成とらせん不斉誘起
環境負荷の低い分子変換技術として、安価で不燃、無毒な水溶媒中での不斉触媒反応の開発が進められている。水中においては、疎水性主鎖を有するPQXの周辺にテルペン類が濃縮されることで、有機溶媒中よりも効率的にらせん不斉が誘起されることを期待し、水溶性

図 6 ．リモネンをキラル溶媒として利用した不斉Steglich転位反応

PQXの合成とらせん不斉誘起について検討をおこなっ
2 ．4 ．不斉求核触媒反応への展開た。
オリゴエチレングリコール側鎖を有するPQXを合成

上記の知見のもと、キラル溶媒によるらせん不斉誘起

したところ、ジエチレングリコール側鎖を導入した

を4-アミノピリジン型の求核触媒部位を有するアキラル

PQXは水溶性を示さなかったのに対し、トリエチレン

ならせん高分子触媒PQXmdppに利用することで、不斉グリコール側鎖を導入したP6は水溶性を示した（図 5 ）。

Steglich転位反応をおこなった（図 6 ）。リモネン溶媒中

このP6をリモネンおよびα-ピネンの飽和水溶液に溶解

でも反応は円滑に進行し、35% eeで生成物が得られた。

させ、CDスペクトルを測定したが、らせん不斉はほとキラル側鎖によりらせん不斉が誘起されたPQXmdppをんど誘起されなかった。水中に溶解しているテルペン類

用いてトルエン溶媒中で反応をおこなった場合には69%

は非常に低濃度であることが要因として考えられる。

eeで生成物が得られたことから8）、リモネンが反応溶媒

トリエチレングリコール側鎖を導入したP6においては、親水性部位と疎水性部位を有するマンデル酸のようとして不適切であることが考えられ、有機溶媒を共溶媒として用いた検討が必要となることが示された。

な化合物が優れたキラルゲストとして作用し、水中で完

実際、本研究で見出されたl-ラクチドをキラルゲスト

全な一方向巻きらせん構造を誘起できることが見出されとして用いる条件下では、反応の溶媒としてtBuOMeをており、新たな展開が期待される。

使用することが可能であり、不斉Steglich転位反応おい― 30 ―

て90% ee以上の高いエナンチオ選択性で生成物が得ら

5 ．参考文献れることを見出している。現在、この過程で培われた知1 ）E. Yashima, N. Ousaka, D. Taura, K. Shimomura, T.

見をもとに、キラルテルペン類を用いた実践的不斉触媒

Ikai, K. Maeda, Chem. Rev., 2016, 116, 13752.
2 ）K. Shimomura, T. Ikai, S. Kanoh, E. Yashima,  K.

反応についてさらなる検討をおこなっている。

Maeda, Nature Chem., 2014, 6, 429.
3 ．まとめ3 ）T. Ikai, M. Ando, M. Ito, R. Ishidate, N. Suzuki, K.
Maeda, E. Yashima, J. Am. Chem. Soc., 2021, 143,

本研究では、キラルテルペン類を用いたPQXのらせ

12725.

ん不斉誘起の効率化と不斉Steglich転位反応への応用に

4 ）T. Yamada, Y. Nagata, M. Suginome, Chem.

ついて検討をおこなうことで、実践的不斉触媒反応を実Commun., 2010, 46, 4914.

現するために重要な知見が得られた。また、l-乳酸由来のラクチドが高いらせん不斉誘起能を示すことが見出さ

5 ）Y. Nagata, T. Yamada, T. Adachi, Y. Akai, T.

れたことは、安価な生物由来資源を有効に活用する新たYamamoto, M. Suginome, J. Am. Chem. Soc., 2013,

な指針を示すものであり、低コストの天然由来キラル化

135, 10104.

合物から付加価値の高い医薬品等のキラル機能性化合物

6 ）T . Y a m a m o t o , T . Y a m a d a , Y . N a g a t a , M .

を合成する高効率生産に応用できるものと期待される。

Suginome, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 7899.

また、円偏光発光材料やキラル液晶のみならず、キラル

7 ）Y. Akai, T. Yamamoto, Y. Nagata, T.Ohmura, M.

認識材料やキラル分割材料等へと利用することで、次世

Suginome, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 11092.
8 ）T. Yamamoto, R. Murakami, M. Suginome, J. Am.

代型キラル高分子材料の創製が期待される。

Chem. Soc., 2017, 139, 2557.
4 ．謝辞9 ）Y. Yoshinaga, T. Yamamoto, M. Suginome, ACS
Macro Lett., 2017, 6, 705.

本研究を助成していただいた公益財団法人松籟科学技術振興財団に感謝いたします。また、本研究は、京都大

10）Y. Nagata, R. Takeda, M. Suginome, ACS Cent.
Sci., 2019, 5, 1235.

学大学院工学研究科合成・生物化学専攻の杉野目道紀教
授との共同研究です。

11）S. Ikeda, R. Takeda, T. Fujie, N. Ariki, Y. Nagata, M.
Suginome, Chem. Sci., 2021, 12, 8811.

― 31 ―

申請者

宇都宮大学

岡本

昌憲

植物病害抵抗性に寄与するサリチル酸とN-ヒドロキシピペコリン酸の生合成調節機構の解明とその利用
宇都宮大学

1 ．背景と目的

バイオサイエンス教育研究センター

岡本昌憲

申請者らは、これまでABA受容体を過剰発現したシ植物ホルモンのアブシシン酸
（ABA）
（図1A）
は、植物

ロイヌナズナとコムギを創出してきた。これらは耐乾性の乾燥ストレス応答に重要な役割を果たすシグナル分子を示し、少ない水で種子の生産が可能な節水形質を示しである。ABAの代謝制御やシグナル伝達を解明し、そた4,5）。シロイヌナズナでABA受容体を過剰発現したトれらの知見を応用することで、耐乾性作物の創出へ発展

ランスジェニックは、従来の報告どおりに、SAの内生させることができる。一方で、ABAの効果が強まると、量が減少し、ABAとSAの拮抗作用が観察された。一方

植物の病害抵抗性に関わるホルモン分子のサリチル酸

で、ABA受容体を過剰発現させたコムギ（TaPYLox）で（SA）の作用が低下する事がモデル植物のシロイヌナズ

は、偶発的に閉鎖系で蔓延したうどんこ病菌に対して、

ナで報告されている（図1B）1）。SAは以前から植物ホル抵抗性を示したことから、TaPYLoxコムギはシロイヌ

モンとして知られていたが、最近になって、SAと類似

ナズナとは異なる形質を獲得していることが予想されの作用を持ち、病害抵抗性に関わる新しい生理活性物質た。そこで、本研究では、ABAの受容体タンパク質をとしてN-ヒドロキシピペコリン酸（NHP）が2018年にCell

多く蓄積するTaPYLoxコムギが、うどんこ病菌に対し

誌2）とPNAS誌3）に相次いで報告された
（図1C）
。いずれ

て抵抗性を示す原因を、ホルモン制御の観点から分子レにせよ、ABAの効果が高まり植物の耐乾性が向上した

ベルで追究することを目的とした。

としても、病害抵抗性に関わる分子群の作用が低下し、病原菌やウイルスに弱くなってしまっては、作物の生産

2 ．結果と考察

性を真に向上させる事はできない。つまり、ABAと病

2 ．1

TaPYLoxコムギにおけるホルモン蓄積量

害抵抗性に関わる分子群の拮抗作用を克服し、乾燥スト

TaPYLoxがうどんこ病菌に抵抗性を示したことからレスと病原菌に対して複合的な抵抗性を示す革新的な技（図2A）、植物ホルモンのSA蓄積量を分析した。その結術が開発できれば、作物の生産性を向上させることがで

果、TaPYLoxは、コントロール系統（Null）よりも、うきる。

どんこ病菌感染前から約20倍多くのSAを蓄積しており、

図 1 ．植物ホルモンの構造（A, B, C）、生合成経路と酵素遺伝子（B, C）
および本研究で解明した制御機構（D）― 32 ―

図 2 ．ABA受容体過剰発現株（TaPYLoxの形質）

図 3 ．うどんこ病菌感染後のホルモン分子の変動

うどんこ病菌耐性の強さは、SAの蓄積量と相関を示した（図2B）。興味深いことに、乾燥ストレスを与えて、内応には、SAよりもNHPが主要な役割を果たしているこ

生ABA量を増加させても、コントロール及びTaPYLoxとが示された（図 3 ）。

のSA量に変動はなかった。このことから、コムギでは

興味深いことに、SAを多く蓄積するTaPYLoxでは

ABAとSAの間に拮抗性がないことが明らかとなった

Pipが多く蓄積しており、NHPの過剰蓄積は観察されな（図2B,C）。さらに、ABA受容体タンパク質が蓄積するかった。しかしながら、感染後の早期にNHPの蓄積が高濃度のABAを外から与えると、受容体タンパク質の

TaPYLoxで観察されることから、TaPYLoxが示すうど

蓄積量に応じてSAの内生量が蓄積した。このことから、んこ病菌耐性の性質は、SAの過剰蓄積が主要であり、ABA受容体タンパク質がABAシグナル伝達とは非依存

PipとNHPの協調作用によるものであることが示唆され的にSAを蓄積させる新規の制御機構が存在することがた（図 3 ）。

示唆された。
2 ．2

一方で、植物の障害応答や防御応答に関わるジャスモ

SAおよびNHP生合成制御機構

ン酸イソロイシン（JA-Ile）については、NullとTaPYLox

コムギにおけるSAとNHPの生合成制御機構を明らかとの間に大きな差が認められなかった。また、乾燥ストにするために、シロイヌナズナで報告されている遺伝子レスを与えて内生ABA量が増えても、JA-Ileの蓄積には配列を元に、転写因子、生合成酵素遺伝子、および病害

大きな変動が認められなかった。このことから、コムギ

応答性遺伝子をクローニングして、それらの遺伝子発現

ではシロイヌナズナで報告されているABA-SA-JA-Ile間を解析した。SA生合成の鍵転写因子であるSARD1との拮抗関係は成立しないことが示唆された。

WARK33がTaPYLoxコムギで強く発現していた。そしコムギがうどんこ病菌に感染後、防御反応として期待て、SAの 生 合 成 鍵 酵 素 遺 伝 子 のICS1お よ びICS2が通りにSAの蓄積が起こることが観察されたものの、そTaPYLoxで強く発現していた（図 4 ）。この事によって、の増加量は 2 ～2.5倍程度であり劇的な増加は観察され

TaPYLoxではうどんこ病菌感染前から、多くのSAを蓄なかった（図 3 ）。一方、最近報告された新規の活性物質積していることが明らかになった。また、NHP生合成

NHPとその前駆体であるピペコリン酸（Pip）の蓄積は顕酵素遺伝子のALD1やSARD4もうどんこ病菌感染前か

著に多く蓄積しており、Pipについては感染後に 4 からら強く発現していた（図 4 ）。一方、NHPの最終ステッ15倍に蓄積するのに対して、NHPは 5 から60倍と劇的プの生合成酵素遺伝子FMO1については、コントロール

な蓄積を示した。このことから、コムギの病害抵抗性反のNullと同等の発現をしていた。この発現結果は、先に― 33 ―

図 4 ．うどんこ病菌感染におけるSAとNHP生合成酵素遺伝子およびPR1遺伝子の発現変動

2 ．3

述べたNHPの内生量の変動解析と一致するものであった。

プロベナゾールによるSAとNHPの代謝制御機構

プロベナゾールは植物の病害抵抗性を誘導する作用がうどんこ病菌に感染した後に、コントロールコムギ系

あり、オリゼメートという商品名で、イネのいもち病菌

統ではSA生合成の鍵酵素遺伝子ICS1の発現上昇が認めに対して抵抗性を付与する農薬として用いられている。

られた。一方、ICS2の遺伝子発現は変動がなかったこ

プロベナゾールがコムギのSAおよびNHP生合成にどのとから（図 4 ）、 う ど ん こ 病 菌 感 染 で 上 昇 す るSAとように作用するのか、その効果を解析した。オリゼメー

TaPYLoxで蓄積しているSAは部分的に異なる制御機構

トで処理すると、SARD1転写因子の発現は減少したが、であることが明らかになった。NHPの生合成制御につWARKY33転写因子遺伝子の発現は上昇した（図 5 ）。

いては、うどんこ病菌感染後に、ALD1とFMO1の遺伝

SA生合成酵素遺伝子ICS1の発現が上昇し、そしてSAも子発現上昇が生じ、SARD4の遺伝子発現は変化がない

蓄積した（図 5 ）。一方、NHP生合成酵素遺伝子ALD1とことから、病害応答においては、ALD1とFMO1の 2 つ

FMO1も同様に遺伝子発現が上昇し、PipおよびNHPがの生合成酵素遺伝子が鍵になっていることが明らかに劇的に蓄積した。この蓄積に伴い、PR1やPR4の遺伝なった（図 4 ）。TaPYLoxコムギでは、うどんこ病菌感

子発現も上昇した。また、うどんこ病菌に対して抵抗性

染前にALD1とSARD4酵素遺伝子の発現情報が認めらも向上した。TaPYLoxやうどんこ病菌感染ではSARD1

れ、感染後には、ALD1とFMO1の遺伝子発現の増加が転写因子が誘導されるが、オリゼメート処理では、この見られた（図 4 ）。この結果から、NHP生合成において、遺伝子の誘導は起きずに、WARKY33転写因子遺伝子

コントロール系統が 2 つの生合成酵素遺伝子を上昇させのみの発現誘導が起こる。プロベナゾールはTaPYLoxているのに対して、TaPYLoxコムギは 3 種のNHP生合

コムギやうどんこ病菌感染で蓄積するSAやNHPとは異成酵素遺伝子の発現量を増加させることで、NHPの初なる分子機構で、植物の病害抵抗性を向上させているこ

期の高蓄積をもたらしていることが明らかになった。

とが明らかとなった（図1D）。

― 34 ―

図 5 ．オリゼメート処理におけるSAとNHP生合成酵素遺伝子およびPR1遺伝子の発現変動

4 ．謝辞

3 ．まとめ植物が病原菌に対して抵抗性を発揮する場合、SAと本研究に対して、ご支援を賜りました公益財団法人松NHPの蓄積の双方が重要であることは従来の報告と一籟科学技術振興財団に深く感謝申し上げます。また、研致したものの、本コムギを用いた実験では、NHPが初究遂行に必要なNHPの標品ならびにラベル体の合成を期の誘導性の速さと蓄積増の大きさから、病害抵抗性を頂きました宇都宮大学農学部応用生命化学科の二瓶賢一

誘導する活性分子の本体であることが示唆された。一方教授に感謝申し上げます。

で、ABA受容体を過剰発現したTaPYLoxでは、うどん
こ病菌感染とは異なるSA生合成酵素遺伝子群の発現に5 ．参考文献

よってSAの過剰蓄積が生じ、さらにNHPの前駆体のPip

1 ．M. Yasuda et al., Antagonistic interaction between

が過剰に蓄積していた。この 2 つ活性分子の蓄積がうど

systemic acquired resistance and the abscisic acid-んこ病菌の抵抗性に寄与していることが示唆された。さmediated abiotic stress response in Arabidopsis.

らに、病害抵抗性を誘導するオリゼメートの有効成分でPlant Cell 20, 1678-1692（2008）.

あるプロベナゾールは、上記の 2 つとは異なり、特異的

2 ．M . Hartmann et al., Flavin Monooxygenase-

な転写因子のみに働きかけSAやNHPの蓄積をもたらす

Generated N-Hydroxypipecolic Acid Is a Critical

ことで病害抵抗性を誘導していることが明らかとなっ

Element of Plant Systemic Immunity. Cell 173,

た。SAやNHPの蓄積をもたらす分子機構は一様ではな

456-469 e416（2018）.

く、多様化している（図1D）。このことは、植物が様々

3 ．Y. C. Chen et al., N-hydroxy-pipecolic acid is a

な外界の刺激を受け取り、植物の免疫応答を高度化する

mobile metabolite that induces systemic disease

ために獲得したシステムであると考えられる。

resistance in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci U S
A 115, E4920-E4929（2018）.

シロイヌナズナではABAとASの作用が拮抗的であるのに対し、コムギではABAとSAの拮抗作用が見られな

4 ．R . Mega, H. Tsujimoto, M. Okamoto, Genetic

い。今回の研究にて、この作用の違いを生む分子機構に

manipulation of abscisic acid receptors enables

ついては明らかにすることができなかったが、コムギ

modulation of water use efficiency. Plant Signal

ABA受容体と相互作用する因子の探索を進めることで、

Behav 14, e1642039（2019）.

ABAとSAが相乗的作用する分子機構を明らかにするこ

5 ．R. Mega et al., Tuning water-use efficiency andとができると思われる。そして、最終的には、得られた

drought tolerance in wheat using abscisic acid

知見を利用して、耐乾性と耐病性の両者を植物に付与す

receptors. Nat Plants 5, 153-159（2019）.

るための技術開発へ繋げていきたい。

― 35 ―

申請者

東北大学

植田

浩史

酸素酸化反応の開発を基盤とした植物由来二量体型アルカロイドの革新的合成
東北大学

1 ．はじめに大学院薬学研究科

植田

浩史

な化合物群でありながら、天然からの供給量の問題や有植物アルカロイドは、古来よりくすりあるいは農薬、狩猟における毒物などに用いられており、人類の歴史を

機合成技術の限界により創薬の研究対象から除外されているのが現状である4）。

語る上で欠かせない有機天然化合物である。植物より単植物から単離される天然アルカロイドもまた、二量体離されたアルカロイドの魅力的な生物活性やユニークな型構造からなる天然物が数多く報告されており、その多化学構造は科学者を魅了し続け、現在もなお、本化合物

くが単量体と比べて優れた生物活性を有することが知らを基盤とした多様な研究が展開されている。
その中でも、

れている5）。キョウチクトウ科の植物Pleiocarpa mutica

我々のグループは創薬の新たな標的化合物群として、植より単離されるモノテルペンインドールアルカロイド物から得られる二量体型天然物を標的とした研究を精力

pleiocarpamine（1）は6）、bipleiophylline（2）をはじめ、的に展開している1）。二つの同一または類似した骨格か

多様な二量体型アルカロイドの単量体構造として含まれらなる二量体化合物は、受容体に対する多点型配位の形ており、合成標的化合物としてだけではなく、二量体型成などにより、その多くが単量体と比べ強力な生物活性

天然物の合成中間体としても注目を集めている5b）（図

や特異な作用機序を有していることが報告されてい1 ）。これらの二量体型天然物のなかでもbipleiophyllineる2）。そのため、近年、低分子医薬品のリード化合物の（2）は、新規抗ガン剤や抗マラリア薬の医薬品リード化

枯渇が深刻化している中で、本化合物群は次世代医薬品

合物としての活用が期待されるが、植物の樹皮1 kgに対のリード化合物としての活用が期待されている3）。

してわずか2 mg程度しか得られないことが報告されて創薬を指向した二量体型天然物の高効率かつ誘導体合いる7）。このように天然からの供給量が乏しく、本化合成に適した合成法を確立するためには、単量体のカップ物を活用した創薬研究を展開するためには化学合成によリングをいかに合成終盤で実行するか、合成の収束性がる量的供給が必須である。

重要である。しかし、そのタイミングが合成終盤に差し

近年、Vincentらのグループによって、天然から単離掛かる程、単量体の構造がより複雑になり、立体障害やさ れ たpleiocarpamineの 蟻 酸 塩 1 ’を 用 い た（+）

3

化学選択性の問題が生じる。特に、立体的に混んだsp-voacalgine A（5）と（+）-bipleiophylline（2）の半合成が炭素との結合形成を伴う場合、最先端の遷移金属触媒に

8）
報告された
（図 2 ）。彼らのグループは、合成最終段階

よるカップリング反応を駆使しても、実現できないケースがしばしばある。さらに、酸化に鋭敏かつ求核性を示
す窒素原子を含むアルカロイドの合成において、合成終盤での両ユニットの連結の難易度は、なお一層極まる。
このように、高度に官能基化した二量体型天然物の量的供給や構造活性相関研究を視野に入れた誘導体合成は、現代の精密有機合成化学をもってしても容易ではない。
以上の背景から、二量体型天然物は創薬において魅力的― 36 ―

図 1 ．植物由来二量体型天然アルカロイドる8）。このことから、本研究を遂行するためには、既存の手法にはない新たな酸化システムを確立する必要がある。新たな酸化反応の開発にあたって、我々は天然物の生合成経路に着目した。植物内では、生体酵素の持つ精
密なレドックスシステムのもと、空気中の酸素を活用し、基質のピンポイント酸化による構造の修飾化やカップリングが巧みに行われ、天然物が合成されている。そこで本研究では、生体酸化酵素にヒントを得た、高い反応性と高い化学選択性を有する画期的な酸素酸化反応の開発に着手した。
3 ．結果

図 2 ．VincentらによるBipleiophyllineの半合成

3-1．
（+）-Pleiocarpamineの世界初の不斉全合成
これまで数多くの有機合成化学者がpleiocarpamine

でのピロカテク酸（6）の酸化を介した 1 とのカップリン（1）の合成研究を行ってきたが9）、 1 の高度に縮環した

グに成功しているが、その収率はわずか 3 %にとどまる。

カゴ型構造および熱力学的に不利なC16位の立体化学のさらに、高価な銀試薬を化学量論量用いている点も課題

制御が困難であり、全合成例は高山らのラセミ全合成9f）としてあげられる。この結果は、いかに現代の有機合成

一例のみにとどまる。高山らは、 1 のC16位のエピ体を化学の技術を持ってしても、合成終盤における高度な構持つC-mavacurineのラセミ合成を達成しており、 1 は造を有するアルカロイドの連結が困難であることを示し

C16位構築におけるマイナー体として得られている。こている。このように創薬を指向とした本化合物の量的供のように、これまでに報告された 1 の合成研究では、い給を実現する方法論は、未だ確立されていないのが現状

ずれもC16の立体化学の制御に成功していない。そこで、である。

我々は、C16位の不斉炭素中心の構築にラジカル環化反応を用いた独自の合成戦略を立案し、 1 の世界初の不斉2 ．方法・目的

全合成を目指した。

本研究では、単量体である（+）-pleiocarpamine（1）のまず、インドール 9 と別途合成したアルキルヨージド

合成、および酸化を介した新たなカップリング反応の開10とのアルキル化により、第三級アミド11を合成した（図発を基盤とし、多環性の二量体型高次構造アルカロイド3 ）。続いて11に対し、Bischler-Napieralski反応による（+）-bipleiophylline（2）の 世 界 初 のde novo合 成 を 目 指環化後、エナミンを還元し、第三級アミン12を得た。次す。さらに、量的供給を可能とする合成経路の確立によに、セレノキシドの脱離を経て不飽和エステル13へと導り、これまで評価することのできなかった潜在的な生物

き、鍵となるラジカル環化反応を試みた。エチリデン部

活性の探索および構造活性相関研究の開発も視野に入れ位の異性化を伴うものの、期待通り6-exo-trig環化と続く、る。

ラジカル中間体14のconvex面からの還元が進行し、C16（+）-Bipleiophylline（2）の収束的かつ効率的全合成を位の立体化学の制御に成功した。続いて、ベンジル基を実現するためには、単量体の（+）-pleiocarpamine（1）に除去し、ヒドロキシエチル基を導入することで 1 の類縁含まれる第三級アミンや電子豊富なインドール環、 3 置

化 合 物 で あ るvinoxine（16）の ラ セ ミ 全 合 成 を 達 成 し換オレフィンなどの酸化に敏感な官能基を損ねることな

た10）。しかしその後、C環であるピペリジン環の構築に

く、ピロカテク酸の酸化をピンポイントで行う必要があ

向け、種々条件を検討したが、 1 への変換は困難であるる。Vincentらは、既存の様々な酸化条件を網羅的に検ことがわかった。

討し、カップリングに成功している。しかしながら、そ先ほどの検討により、pleiocarpamine（1）の合成におの収率は 3 %と極めて低く、効率性に課題を残していいて、合成終盤でのC環の構築を経た 1 の歪んだカゴ型― 37 ―

た第一級アミンのアルキル化により、ラジカル環化反応の基質20を合成した。ラジカル環化反応では、先の合成と同様にエチリデン部位の異性化はみられたが、6-exotrig環化と立体選択的な還元が進行し、C16位の立体化学の制御に成功した。続いて、還元的アミノ化を行い、ニトロアルカン23を得た。次に、イリジウム触媒を用いたラクタムの部分還元11）を行った後、one-pot操作によりHFIP（hexafluoroisopropanol）を添加することで、生じたヘミアミナールの脱水を伴う環化が円滑に進行し、4 環性ニトロアルカン24を得た。24のブロモ化によりブ
ロモアルカン25へと変換した後、パラジウム触媒を用いた分子内C-Hアルキル化反応を経てインドリン環を構築した。最後に、one-pot操作によりニトロ基の脱離を伴う芳香環化を行い、（+）-pleiocarpamine（1）の世界初の図 3 ．ラジカル環化を経るPleiocarpamineの合成研究

不斉全合成を達成した。確立した合成経路は、市販の化合物からわずか10工程であり、グラムスケールに対応した。以上、我々は独自の合成戦略により、 1 の量的供給を可能にする合成法を確立した12）。
3-2．インドールとピロカテク酸の酸化的カップリング
反応の開発
ごく最近、我々は酸化酵素シトクロムP450のヘム鉄を模倣した触媒設計のもと、中心金属の鉄がシトクロム
P450と同様の 3 価の高スピン状態を有するフタロシア
ニン錯体FePc（CO2H）（
がインドール27の酸化的二8 26）量化反応に有効であることを見いだした13）。本反応は、無保護のヒドロキシ基をはじめ、生体を構成する18種類のアミノ酸由来の極性官能基やアルキル側鎖を有する基質においても望みの二量化体を与えるなど、既存の酸化的手法にはない、高い官能基共存性を有することがわかった。そこで、我々は酵素を模倣した本酸化触媒の高図 4 ．世界初のPleiocarpamineの不斉全合成

い酸化力と優れた化学選択性に着目し、本手法を二量体骨格の構築は困難であることがわかった。そこで、我々型天然物の合成終盤でカップリング反応に適用可能と考は平面性の高いインドール環を合成終盤に構築する、新えた（図 5 ）。

たな合成経路の開発に取り組んだ（図 4 ）。市販の光学ピロカテク酸（6）の酸化を介する新たな酸化的カップ

活性な環状イミド17のイミド窒素のフェニル化、続くカリング反応の開発にあたり、b-カルボリン誘導体29をモルボニル基の化学選択的なトリフラート化を行ったのデル基質として用いて反応条件を検討した（図 6 ）。
まず、ち、パラジウム触媒を用いたメトキシカルボニル基の導触媒量のFePc（CO2H）（
存在下、水溶媒中酸素雰囲
8 26）

入を経て、不飽和エステル19を合成した。この際、光学気下にて29と 6 との反応を行ったところ、カテコール部

純度の低下がみられたため、再結晶操作により光学的にの酸化を介する形式的な［ 4 + 2 ］環化付加反応が進行し純粋な19を得た。続いて、Cbz基を除去したのち、生じたカップリング体30が痕跡量ながら得られた（entry 1）。

― 38 ―

図 5 ．本研究の作業仮説：酵素を模倣した触媒設計による新たな酸化的カップリング反応の開発

図 6 ．酸化的カップリング反応の条件検討

続いて基質の溶解性を向上させるべく、水との共溶媒系を検討した結果、アセトンあるいは酢酸エチルを共溶媒に用 い る こ と で カ ップリング体30の収率が向上 し た
（entries3and4）。以前の検討で、Brønsted酸の添加が本酸素酸化を加速させる知見を得ていたことから、添加剤と反応温度について検討した。詳細な検討の結果、水と酢酸エチルの混合溶媒中にてTFAを添加し、反応温度を 0 度に低下させることで、30を単離収率87%と高収率で得ることに成功した（entry 5）12）。このように、酸化条件に敏感な第三級アミン存在下においても、円滑に反応が進行することがわかった。また、本反応は鉄触媒
存在下、分子状酸素をバルク酸化剤として用いており、

図 7 ．世界初のBipleiophyllineの不斉全合成

環境調和性の高い反応と言える。

成最終段階でのカップリング反応を検討した（図 7 ）
。合
3-3．
（+）
-Bipleiophyllineの世界初の不斉全合成成した（+）-pleiocarpamine（1）とピロカテク酸（6）に対単量体である（+）-pleiocarpamine（1）の量的供給、おして、確立した最適条件に付した。その結果、期待通り、

よび酸化を介した新規カップリング反応の開発に成功し複数の官能基を損ねることなく酸化的カップリング反応

た た め、 続 い て 多 環 性 高 次 構 造 ア ル カ ロ イ ド（+）

が円滑に進行し、（+）-voacalgine A（5）をほぼ定量的に-bipleiophylline
（2）の世界初のde novo合成を目指し、合与えた。しかしながら、続く 2 回目のカップリング反応― 39 ―

5 ．謝辞では、目的とする 2 は得られず、化合物の分解がみられるのみであった。そこで、酸性条件による目的化合物 2

本研究を遂行するにあたり、多大な御支援を賜りましの分解を懸念し、TFAを除いた中性条件にて反応条件た公益財団法人松籟科学技術振興財団に心よりお礼申し

を 精 査 し た。 詳 細 な 検 討 の 結 果、 酸 素 雰 囲 気 下、上げます。また、本研究は東北大学大学院薬学研究科徳CH2Cl2/H2O混 合 溶 媒 中 に て 反 応 を 行 う こ と で、（+）

山研究室との共同研究で行われたものです。徳山英利教-bipleiophylline（2）を69%と良好な収率で得ることに成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

功した。なお、2 段階目の最適化条件を適用することで、ます。とりわけ献身的に研究に励んでくれた岡田康佑博

一つのフラスコ内で酸化的カップリング反応を連続的に士、小島健一博士のたゆまぬ努力に心より謝意を表しま

行い、 1 を直接 2 へと誘導可能であることもわかった。

す。

このように、収率や反応時間において、Vincentらの手法を凌駕する革新的な二量化反応を開発し、 2 の世界初

6 ．参考文献のde novo合成を達成した12）。

1 ）Voloshchuk, T.； Farina, N. S.； Wauchope, O. R.；
Kiprowska, M.； Haberfield, P.； Greer, A. J. Nat.

4 ．結論

Prod. 2004, 67, 1141.

我々は、モノテルペンインドールアルカロイド（+）-pleiocarpamine（1）の合成研究に取り組み、ラジカル環化反応に基づくC16位の立体化学の速度論的制御とPd触媒による分子内芳香族C-H官能基化による高度に歪んだカゴ型骨格の構築を鍵工程とし、 1 の世界初の不斉全合2 ）Bérude, G. Curr. Med. Chem. 2006, 13, 131.
3 ）Szpilman, A. M.； Carreira E. M. Angew. Chem.
Int. Ed. 2010, 49, 9592.
4 ）Sun, J.； Yang, H.； Tang, W. Chem. Soc. Rev.
2021, 50, 2320.

成を達成した。本合成は、市販の化合物からわずか10工

5 ）a）Kam, T.-S.； Choo, Y.-M. The Alkaloids, 2006,

程で達成し、最終生成物をグラムスケールで合成するな

63, 285； b）Mauger, A.； Jarret, M.； Kouklovsky,

ど、 1 の量的供給に成功した。さらに、酵素を模倣する

C.； Poupon, E.； Evanno, L.； Vincent, G. Nat.

触媒設計のもと、ピロカテク酸（6）の酸化を介した 1 と

Prod. Rep. 2021, 38, 1852.

のカップリング反応を開発し、（+）-voacalgine A（5）お6 ）a）Kump, W. G.； Schmid, H. Helv. Chim. Acta

よび（+）-bipleiophylline（2）の世界初の全合成を達成し1961, 44, 1503； b）Bartlett, M. F.； Sklar, R.；

た。

Simith, A. F.； Taylor, W. I. J. Org. Chem. 1963,

以上、多様な二量体型天然物に共通する、モノテルペンインドールアルカロイド（+）-pleiocarpamine（1）の効率的合成法の確立と、生合成を模倣した新たな酸化的28, 2197.
7 ）Kam, T. S.； Tan, S. J.； Ng, S. W.； Komiyama, K.
Org. Lett. 2008, 10, 3749.

カップリング反応の開発に成功した。天然には、酵素に8 ）L a c h k a r , D . ； D e n i z o t , N . ； B e r n a d a t , G . ；よる酸化を介して生合成される二量体型天然物が数多く

Ahamada, K.； Beniddir, M. A.； Dumontet, V.；

報告されている 。このことから、本研究によって確立

Gallard, J. F.； Guillot, R.； Leblanc, K.； N´nang, E.

された新たな方法論は、今回全合成を達成した特定の二O.； Turpin, V.； Kouklovsky, C.； Poupon, E.；

量体型化合物への適用に留まらず、多様な結合様式や官Evanno, L.；Vincent, G. Nat. Chem. 2017, 9, 793.

能基を持つ二量体型天然物の収束的合成への応用が期待9 ）a）Sakai, S.；Shinma, N. Heterocycles 1976, 4, 985；される。今後、本研究成果を基盤とした二量体型化合物b）Calverley, M. J.：Banks, B. J.；Harley-Mason, J.

ライブラリーの構築に基づく、独創的な創薬研究を展開

Tetrahedron Lett. 1981, 22, 1635； c）Bosch, J.；

していく予定である。

Bennasar, M. L.； Zulaica E.； Feliz, M.

14）

Tetrahedron Lett. 1984, 25, 3119；d）Bennasar, M.
L.； Zulaica, E.； Jimenez, J. M.； Bosch, J. J. Org.
Chem. 1993, 58, 7756； e）Jarret, M.； Turpin, V.；― 40 ―

Tap. A.； Gallard, J. F.； Kouklovsky, C.； Poupon,

11）Motoyama, Y.；Aoki, M.；Takaoka, N.；Aoto, R.；
Nagashima, H. Chem. Commun. 2009, 1574.

E.； Evanno, L.； Vincent, G. Angew. Chem. Int.
Ed. 2019, 58, 9861； f）Sato, K.； Kogure, N.；

12）Okada, K.；Ojima, K.；Ueda, H.；Tokuyama, H. J.

Kitajima, M.； Takayama, H. Org. Lett. 2019, 21,

Am. Chem. Soc. ASAP Articles, 2023, doi：

3342； g）Mauger, A.； Jarret, M.； Tap, A.；

org/10.1021/jacs.3c05811.

Perrin, R.； Guillot, R.； Kouklovsky, C.； Gandon, V.；13）Ueda, H.； Sato, S.； Noda. K.； Hakamata, H.；

Vincent, G. Angew. Chem. Int. Ed. 2023,

Kwon, E.； Kobayashi, N.； Tokuyama, Angew.

e202302461.

Chem. Int. Ed. 2023, e202302404.

10）Okada, K.； Ueda, H.； Tokuyama, H. Org. Biomol.

14）Tang, S.； Vincent, G. Chem. Eur. J. 2021, 27, 2612.

Chem. 2022, 20, 5943.

― 41 ―

申請者

関西大学

曽川

洋光

藻類バイオマス資源を利活用する
高性能バイオエラストマーの開発
関西大学

1 ．研究の背景と目的

化学生命工学部

曽川

洋光

料を調製し、その力学特性について評価した。また得ら

世界的な環境意識の高まりと石油資源の有限性から、再生可能な天然資源から生産される持続可能なバイオれた複合材料をCaCl2水溶液に浸漬することで、Alg部
分のイオン交換に伴う物性変化について評価した。

ベースポリマーへの関心が高まっている。天然ゴム（NR）は、長きにわたって使用されてきた代表的なバイ2 ．結果と考察

オベースエラストマーの一種である。NRはゴムの木の2 ．1

NR/AlgNa複合材料の調製と力学特性について

樹液から抽出され、主にシス-1,4-ポリイソプレンの繰り既報6）を参考に、NR/Alg複合材料を調製した。具体

返し単位から構成されている。また、弾性や柔軟性、弾的には、ラテックス水溶液（NR： 61 wt%）と1.5 wt%の力性および耐摩耗性といった力学的性質に優れているこ

AlgNa水溶液を 1 分間混合撹拌した後、これを試験片のとから、最も汎用性に富んだエラストマーといえる 。

モールド（ダンベル状 7 号形）に流し入れ、24時間乾燥

一方、カーボンブラック（CB）やシリカは、工業用途のすることで、NR/AlgNaの重量比がNR/AlgNa = 15/1,

ゴム材料を補強するためのフィラーとしてしばしば用い

10/1, 7/1, 5/1（w/w）となる試験片を作製した（図1a）。

られている2）。最近では、環境負荷の観点から、植物由得られた複合材料のIRスペクトルを測定した結果、NR来の天然繊維であるセルロースナノファイバー（CNF）

およびAlgに特徴的な伸縮ピークがともに観測されたこを利用した複合材料も開発されている 。近年、申請者とも確認した。次いで、得られた試験片の力学強度を引の研究グループでは、藻類バイオマス、とりわけ昆布や張試験機を使用して評価した。引張速度は20 mm/min

ワカメといった大型の海藻から得られるアルギン酸とし、再現性を担保するため、同一条件のサンプルで 5（Alg）を活用したバイオ高分子の開発に取り組んでい回以上の測定を実施した。図1bには、各条件で得られる 。Algは 2 種類のウロン酸、マンヌロン酸とグルロ

た代表的な応力–ひずみ曲線を示している。NRのみからン酸がランダムに配列した直鎖状の高分子多糖である。

得られるサンプルと比較し、AlgNaの添加に伴い破断応

また、Algは 1 価のナトリウム塩（AlgNa）は水溶性であ力が向上していき、NR/AlgNa = 7/ 1 の時に最大の18るが、カルシウムイオンを添加すると速やかにイオン交MPaの値を示した。これはNRのみと比較して、 4 倍程換が進行し、物理架橋点の形成を伴ってゲル化する5）。

度ほど大きな値であった。今回検討した中では最もAlgは食料品や化粧品等に応用されてきたが、これをエ

AlgNaの 重 量 比 の 少 な いNR/AlgNa = 15/ 1 の 条 件 でラストマー材料に組み込んだ例はほとんどなかった。申も、破断応力は 2 倍以上の値を示しており、AlgNaを少請者はNRに対し、シルクタンパク質を複合化すること量添加することでも、非常に優れた補強効果が得られる

で、その力覚強度を大幅に向上できることを明らかとしことが示唆された。破断応力とは異なり、破断伸度はており6）、同様の補強効果が、Algを添加することでも

AlgNaの添加に伴い、単調減少した。NRと比較して硬発現するのではという着想に至った。
そこで本研究では、いAlgNaの重量分率が増えるにつれ、複合材料も伸びに

藻類バイオマス資源を活用した高性能バイオエラストくくなったためと考えられる。図 2 には、応力–ひずみマーの開発を目的とし、天然ゴムとAlgからなる複合材

曲線より算出したヤング率と靭性を示している。ヤング

1）

3）

4）

― 42 ―

図1．
（a）NR/AlgNa複合材料の調製方法（b）NR/AlgNaの応力–ひずみ曲線（引張速度：20 mm/min）

率はAlgNaの添加に伴い、単調増加する傾向を示し、NR/AlgNa = 5/ 1 では未加硫のものと比較して、20倍程度大きな値を示した（図2a）。靭性については、破断応力の向上と破断伸度の減少の兼ね合いにより、NR/
AlgNa = 10/ 1 の時にもっとも大きな値（60 MJ/m3）を示し、その値はNRのみの値（12 MJ/m3）と比較して 5倍程度大きかった（図2b）。本複合材料はNRを未加硫の状態で用いているにも関わらず、ある一定以上の力学強度を示した。
2 ．2

NR/AlgCa複合材料の調製と力学特性について

続いて、NR/AlgNa複合材料を1 M CaCl2水溶液中に1 時間浸漬し、その後蒸留水で試料片を洗浄し、AlgNa
部分のイオン交換を誘発した複合材料NR/AlgCaを調製し た（ 図 3 ）。Alg部 分 の 構 造 変 換 を 確 認 す る た め、
CaCl2溶液に浸漬前後の複合材料のIRスペクトルを測定した（図 4 ）。併せて、原料であるNRやAlgNaについても同様にCaCl2水溶液に浸漬する処理を行なった後、測定を行なった。まずAlgNaのみをCaCl2水溶液に滴下して 得 ら れ たAlgCaで は、1600 cm–1付 近 に 観 測 さ れ る
C=O由来の伸縮振動が50 cm ほど低波数側にシフトし–1

図 2 ．応力–ひずみ曲線より算出したNR/AlgNaの（a）ヤング率（b）靭性た。同様にNR/AlgCaの複合材料においても、1600 cm–1付近のピークシフトが観測され、複合材料中でもイオン交換の進行が示唆された。続いて、CaCl2処理前後の表面について、SEM観察を実施した（図 5 ）。NR/AlgNaの表面は比較的平坦であったが、NR/AlgCaではその表
面粗さが増している様子が観察された。実際の化学構造の変化との相関については不明瞭な点もあるが、CaCl2― 43 ―

図 3 ．NR/AlgCaの調製

図 4 ．CaCl2, NR, CaCl2に 浸 漬 し たNR, AlgNa, AlgCa, NR/
AlgNaおよびNR/AlgCaのIRスペクトル

図 5 ．NR/AlgNaおよびNR/AlgCaのSEM観察結果

図 6 ．NR/AlgNaおよびNR/AlgCaの応力–ひずみ曲線（引張速度：20mm/min）

図 7 ．応力–ひずみ曲線より算出したNR/AlgNa（黄色）およ
びNR/AlgCa
（茶色）
の
（a）
ヤング率
（b）
靭性

処理によって表面の様子にも変化が生じていることが確認された。最後に得られたNR/AlgCa複合材料の引張試

かった複合材料において、その減少率が大きくなる傾向

験を先ほどと同条件にて実施した。得られた応力–ひずにあった。とりわけNR/AlgCa = 5/ 1 の場合ではそのみ曲線を図 6 に示す。また、この応力–ひずみ曲線より変化が大きかった。これに伴い、この比率における靭性算出したヤング率および靭性を図 7 に記す。イオン交換

はNR/AlgNaと比較して有意に減少した。それ以外の比に伴う力学強度の変化を比較すると、その破断応力に変率では、大きな変化はなかった（図7b）。一番変化量が化は見られなかった。破断伸度はAlgNaの添加量が多多かったのはヤング率であり、とりわけNR/AlgCa =

― 44 ―

5/ 1 の複合材料では、ヤング率が 3 倍以上大きな値を示す。また、本研究は関西大学化学生命工学部高分子設計

した（図7a）。NR/AlgNaからNR/AlgCaへの変換は、室創生学研究室で実施したものであり、同研究室の三田文

温の温和な条件で起こる。本複合材料は、その力学特性

雄教授をはじめとする共同研究者の皆様に深謝いたしまを環境負荷を抑えた手法にて制御可能な有用なサステイ

す。とりわけ、日夜研究に励んでくれた小島莉玖氏の努

ナブルエラストマーへの応用が期待される。

力に心よりの謝意を表します。

3 ．結言

5 ．参考文献

本研究では、藻類バイオマスを活用したバイオエラス

1 ．Y. Tanaka, Rubber Chem. Technol. 2001, 74, 355.

トマーの創出に取り組んだ。NRにAlgNaを複合化する

2 ．F. Danafar, M. Kalantari, J. Rubber Res. 2018, 21,
293.

ことで、その力学強度を大きく向上できることを見出した。また得られた複合材料をCaCl2に浸漬することで、

3 ．M. G. Thomas, E. Abraham, P. Jyotishkumar, H. J.

Algのイオン交換を引き起こし、ヤング率が大幅に変化

Maria, L. A. Pothen, S. Thomas, Int. J. Biol.

した材料を得ることにも成功した。Algをゴム材料へ応

Macromol. 2015, 81, 768.
4 ．S. Inata, H. Sogawa, F. Sanda, Polym. J. 2023,55,

用した研究例はなく、本研究はその新たな応用可能性を785.

見出したものであり、今後更なるサステイナブルエラス

5 ．S. N. Pawar, K. J. Edgar, Biomaterials, 2012, 33,

トマーの開発が期待される。

3279.
4 ．謝辞

6 ．H. Sogawa, T. Korawit, H. Masunaga, K. Numata,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― 45 ―

Molecules, 2020, 25, 235.

申請者

東北大学

菅原

章公

植物由来天然資源と生合成非含有元素を組み合わせた
新規天然物様骨格群の創出
東北大学

大学院薬学研究科

菅原章公

1 ．研究背景
天然有機化合物（天然物）
は、歴史的に医薬品や新規骨格創出の重要なプラットフォームを担ってきた1。それらの多くは人智を超えた複雑・多様な構造を有し、かつ多彩な生物活性を示す。このように天然物は魅力的な創薬資源にも関わらず、現在では天然資源から構造的に多様な新規化合物の取得は減少傾向の一途を辿っている2。
この現状を打破すべく、新規骨格創出の様々なアプロー
チが天然物探索・有機合成化学・生合成の分野で活発に研究されている。このような背景のもと、研究代表者ら
図 1 ．研究全体図

は新たな創薬シーズの獲得のため、天然物の骨格を利活用しつつも、生物の生合成によっては得られない構造多様な化合物の創出によるケミカルスペースの拡大を目的

果、炭素原子中心の分子とは異なる標的分子との相互作に研究を行っている。本報告書では、この一環としてケ用が現れる可能性が期待される。
（2）
 炭素原子のみではイ素原子を用いた新奇骨格群の創出について報告する。

実現が困難な官能基化がケイ素原子では容易になり、多様性に富んだ独創的なケミカルスペースを開拓できる。

2 ．研究戦略と目的（3）分子中に炭素–ケイ素結合が存在するため、ケイ素原

一般的に天然物の母骨格は主に「炭素原子」で構成さ子特有の反応による分子構築が可能である。等があげられている。多くの研究者は、天然物由来の新規化合物取れる。以上の性質を利用することで、炭素原子では構築得が減少傾向にある問題点を、「炭素原子」の組み合わが困難な新規骨格及び三次元構造が得られると考えられせで解決しようと試みている。そこで研究代表者は従来る。

の発想から抜け出し、もし、「炭素原子」を結合様式が一方、生命科学や創薬研究に役立つような化合物ライ

類似の「ケイ素原子」に置換できれば、いままでにはな

ブラリーとするためには、単に分子骨格が新しいというい骨格構築や多様性創出が可能になると着想した（図だけでは不十分である。そこで、本研究では数多くの薬1）。すなわち、炭素原子と同様の結合様式をとるケイ

理活性物質を産生してきた植物由来天然物を利活用する

素原子を分子内に組み込み、ケイ素原子周辺の官能基をこととした。すなわち、植物由来天然物と生合成非含有

含め炭素原子では構成しにくい分子骨格を創出する戦略元素であるケイ素原子を組み合わせることと、植物由来を立案した。

天然物の骨格にケイ素原子を組み込むことで、新規分子

ケイ素原子を導入する意味は、（1）炭素原子と同様の四骨格を有する化合物群の創出を目的とする。さらに、そ面体構造をとる一方、結合長や結合角度が異なるため分の中から生物活性物質を見いだすことも視野に入れる。

子の三次元構造に変化を与えることができる。その結― 46 ―

図 2 ．合成計画

図 3 ．ケイ素原子含有 6 員環化合物7の合成

3 ．研究計画

ビニルシラン11（38％）とその異性体（36％）を合成した。

本目的を達成するために、ドリマン型の骨格（1）に着続くエポキシ化反応により環化前駆体 12 へ導いた後、目した。ドリマンやドリメノールは植物に含まれる天然

12に対して、CárdenasとCuervaらが報告した条件3を物セスキテルペンであり、様々な生物活性をもつテルペ

参考に、中性条件であるラジカル環化反応を行った。すノ イ ド や メ ロ テ ル ペ ノ イ ド（serralabdane A,

なわち、エポキシド 12 に対し3 価のチタノセンクロリ

momilactone B）の基本骨格である。本骨格を基盤に、

ドと還元剤としてマンガンを、添加剤としてTMSClお

炭素原子と同様の結合様式をとるケイ素原子を分子内によび 2,4,6-collidine を作用させた。その結果、目的とす組み込み、ケイ素原子周辺の官能基を含め炭素原子ではる環化体 7 を収率 42%、そのジアステレオマーを収率構成しにくい擬天然物を創出する戦略を立案した。まず、

19% で得ることに成功した。以上のことから、ラジカ

ケイ素原子含有の基本骨格を2 のように設定した。図 2

ル反応を用いたケイ素原子含有 6 員環化合物の合成経路に示した合成計画に従い、
 2 は、3 に対する生合成模倣を確立することができた。

型の環化反応によって合成できると考えた。また環化前
駆体 3 はクロロジフェニルシラン 4, 2-butyn-1-ol 5、グ

4-2．ケイ素原子含有ドリマン型骨格の合成経路の確立

リニャール試薬6 の三成分から合成可能と計画した。

4-1で確立されたモデル化合物の合成経路に従い、ケ
イ素原子含有ドリマン型骨格の合成経路の確立を行った

4 ．結果と考察（図 4 ）。すなわち、クロロジフェニルシラン 4 に対し

4-1．ケイ素原子含有 6 員環化合物の合成

ゲラニルクロリドによる Grignard 反応によってゲラニ

まず研究代表者は、目的とするケイ素原子含有化合物

ルシラン 13 を 84％ の収率で得た。続いて、触媒量の群を構築するために、その構造を単純化したケイ素原子

白金炭素を用いてゲラニルシラン 13 と 2-butyn-1-olと含有 6 員環化合物 7 の合成に着手した（図 3 ）。クロロのヒドロシリル化を行い、目的生成物であるビニルシラ

ジフェニルシラン 4 に対するプレニルマグネシウムク

ン14を35%の収率で、その異性体を50%の収率でそ

ロリド8の付加反応によってプレニルシラン9 を得た。

れぞれ合成した。次いで、得られたビニルシラン14に、ついで、アルキン 10 とのヒドロシリル化反応によってN-bromosuccinimide（NBS）によるブロモヒドロ化と塩― 47 ―

図 4 ．ケイ素原子含有ドリマン型化合物2の合成

図 5 ．ケイ素原子含有serralabdane型化合物17の合成

基性条件下におけるエポキシ化を行うことで、化学選択されたアルデヒド 15 を合成した（図 5 ）。得られた粗生

的にエポキシ化された環化前駆体 3 を2 工程収率73%

成物に対し furan 16 を用いた芳香族の導入を行った。

で得た。エポキシシラン 3 を先に確立した触媒量のチ

その結果ケイ素原子含有セスキテルペン様二環式骨格をタノセンクロリドとマンガンによるラジカル環化反応を有したserralabdane型化合物 17 をジアステレオマー比

行い、所望の化合物 2 を34% の収率で得た。以上のよ

1：1の混合物として 2 工程収率69%で得た。

うに、ケイ素原子を含有させたドリマン型化合物 2 を

以上より、報告例のないケイ素原子含有serralabdane

創出することができた。我々が調べた限り、ケイ素原子型化合物の合成経路を初めて確立した。また本合成経路

含有ドリマン型化合物を合成した例はなく、新たなケミを適用することでケイ素原子含有メロテルペノイド様化

カルスペースの開拓に寄与できると考えている。

合物群の構築が可能になる。
次いで、得られたケイ素原子含有ドリマン型骨格を基4-3．ケイ素原子含有メロテルペノイド型骨格の合成

盤とし、植物由来成分との融合を目指した。植物成分に次いで、得られたケイ素原子含有ドリマン型骨格を基は二重結合含有化合物やカルボン酸含有化合物が多く存盤としたさらなる構造展開を行った。まず、天然物の 1

在することに着目し、Diels Alder 反応とエステル化反群であるメロテルペノイド4に着目した。メロテルペノ

応による融合を計画した。実際の天然物を利活用する前

イドは、多様な構造と多彩な生物活性を有し、環の数やに、精製された化合物を用いてドリマン骨格2,15の反応

環サイズが異なると生物活性の変化が起きると報告され性を調査した（図 6 ）。まず、15に対して、ジエンを生成ている。そこでまず、マクロファージからのNO放出抑さ せ る た め にN-methyl-N-（TMS）acetamideに よ っ て

制作用を有する植物由来の天然物serralabdane 型の骨

TMSエノール体 16へと導いた。得られたジエン体に対格を目指した。目的化合物を得るためには、 2 の第 1

し て4-Phenyl-3H-1,2,4-triazole-3,5（4H）-dioneを 含 め た ジ

級ヒドロキシ基を酸化したアルデヒドに対し、フラン体

エノフィルとのDiels Alder 反応を検討した。しかし、の求核付加反応によって、ケイ素原子含有serralabdane

種々検討した結果、目的の生成物を得ることはできな型の骨格が得られると考えた。すなわち、ケイ素原子含かった。ついで、 2 のヒドロキシ基に対して、エステル

有ドリマン型化合物2に対し、ジクロロメタン溶媒中、結合を生成させるためにセイヨウトウキの根に含まれる

TEMPO 及び bisacetoxyiodobenzene（PhI（OAc）2）
をアンゲリカ酸との反応を行った。その結果、第 1 級ヒ

加えて室温下で反応を行い第 1 級ヒドロキシ基が酸化

ドロキシ基のみが選択的エステル化された化合物を得る― 48 ―

図 7 ．異なる官能基を有する四置換シラン24–26 の合成

クロヘキサジエンに変換し、その後フルオリドイオンを用いたフッ素化によりケイ素原子上の官能基を除去でき
図 6 ．利用できる反応の検討ると考えた。しかしながら、予想に反して、21 をBirch
還元の条件に付したところケイ素原子上の gem-ジフェニル基が2,5-シクロヘキサジエンと1,4-シクロヘキサジエ

ことができた。
以上のことから、今後適用可能な官能基を有する天然ンに各々脱芳香族化された 22 がジアステレオマー混合物を植物抽出物から得た後、それらを用いた化学変換へ物として得られた。22 の二つのシクロヘキサジエン部と展開していく。

位は、フルオリドイオンに対する反応性が異なるので、片方のシクロヘキサジエンのみの除去が可能と考えた。

4-4．異なる官能基を有した四置換ケイ素原子含有化合
物群の合成経路の確立

22 の二つのヒドロキシ基を Ac 化した後、TBAF で処理することで、予想通りに2,5-シクロヘキサジエンの脱次いで、さらなる構造多様性の拡大を目指した。4-1

離とともにシラノール体へと導くことができた。その後、～4-3で構築した分子群は、ケイ素上の置換基がジフェ

HF•pyridineでフッ素化を行い、再芳香環化を防ぐため

ニル基に制限されるため、構造多様性が限定的である。

に水素添加によって二重結合を還元したモノフルオロシ

したがって、ケイ素原子上の官能基変換を行うこととしラン23 を得ることに成功した8。次いで、得られたフル

た。すなわち、ケイ素原子上の gem-ジフェニル基からオロシランに対し種々のGrignard試薬（p-tolueneMgBr,

種々のアルキル基への変換を目指した（図 7 ）。

cyclopropylMgBr, MeMgBr）による求核置換反応によ

一般的にケイ素原子上のフェニル基の除去は、Lewis

り、異なる官能基を有した四置換ケイ素原子含有化合物

酸を用いた酸性条件や TBAF を用いた塩基性条件が報

24–26（単一のジアステレオマー）の合成を達成した。こ

告されている5,6。そこで21 に対してこれらの条件を種々の際、興味深いことに前駆体であるモノフルオロシラン

検討したが、いずれの場合もgem-ジフェニル基が除去

23 がジアステレオマー混合物であるにも関わらず、24–された目的化合物は得られなかった。そこで、ケイ素原

26 は単一のジアステレオマーとして得られてきた。現子上のアリル位の脱離能に着目し、脱芳香族化を試み

在、本反応の詳細を検討中である。

た 。すなわち、ケイ素原子上のフェニル基をビス2,5-シ
7― 49 ―

以上より、ケイ素原子上の gem-ジフェニル基を除去

し、異なる官能基を有した四置換ケイ素原子含有化合物

Decades from 01/1981 to 09/2019. J. Nat. Prod.

の合成経路確立を達成した。これまでgem-ジフェニル

2020, 83, 770–803.

基の除去は殆どが酸性条件下で行われていた。本手法で2 ．Pye, C. R.； Bertin, M. J.； Lokey, R. S.； Gerwick, W.

は中性条件下でgem-ジフェニル基を脱芳香族化し、Si–

H.； Linington, R. G. Retrospective Analysis of

F結合を経由することで異なる官能基に変換できるため

Natural Products Provides Insights for Future

有用である。

Discovery Trends. Proc. Natl. Acad. Sci.
U.S.A. 2017, 114, 5601–5606.

5 ．結語

3 ．Justicia, J.； Rosales, A.； Buñuel, E.； Oller-López, J.

本研究では植物由来天然物と生合成非含有元素である

L.；Valdivia, V. M.；Ali Haïdour, A.；Oltra, J. E.；

ケイ素原子を組み合わせること、及び植物由来天然物のBarrero, A. F.； Cárdenas, D. J.； Cuerva, J. M.

骨格にケイ素原子を組み込むことで、新規分子骨格を有Titanocene-Catalyzed Cascade Cyclization ofする化合物群の創出をおこなった。

Epoxypolyprenes： Straightforward Synthesis of
Terpenoids by Free-Radical Chemistry. Chem.

その結果、以下の重要な知見を得た。エポキシ体（3）Eur. J. 2004, 10, 1778–1788.

に対して3 価のチタノセンクロリドとマンガンを用いたラジカル環化反応を行い、ケイ素原子含有ドリマン型化

4 ．Matsuda, Y.； Abe, I. Biosynthesis of Fungal

合物（2）の新規構築法を確立した。研究代表者が調べた

Meroterpenoids. Nat. Prod. Rep. 2016, 33, 26–53.

限りでは、ケイ素原子含有ドリマン型化合物を合成した

5 ．Kim, J.； Sieburth, S. McN. A Silanediol Inhibitor

例はなく、新たなケミカルスペースの開拓に寄与できる。

of the Metalloprotease Thermolysin： Synthesis

したがって、植物由来天然物の骨格にケイ素原子を組み

and Comparison with a Phosphinic Acid Inhibitor.

込むことで、新規分子骨格群の創出が可能になる。さらJ. Org. Chem. 2004, 69, 3008–3014.

に、ケイ素原子含有ドリマン型化合物を基盤に植物成分

6 ．K n ö l k e r , H . - J . ； J o n e s , P . G . ； W a n z l , G .

との融合を示すことができた。本手法を応用することでCycloadditions of Allylsilanes, Part 7.

様々なケイ素原子含有化合物の創出が期待できる。今後

Stereoselective

は、本合成経路を応用し、ケミカルスペースの拡大を指Hydroxycyclopentanes from Silylcyclopentanes by

向した多様性を有する化合物群の創出並びに生物活性物

Oxidative Cleavage of the Carbon-Silicon Bond.

質の探索を目指す。

Synlett 1995, 3, 378–382.

Synthesisof

7 ．Taber, D. F.； Yet, L.； Bhamidipati, R. S.
6 ．謝辞

Conversion of Phenyldimethylsilyl to the Hydroxyl
in the Presence of a Carbon-Carbon Double Bond.

本研究を遂行するにあたり、研究助成による多大なごTetrahedron Lett. 1995, 36, 351–354.

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8 ．フルオロ化の際に 6 配位であるジフルオロ体は観測

この場をお借りして深謝申し上げます。

されなかった。
参考文献
1 ．Newman, D. J.； Cragg, G. M. Natural Products as
Sources of New Drugs over the Nearly Four

― 50 ―

申請者

広島大学

山野

喜

天然物資源から遺伝子組み換え線虫を用いた抗老化作用を有する機能性化合物の探索
広島大学

1 ．背景と目的

大学院医系科学研究科

山野

喜

と考えた。

生薬や漢方はこれまで先人の経験に大きく依存した手

そこで本研究において遺伝子組み換えC. elegansであ法で活用されてきた背景から、
その薬効の科学的根拠（エるTJ356株とCL4176株を用いて、生薬抽出エキスの機能

ビデンス）が西洋薬に比べ乏しく、それが漢方の利用の性評価と活性化合物の単離構造解析を行った。

大きな足枷となってきた。一方で、大建中湯のように多数のエビデンスと臨床的有効性が明確に示された漢方2 ．方法

は、西洋薬と同等の扱いで頻繁に処方されるようになっ

1 ）遺伝子組み換え線虫株ている。そのため生薬・漢方薬の有効性や可能性を正し

TJ356株：生薬エキスの抗老化作用を評価するため、

く示し、有効活用に導くためには、その有効成分の解明

DAF-16（ ヒトFOXOの線虫ホモログ）とGFPの融合タンや臨床的有効性を示すエビデンスをしっかり構築していパ ク 質 を 発 現 す る 遺 伝 子 組 み 換 え 線 虫TJ356（DAF-

くことが重要である。しかし、生薬・漢方薬などの多成

16：：GFP）を用いた。DAF-16/FOXOはインスリン／分を含有したエキスの適切な評価系の構築は難しく、特IGF-1シグナルの下流において「老化速度・寿命」を決にin vitroでの実験結果と哺乳類を用いた動物実験との定する遺伝子の発現を調節する転写因子と考えられてい間に大きな有効性のギャップがあるという点が課題とる。DAF-16は通常時（自由摂食時）にはリン酸化されたなっている。そのため、in vitroでの実験と動物実験の状態で細胞質内に局在しているが、飢餓などの環境スト

ギャップを埋める評価法が求められている。

レス下において脱リン酸化され、核内に移行し長寿命化

線虫C. elegansはおよそ1000個の細胞からなる多細胞に関わるとされる種々の抗酸化物質の転写を促進する。

生物で、主に生物学の分野で利用されてきたモデル生物

DAF-16：：GFPを発現するTJ356は、DAF-16の核移行である。成虫で体長約 1 mmと非常に小さいが筋肉、皮を蛍光顕微鏡により確認できるため、生薬エキスが下組織、腸、生殖器官、排泄器官、神経系など、より複DAF-16の核移行を促し長寿命化を引き起こす可能性を雑な生物に存在する器官や組織を有している。多細胞生評価できる。

物として最初に全ゲノムが解読された生物であり、遺伝CL4176株：抗老化作用の一つとしてアルツハイマー学的解析が行いやすいことから、これまでに多数の変異病 予 防 効 果 を 評 価 す る た め、 ヒ ト ア ミ ロ イ ド β1-42株や遺伝子組み換え株が作製されており、さらにそれら（Aβ1-42）を高温（25℃）培養下で発現する遺伝子組み換えを一般の研究者が利用しやすいプラットフォームが整っ

線虫CL4176（myo-3p：：Aβ1–42）を用いた。CL4176は通ている。このような背景もあり、近年では小分子の大規

常16℃で継代維持されるが、高温培養条件下に置かれる

模スクリーニングにC. elegansが広く用いられるようにと筋組織特異的にAβ1-42が発現、蓄積していき、その毒なってきた1。

性により運動麻痺が引き起こされる。そのため、高温培

筆 者 ら は 複 数 の 器 官 を も つ 多 細 胞 生 物 で あ るC.

養条件下でCL4176の麻痺を抑制する作用の有無を確認

elegansは生薬・漢方薬のような複数の化合物が複合的することで、生薬エキスが有するAβ1-42の毒性を軽減すに作用するエキスの薬効評価に適しているのではないか

る効果を評価できる。

― 51 ―

線虫の継代維持はNGMプレートを用い、16℃で培養すべての線虫が麻痺するまで 2 時間ごとに確認しスコアした。線虫の餌は標準餌である大腸菌OP50を用いた。

化した。麻痺の確認のため顕微鏡観察下で各線虫に白金これらの遺伝子組み換え株および大腸菌株はすべて

耳を静かに接触させ、線虫の頭以外が動かない、もしくCaenorhabditis Genetics Center（Minnesota, USA）よりは全身が動かない場合、麻痺とみなした。
実験は独立に 3 回行い、各濃度条件につき計90匹の線購入した。

虫で活性を評価した。
2）
スクリーニング試料
活性評価を行うサンプルには、健康長寿のために使用

3 ．結果され、長期に連用しても問題がないとされている上品

1）
TJ356を用いた上品生薬のスクリーニングと成分探索（じょうほん）の生薬72種を用いた。各生薬をメタノール

上品生薬抽出物72種について、TJ356を用いたスクで抽出後、得られた抽出物はDMSOに溶解し終濃度2

リーニングを実施した。2 mg/mLのサンプル濃度におmg/mLとなるよう調製しスクリーニングに用いた。

いて30%以上の線虫に核移行が見られたものをヒットサンプルとしたところ、 3 種の生薬に活性が見られた。こ3）
生物活性試験

れらのエキスはいずれもC. elegansの寿命延長作用を示·抗老化活性評価試験し た。 こ れ ら の う ち 最 も 強 い 寿 命 延 長 作 用 を示 し、成虫のTJ356からアルカリブリーチ処理により受精卵

DAF-16の核移行活性も強い生薬である燈心草、植物和を回収し、L1幼虫で同調培養したものを用いた。通常

名イグサ（Juncus decipiens）の活性成分探索を行うことのNGMプレート上で48時間培養したのち、試 料を含むとした。燈心草1.5 kgをメタノールで抽出し、定法に従OP50が塗られたNGMプレートに線虫を移し、20℃で 1

い酢酸エチル、ブタノールおよび水を用いて溶媒分配を時間培養した。培養後10 mMのアジ化ナトリウム水溶

行 っ た と こ ろ、 酢 酸 エ チ ル 可 溶 画 分 に 活 性 の集 約（2

液を滴下し麻痺した個体をスライドガラスに移し、蛍光mg/mL において67％の核移行）が認められた。続いて顕微鏡撮影システムBZ-8000を用いて 1 匹ずつ一定露光

その活性を指標にシリカゲル、ODSカラムクロマトグ

時間で蛍光画像撮影した。データ取得後、DAF-16：：

ラフィー、HPLCによる分離を行い、活性化合物 1 を

GFPが核移行している線虫（図 1 ）の割合をスコア化し活

56.8mg、活性化合物 2 を16.7mg単離した（図 2 ）。単離性を評価した。

した化合物は核磁気共鳴装置や質量分析装置を用いて各実験は独立に 3 回行い、各濃度条件につき計60匹の線虫で活性を評価した。

種物理化学データの測定を行い、その解析結果から化学構造を決定した。

·Aβ毒性低減活性評価試験

得られた化合物のTJ356のDAF-16核移行の活性評価

成虫のCL4176からアルカリブリーチ処理により受精を行ったところ、juncusolおよびjuncuenin Bは2.5 mM卵を回収し、L1幼虫で同調培養したものを用いた。通（666μg/mL）の濃度でそれぞれ平均65%、48%の核移行

常のNGMプレート上で48時間培養したのち試料を含む活性を示した。いずれの実験においてもサンプルを加えOP50が塗布されたNGMプレートに線虫を移し、25℃でていない条件（control）での核移行はみられなかった。

培養することでAβ1-42の発現を誘導した。25℃培養条件
下で18時間培養した時点で線虫の麻痺を確認し、その後

図 1 ．TJ356におけるDAF-16：：GFPの細胞質および核局在時の蛍光画像― 52 ―

図 2 ．燈心草に含まれるDAF-16核移行促進物質

2）CL4176を用いた上品生薬のスクリーニングと成分探索
上品生薬抽出物72種について、CL4176を用いたスクのあった 2 つの生薬から計 3 つの活性化合物を単離同定した。

リーニングを実施した。高温培養後Control（DMSO）のTJ356を用いた活性試験で得られた化合物（juncusol、CL4176がすべて麻痺した時間においても20%以上麻痺

juncuenin B）はいずれもイグサ科から単離されているしていない個体が残ったサンプルをヒットサンプルとしdihydrophenanthrene骨格を有する化合物で、これまでたところ、 2 種の生薬に活性が見られた。続いて、活性にHeLa細胞やA2780細胞に対する抗腫瘍活性2が報告さが見られた生薬の一つである十薬、植物和名ドクダミ

れている。本研究において線虫のDAF-16の核移行を促（Houttuyania cordata）の成分探索を行うこととした。

進する作用が見いだされたが、そのような報告はこれま

十薬1.5 kgをメタノールで抽出し、99.7 gのエキスを得

でにないことから、これら化合物の持つ新たな生物活性た。定法に従い抽出エキスを酢酸エチル、ブタノールおが明らかとなった。今後juncusolおよびjuncuenin Bのよび水を用いて溶媒分配したところ、酢酸エチル可溶画

寿命延長効果やDaf-16核移行促進活性の作用機序に関し

分に活性の集約が認められた。さらに活性を指標にシリてさらなる研究を進めていく予定である。

カゲル、ODSカラムクロマトグラフィー、HPLCによる

CL4176を用いた活性評価を指標に十薬からSesamine

分離を行い、活性化合物 3 を17.3 mg単離した（図 3 ）。

を単離した。十薬の薬効としてアルツハイマー病予防な単離した化合物は核磁気共鳴装置や質量分析装置を用いどは知られていないが、今回の実験結果からそのようなて各種物理化学データの測定を行い、その解析結果から作用がある可能性が示唆された。Sesaminはリグナン骨

化学構造を決定した。

格を有する化合物で抗酸化作用を有することから健康食得られた化合物のCL4176の麻痺抑制活性を評価した品の有効成分として広く知られているが、十薬からのところ、1mM（354μg/mL）のsesaminの添加で麻痺のSesamineの分離報告は初めてとなる。Sesamineはこれ有意な遅延が見られた（図 4 ）。

までにin vitroにおけるアミロイドβの凝集阻害活性や遺伝子組み換え線虫に対するアミロイドβの毒性を抑制

4 ．結論する作用が報告されていることから3、今回の結果はそ本研究では遺伝子組み換え線虫であるTJ356およびれを追認するものとなった。

CL4176を用いて上品生薬の機能性の評価を行い、活性今後、C. elegansを用いてさらに多くの生薬や漢方薬の機能評価とその活性化合物の単離構造解析などを通して生薬や漢方の薬効のエビデンス構築に貢献していきた
いと考えている。
5 ．謝辞
本研究課題に対し、多大なる御支援を賜りました公益

図 3 ．十薬に含まれるAβ毒性低減物質

財団法人松籟科学技術振興財団に心より御礼申し上げますとともに、貴財団の益々の御発展を祈念申し上げます。
6 ．参考文献
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図 4 ．SesaminがCL4176のAβ1-42誘発生麻痺に及ぼす影響

I . ； W a n g ,  H . - C .  I n v e s t i g a t i o n  o f  N a t u r a l

― 53 ―

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Transgenic Caenorhabditis Elegans. Biomed.

3 ．Keowkase, R.； Shoomarom, N.； Bunargin, W.；― 54 ―

Pharmacother. 2018, 107, 656–664.

申請者

名古屋工業大学

近藤政晴

セルロース透明基材を反応場とする光水素生産システムの構築
名古屋工業大学

1 ．研究の背景と目的

大学院工学研究科

近藤政晴

実施事項として、以下の 3 点（a）セ ルロースナノファイバーへの触媒分子群の吸近年、木材をナノメートルスケールまでほぐしたセル

着・固定化法の確立

ロース繊維（セルロースナノファイバー）は、その特徴的（b）セルロースナノファイバーへ担持させた触媒分子な物性から様々な分野で利用研究が進められている。既群の特性評価に高い透過率を示すことから光学材料への利用（1）、高い（c）高い光水素生産効率を示すセルロースナノファイ

遮断性によるガスバリアフィルムへの利用 などが進め（2）

バー基材化法の開発

られている。本研究では、光エネルギーを利用し水素をを述べる。

生産する反応（光水素生産反応）に関連する触媒分子群をセルロースナノファイバーへ担持させた後に、そのセル
ロースナノファイバーで透明基材を調製し、大気下では（a）セルロースナノファイバーへの触媒分子群の吸たらく光水素生産システムの構築を行なう。セルロース

着・固定化法の確立

ナノファイバーを用いる利点としては、化石資源に依存

光化学反応を効率よく進めるため、できるだけ繊維径することなく日本に豊富にある森林資源から製造可能での細いセルロースナノファイバーを選択した。2,2,6,6-テ

あること、新たに二酸化炭素排出をしないカーボン

トラメチルピペリジン1-オキシル（TEMPO）により水酸

ニュートラルな材料資源であることなどがあげられる。

基をカルボキシ基まで酸化させたTEMPO酸化セルロー

また、再生可能エネルギーである太陽光エネルギーを利ス ナ ノ フ ァ イ バ ー（TOCN）を 利 用 し た（3）
（図 2 にセル

用し、次世代燃料として注目されている水素を生産する

ロースナノファイバーの化学構造を示した）。触媒分子

技術は、環境問題の改善・解決に大きく貢献できる。

群の光増感剤（ルテニウム金属錯体）、電子輸送体（メチルビオロゲン）の吸着・固定化は、静電相互作用を利用

2 ．研究成果および考察した。また、水素生産触媒

白金ナノ粒子は、セルロー

本研究では、
光水素生産反応に関連する触媒分子群（光スナノファイバー、白金酸イオン、還元剤を混合させる

増感剤、電子伝達体、水素生産触媒）をセルロースナノ

ことで、セルロースナノファイバー表面に水素生産触媒

ファイバーへ吸着・固定化させた後に、集積化、透明基である白金ナノ粒子を担持させた（4）。ルテニウム金属錯材を作成し、光水素生産システムの開発を進めた（図 1

体、メチルビオロゲンを吸着させたセルロースナノファに光水素生産反応の触媒サイクルを示した）。本研究でイバーは、吸引ろ過装置を用いて集積化し、基材化した。
ろ液を可視−紫外吸収スペクトル測定をすることで、セ

図 1 ．光水素生産反応の触媒サイクル

図 2 ．セルロースナノファイバーの化学構造式― 55 ―

ルロースナノファイバーに吸着したルテニウム錯体、メ（b）セルロースナノファイバーへ担持させた触媒分子

チルビオロゲンを算出した。結果

群の特性評価

セルロースナノファ

触媒分子群

イバー 1 g当たり ルテニウム金属錯体 3.25 μmol、メ

光 増 感 剤（ ル テ ニ ウ ム 金 属 錯 体

チルビオロゲン 6.56 μmol であった
（吸着条件 0.5 wt%

Ru（bpy）3 ）、電子輸送体（メチルビオロゲン MV2+）のセルロースナノファイバー、0.03 mM ルテニウム金属

吸着・固定化したセルロースナノファイバー（TOCN）の錯体、5.0 mM メチルビオロゲン、室温24時間攪拌）。

ルテニウム金属錯体の蛍光寿命を計測することで、ルテ今回、用いたセルロースナノファイバーは、表面にカルニウム金属錯体の光物性の特性を評価した。試料は以下

ボキシ基をもつことで負電荷に帯電しているため正電荷の 4 種類を調製し、それぞれについて蛍光寿命測定ををもつルテニウム金属錯体、メチルビオロゲンは、静電行った。

的な相互作用により吸着していることが考えられた。次（1）0.05 mM Ru（bpy）32+ in 100 mM MES-NaOH

2+にルテニウム金属錯体、メチルビオロゲンを吸着させて

buffer（pH 6.6）

基材化したセルロースナノファイバーを電子供与体 エ（2）0.05 mM Ru（bpy）32+ / 5 mM MV2+ in 100 mM

チレンジアミン四酢酸を含む水溶液中に浸漬させ、擬似

MES-NaOH buffer（pH 6.6）

太陽光を照射した。セルロースナノファイバー基材は、（3）0.05 mM Ru（bpy）32+ / 0.5 wt% TOCN in 100 mM

ルテニウム金属錯体の黄色からメチルビオロゲンの還元

MES-NaOH buffer（pH 6.6）

体の青色へと変化した（図 3 ）。これは光誘起されたルテ（4）0.05 mM Ru（bpy）32+ / 5 mM MV2+0.5 wt% TOCN

ニウム金属錯体からメチルビオロゲンへの電子移動が起

in 100 mM MES-NaOH buffer（pH 6.6）

こり、メチルビオロゲンの還元体が蓄積されたためであ

励起光 425 nm フェムト秒 チタンサファイアレー

る。白金ナノ粒子を担持させたセルロースナノファイ

ザーを用いた。最大蛍光発光波長で蛍光寿命の解析を

バーの水素生産触媒活性の評価は、白金ナノ粒子を担持行った。蛍光寿命のキネティクスを図 4 に示した。各サ

したセルロースナノファイバーを亜ジチオン酸ナトリウ

ンプルについて 1 成分でフィッティングした際の蛍光寿

ムで還元したメチルビオロゲンと混合し、発生した水素命を表 1 に示した。ルテニウム金属錯体の自然寿命としをガスクロマトグラフィーで行なった。水素生産触媒のてセルロースナノファイバーを含まないサンプル（1）で活性は、セルロースナノファイバー 1 g当たり 8.28 Unit

は、0.34 µs、セルロースナノファイバーを含むサンプ（1 Unit の定義は、 1 分間に1 nmolの水素を生産する）

ル（3）では、0.37 µsとなった。このことからセルロースであった。以上の結果は、水素生産の触媒活性を示す白ナノファイバーの有無でルテニウム金属錯体+の蛍光寿

金ナノ粒子をセルロースナノファイバーに担持されたこ命に大きな差がないことが明らかになった。また、セルとを示す。

ロースナノファイバーを含まないとき、メチルビオロゲ
ン存在下（3）とメチルビオロゲン非存在下（1）とで寿命を比較すると、0.34 µsから0.13 µsへ62%の短寿命化がみられた。セルロースナノファイバーを含むとき、メチルビ
オロゲン存在下（4）とメチルビオロゲン非存在下（2）とで寿命を比較すると、0.37 µsから0.14 µsへ62 %の短寿命化がみられた。セルロースナノファイバーの有無、メチ
ルビオロゲン存在下における短寿命化に明確な違いはみられなかった。蛍光寿命の短寿命化は、励起エネルギーが蛍光発光以外の失活過程を経ていることを意味する。
本実験では、光増感剤 ルテニウム金属錯体 Ru（bpy）

図 3 ．触媒分子群を吸着させ基材化したセルロースナノファ
イバーの光化学反応
光照射により、セルロースナノファイバー基材は、黄色から青色へ変化

32+から電子輸送体 メチルビオロゲン MV2+への光誘起
電子移動がその失活過程であると考えられる。以上より、
セルロースナノファイバーへの担持による光誘起電子伝― 56 ―

2+
図 4 ．Ru（bpy）（1）0.05mMRu（bpy）32+（667nm）
（2）

0.05mMRu（bpy）32+/5mMMV2+（647nm）
（3）
0.05
3 の蛍光寿命測定
2+
2+
2+
（4）
 0.05mMRu（bpy）（647nm）.
mMRu（bpy）3 /0.5wt%TOCN（670nm）
3 /5mMMV /0.5wt%TOCN

表1

似太陽光を照射した。密閉された反応容器の空気層をサ

2+
Ru（bpy）
3 の蛍光寿命

sampleτ［μs］（1）Ru0.34（2）Ru+MV

0.13（3）Ru+TOCN

0.37（4）Ru+MV+TOCN

0.14

ンプリングし、水素発生をガスクロマトグラフィーで確認した。
0.13 μmolH2/hour の水素ガスの発生を確認した。ル
テニウム金属錯体の触媒回転数は、
7.3times/hourであった。擬似太陽光からの水素への変換効率は、0.02%であっ

達活性への影響はほぼ見られず、セルロースナノファイ

た。当初の目標とした 1%には程遠い結果であるが、セバーがないときの活性を保っていることが明らかとなっルロースナノファイバー基材で光水素生産反応が進むとた。

いう知見を得た。

（c）高い光水素生産効率を示すセルロースナノファイ

本実験系の問題点として、反応後の溶液に担持させたバー基材化法の開発

ルテニウム金属錯体が漏洩している様子が観察された。

（a）で調製した光水素生産反応に関連した触媒分子群

ルテニウム金属錯体、メチルビオロゲン、白金ナノ粒子

ルテニウム金属錯体、メチルビオロゲンを吸着させたセに関して、セルロースナノファイバー基材からの漏洩をルロースナノファイバーと白金ナノ粒子を担持させたセ

それぞれ確認した。可視吸収分光法でルテニウム錯体とルロースナノファイバーを混合し、吸引ろ過により基材

メチルビオロゲンの漏洩が確認された。水素生産触媒の化した。図 3 のようなルテニウム金属錯体の淡黄色と白

白金ナノ粒子に関しては、反応後の反応溶液の上澄みの金ナノ粒子の黒色が混ざったようなフィルムが得られた。

みを用いた水素発生活性評価を行った。ガスクロマトグ

基材化したセルロースナノファイバーを電子供与体

ラフィーの分析の結果から、水素の発生は確認されなエチレンジアミン四酢酸を含む水溶液中に浸漬させ、擬かった。このことから、光誘起水素生産反応後の溶液に― 57 ―

は、白金ナノ粒子は含まれていないということが明らか

ルテニウム金属錯体のみを光増感剤として用いたが、異になった。水素生産反応に関わる白金ナノ粒子のセルなる吸収帯を持つ光増感剤の利用も原理的には可能であ

ロースナノファイバー基材からの漏洩が起きていないこ

るため、太陽光を無駄なく利用するために複数の光増感とから、セルロースナノファイバー基材に担持された触剤を用いる系を構築していきたい。

媒分子で反応が進んでいると考えられるが、漏洩により擬似太陽光からの水素への反応効率を下げてしまってい4 ．謝辞

ることは明らかである。今後の課題として、触媒分子の本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団からの担持方法を改善するとともに反応効率を高める反応系の研究助成を受けて行われたものであり、ここに厚く御礼構築を考えている。

申し上げます。

3 ．まとめと将来展望

5 ．参考文献

本研究で行なった光水素生産反応に関連する触媒 ル1 ）Nogi, M., Iwamoto, S., Nakagaito, A. N. et al.（2009）：
Advanced Materials, 21（16）,1595-1598.

テニウム金属錯体、メチルビオロゲン、白金ナノ粒子をセルロースナノファイバーへ担持させた後に、そのセル

2 ）Fukuzumi, H., Saito, T., Iwata, T. et al.（2009）
Biomacromolecules, 10（1）,162-165.

ロースナノファイバーで基材を調製し、大気下ではたらく光水素生産システムの構築を進めることができた。し3 ）磯貝 明：TEMPO酸化セルロースナノファイバー，高分子，Vol.58，No.2，pp.90-91，（2021）

かしながら、効率は低く、白金ナノ粒子を除く触媒分子のセルロースナノファイバー基材からの漏洩が見られ4 ）Koga, H., Tokunaga, E., Hidaka, M. et al.（2010）た。それらの点を改善する必要がある。今回の研究では、― 58 ―

Chem. Commun., 46（45）,8567-8569.

申請者

筑波大学

辻村

清也

生体触媒と電極間の電子移動を促進する電極表面修飾の開拓
筑波大学

数理物質系

辻村

研究背景

清也

触媒に適用させることができる。

酸化還元酵素反応や微生物細胞の代謝機能を電極反応

酵素反応を利用する酵素電極において、辻村はこれまと組み合わせるバイオエレクトロカタリシス（生体電極

で、オスミウム錯体をポリマーに配位結合によりぶら下触媒反応）は、有機物など生体関連物質からの直接発電

げたレドックスポリマーを用い、酵素と架橋した酵素修するデバイス（バイオ電池）、バイオマーカーを高感度に飾電極を開発し、平板電極から高比表面積を有する多孔検出するバイオセンサ、
有用物質生産（バイオリアクタ）、

質炭素電極に展開してきた（Electrochim. Acta, 232, 581あるいは排水処理装置など、環境、エネルギー、ヘルス（2017）、Electrochim. Acta, 322, 134744（2019））。電極

ケアなど広域にわたる応用が期待される（Bioscience,

設計においては、酵素を担持することのできるメソ構造

Biotechnology,andBiochemistry83
（2018）,39-48）。

のみならず、その酵素の修飾されている表面までの物質

このようなバイオ素子と無機電極とを組み合わせるデ供給も重要となってくる。そこで、マクロ孔とメソ孔をバイスの性能を左右するのは、酵素や微生物といった生組み合わせた細孔の階層構造の制御を研究してきた（J.

体触媒の電極界面での電子移動反応である。生体触媒とA m .  C h e m .  S o c . ,  1 3 6 ,  1 4 4 3 2 - 1 4 4 3 7 （ 2 0 1 4 ）,

電極間の電子移動は、生体触媒と電極間で直接電子移動

ElectrochimicaActa,343,136110
（2020））。これにより、が起こるタイプと、酸化還元分子に仲介させるメディ

無機の触媒を凌駕する触媒効率を達成することに成功しエータを用いるタイプに分類できる。前者の反応系を利た。

用できる生体触媒は非常に限られているが、後者はメ

ただし、これまでの研究においては、ポリマーの主鎖

ディエータ分子をうまく選択することでより幅広い生体にぶら下がったオスミウム錯体をメディエータとして用

Scheme1．Electrochemicalmodificationofdiazoniumsaltofphenothiazineoncarbonsurface.

― 59 ―

いてきた。オスミウム錯体は酸化体および還元体とも安103069（2019））を検討してきた。メディエータ分子と生定性が高く、自己電子交換速度および、酵素との間の電体触媒を固定しているので、反応物を含む液を連続的に子移動速度も速く、メディエータとして優れた特性を有

流しても触媒系は電極表面にとどまっており長期間にわしている。しかし、資源的な制約があり、安全性の観点たる利用が可能になる。さらに、他の類似の研究と比較でも、オスミウム錯体にかわる有機レドックス分子が求しても高い電流密度を達成しており、これはセンサの小められる。電子移動できる距離は限られているので、酵型化および高感度化、さらには生体内での連続的なモニ

素活性中心にメディエータのレドックス部位がどれだけ

タリングが可能になる。しかし、上記の電極表面へのメ近づけるかが重要となる。メディエータがファンデル

ディエータ修飾方法は手間がかかるうえに、ポリマーをワールス力やπ-π相互作用などにより炭素電極の表面用いているので電極表面での触媒密度が低下するというに吸着する場合、メディエータは酵素との反応性が高く問題があった。そこで、フェノチアジン系のメディエー

ない。この場合、メディエータの吸脱着平衡において、タをジアゾ塩に変換したのちに電気化学的に還元する方

一部電極表面から脱離したメディエータが酵素と反応し法（窒素が抜け、炭素電極との間にC-C結合が形成されている。したがって、強く吸着する場合は、触媒電流はる）（Scheme 1）、炭素電極表面のカルボキシ基と 1 級ア小さくなる。弱く吸着している場合は、触媒電流は大き

ミノ基の間でアミド結合を形成する方法などによって、くなるが、長時間の利用により、メディエータは徐々に

炭 素 電 極 表 面 に 固 定 化 す る こ と が で き る

バルク溶液に流出し、性能が低下する。
電極表面にレドッ（ChemElectroChem, 7, 4543-4549（2020）, J. Phys.

クス分子を共有結合により修飾する場合、修飾されたレEnergy, 3, 024004（2021））。このように電極表面に修飾

ドックス分子が電極表面に固定化されたままメディエー

されたレドックス分子に、酵素の活性中心が近づくこと

タとして働くことができる。これまでフェノチアジン類

で、酵素からメディエータを介した電子移動が観測され（Int. J. Mol. Sci., 18（3）,604（2017））に注目し、①電気化る。やはりこの方法でも電気化学的手法で修飾するので学法による電極上への修飾（Colloids and Surfaces B：

手間がかかり量産には不向きである。本研究では、これ

Biointerfaces, 192, 111065（2020））、②グラフト重合まで得られた知見をもとにした有機系レドックス分子を（Bulletin of the Chemical Society of Japan, 93, 32

炭素電極表面に化学反応にて直接修飾し、酵素との電子（2020）、J. Power Sources,, 479, 228807（2020））、③化

移動メディエータ機能を評価することを目的としている

学重合によるポリマー修飾（J. Electroanal. Chem., 847,

（Scheme 2）。

Scheme 2．The overview of this study. Phenothiazine-type mediators are grafted on the MgOC electrode surface via amide
bonding.

― 60 ―

研究方法と成果：

洗浄後に、炭素を乾燥させて、表面にカルボキシ基が生＜修飾電極の作製＞成したMgOC（以下、MgOC-COOHと表記する）を得た。

本研究では、多孔質炭素の表面にカルボキシ基を導入

処理後のMgOCに対してX線光電子分光分析（XPS）を実し、第 1 級アミノ基を有するフェノチアジン系のメディ施したところ、酸素原子に相当するピークが検出され、エータを共有結合させる。導電性基材として、酸化マグ

カルボキシ基が生成したことが確認された（Fig. 1）。

ネシウムテンプレート多孔質炭素（MgOC）を使用した。

MgOC-COOHをジクロロメタンに分散させ、塩化チオ

MgOCとしては、孔径が50, 200 nmのものをそれぞれ使ニル（SOCl2）を滴下し、 0 ℃で30分間保持した。その後、用した。MgOCを65％HNO3と混合し、80 ℃で 3 時間攪

混合液を室温で 3 時間攪拌し、濾過し、40℃で 1 時間、

拌しながら加熱する酸化処理を行い、炭素表面にカルボ乾燥させて、カルボキシ基が-COClに変換されたMgOC

キシル基を導入した。電子顕微鏡にて炭素材料の表面を（以下、
MgOC-COClと表記する）を得た。処理後の試料に観察したところ、酸化処理を行っても、構造に大きな違対してXPS測定を実施したところ、塩素原子に相当する

いはないことが確認された（Fig. 1）
。処理後のMgOCをピークが検出され、予想された通りカルボキシ基の一部

濾過し、脱イオン水で濾液が中性になるまで洗浄した。

が-COClに変換されたことが確認された（Fig. 1）。

Figure 1．XPS analysis of the MgOC（MgOC, MgOC-COOH, MgOC-COCl）and FE-SEM pictures of MgOC and MgOC-COOH.

― 61 ―

MgOC-COClと ポ リ（ビニリデンジフルオライド）

時間硬化させて、FAD-GDHを電極に固定した。

（PVDF）とN-メチル-2-ピロリドン（NMP）を混合し、グ

電 気 化 学 的 測 定 に 先 立 ち、 電 極 を リ ン 酸 緩 衝 液

ラッシーカーボン電極（電極表面積0.071㎝2）上に滴下し、（pH7.0）で洗浄し、吸着した分子を除去した。電極の電60℃で12時間乾燥させて電極を形成した。この電極を気化学的性能は、200 mMのグルコースを含むリン酸緩GC-MgOC-COClと表記する。第 1 級アミノ基を持つメ

衝液（pH 7.0、25 ℃）において、印加電位0.2 Vでクロノ

ディエータ分子としてのチオニン（TH）、アズールA

アンペロメトリーにより評価した。FAD-GDHを固定し（AA）、またはトルイジンブルー（TB）を、脱水されたた電極を作用極とし、Ag|AgCl|KCl（飽和）を参照極とし、DMSOに濃度が5 mg mL となるようにそれぞれ溶解

白金線を対極とする標準的な 3 電極セルを作製し、このして、メディエータ溶液を得た。チューブにメディエー

セルを用いて電流値を測定した。

−1

タ溶液を入れ、GC-MgOC-COClを浸漬し、40℃でイン

Fig. 2にMgOCの孔径が50nmであり、メディエータ分

キュベートした。その後、DMSOおよび水で洗浄し未反子がそれぞれAAである場合の結果を示す。AAが多孔

応のメディエータを除去し、乾燥庫で30分間乾燥させて、質炭素電極表面に吸着した場合、電極を事前にしっかり

メディエータ分子が第 1 級アミノ基に由来するアミド基洗浄することで、吸着したメディエータが洗い流されて、を介してMgOCに結合した状態の電極を得た。対照実験

電流応答はほとんど観察されない。しかし、AAを表面としては、MgOCと、PVDFとNMPの混合物に対してに共有結合で修飾した場合（上の図のGrafted AAあるい

2 分間の超音波処理を行って組成物を得た。この組成物

はGrafted monolayer type mediator）において、比較的をGC電極に滴下し、60 ℃で16時間乾燥させて電極を形

大きな電流（10 μA = 140 μA cm−2）が安定して得られ成 し た。 こ の 電 極 をGC-MgOCと 表 記 す る。 こ のGC-た。このことは、メディエータおよび酵素が安定に電極

MgOCをメディエータ溶液に浸漬して、メディエータを上に固定化されており、連続使用を可能にしたものと考MgOCに吸着させた。その後、DMSOと水で洗浄し、乾えられる。

燥庫で30分間乾燥させてメディエータ吸着電極を得た。

電流値および安定性の向上を目指し、細孔サイズ（50グルコース脱水素酵素（FAD-GDH）と、架橋剤としてbis

nm, 200 nm）、メディエータの種類、および、酵素と架（NHS）
PEG9と、界面活性剤としてTriton-Xを含む混合

橋剤の量を変えた結果をFig. 3に示す。細孔サイズが50液を調製した。この混合液を、MgOC電極部分に塗布しnmの場合、上述のAAを用いた場合と比べて、THを用（ 1 電極あたり38 µg、528 µg㎝ に相当）
、乾燥庫で12いた場合に電流値の向上が観測された。酵素架橋剤の量−2Figure 2．Chronoamperogram of AA-modified MgOC electrode and AA adsorbed MgOC electrode― 62 ―

Figure3．Effectofporesize,ratioofenzyme/crosslinker,andmediatoronthecurrentresponses.

Figure4．theresidualcurrentafter3dayscontinuousoperationat0.2

Vin0.2glucosesolution.

を最適化することで、電流密度は500 μA cm−2に達し

3 日連続計測した場合、初期電流に対する残存電流のた。一方でTBを修飾した場合には電流値は相対的に低割合を比較した（Fig. 4）。連続計測を経て、いずれの電くなった。これは酵素との架橋剤の割合を変えても同様

極でも電流値の低下は観測されるが、50 nmのMgOCにであり、酵素と修飾された分子間の相互作用、細孔内のTHを修飾した場合を除いて、50％以上の初期電流を維環境が酵素活性に影響を与えていると考えられる。一方持できることがわかった。電流値と安定性の明瞭な相関で、細孔サイズを200 nmと大きくした場合には、違っがないために、安定性と電流値の大きさは別に考える必た結果が得られ、THにおいては、酵素量が70％の場合要がある。電流値は、電極表面へのメディエータ修飾量

において電流値の向上が観測され、それ以上酵素を増やと、酵素との相互作用の強さに依存していると考えられ

すと電流値が減少した。一方で、TBにおいても電流値る。一方、安定性は、メディエータ自体は安定に固定化が向上するという結果が得られた。この原因として、細されているので、メディエータとリンクしている酵素量

孔サイズが大きくなったことで、酵素の分布（細孔内でが反映される。THを表面に修飾した場合、もう一方のの存在形態）が変わったことが考えられる。今後、ナノアミノ基がフリーであるので、これを足掛かりに酵素の空間での分子の相互作用、吸着挙動などの詳細を明らか固定化ができるのではないかと期待したが、期待した結にする必要がある。

果は得られなかった。

― 63 ―

まとめ

ず安定性の高さは実用性が非常に高く、様々なバイオ電

多孔質炭素の表面にメディエータを共有結合にて単分

気化学デバイスの性能向上に寄与することが期待され子レベルで修飾しても、酵素と良好な電子移動を実現でる。 本 研 究 成 果 は、 特 許 出 願 を 行 っ た（ 特 願2022-

きることを見出した。この新しい戦略は、バイオ電極デ

088978）。本研究に対する公益財団法人松籟科学技術振ザインに新しい方向性をもたらした。電流密度のみなら

興財団の御支援に対して深く感謝申し上げる。

― 64 ―

申請者

慶應義塾大学（現東京大学） 松久直司

自己接着性ポリマーを用いた超柔軟伸縮性デバイスと回路基板の接合東京大学

1 ．研究の目的と背景

先端科学技術研究センター

松久直司

い電子デバイスを開発し、次にこれらと硬いエレクトロ

ウェアラブルデバイスによるパーソナルヘルスケア

ニクスを接合する技術の開発に取り組んだ。具体的には、は、 高 度 な 予 防 医 療や遠隔医療を実現する。こ れ は

新規な伸縮性導電性高分子材料を開発し、レーザーアブ

Covid19などの感染症や後期高齢化の進行により医療資

レーション法を用いて10 µmもの高解像度でパターニン源の枯渇が進む社会において非常に重要である。これまグできることを実証した。さらに開発した電極材料を用でにApple watchなどが商用化されたが、手首などに装いてタッチセンサアレイを実現し、リアルタイムでの駆着部位が限られ、取得できる生体情報の種類も質も非常動に成功した。

に限定的であった。薄いゴムシートのような柔らかい電子デバイスは、自由曲面に湿布やタイツのように高い追2 ．伸縮性導電性高分子材料の開発

従性を示すため、体全体に長時間装着しても違和感なく

2 ．1

伸縮性PEDOT：PSS導電膜の成膜

生体情報を取得できる次世代ウェアラブルデバイスとしまず、評価用の基材としてSEBS（旭化成, H1062）およての応用が期待されている。この実現のために近年、有び熱可塑性ポリウレタン（TPU）（ 日本ミラクトラン,

機高分子を用いた伸縮性半導体が発明され、非伸縮性のP22MBRNAT）を有機溶剤（SEBSにはシクロヘキサン、

半導体材料に匹敵する電気特性を示すことが分かった。

TPUにはテトラヒドロフランを使用）に溶かしたものを

しかしながら、これら伸縮性電子材料で作られた柔ら

ガラス基材上にドロップキャストし、ペトリディッシュ

かい電子デバイスを駆動するためには、必ずシリコンをかぶせて一晩乾燥させた。

チップなどの硬いエレクトロニクスで作られた回路や電次 に 伸 縮 性PEDOT：PSS溶 液 を 準 備 す る た め に、源と接続する必要がある。柔らかい材料と硬い材料の接PEDOT：PSS水溶液（Haereus, PH1000）1 mLに対して合界面は、機械特性の違いによる応力集中が発生しやす

様々な塩の水溶液（40 mg/mL）0.25 mLとフッ素界面活

く、機械的に破断しやすい問題があった。

性 剤（Capstone, FS30）10 µLを 混 合 し た。 こ こ で 塩 は

そこで本研究では、まず導電性高分子を用いた柔らかPEDOT：PSSのモフォロジーに影響を与えて伸長性と導 電 性 を 向 上 さ せ る こ と が で き る。 本 研 究 で は、LithiumBis（trifluoromethanesulfonyl）
imide
（LiTFSI）,、
L i t h i u m  B i s（ p e n t a f l u o r o e t h a n e s u l f o n y l ）im i d e（LiBETI）、4-（3-ethyl-1-imidazolio）-1-butanesulfonate
（IonE）の 3 種類の塩を用いた。PEDOT：PSSおよび用いた塩の構造式を図 1 に示す。フッ素界面活性剤は、伸縮性PEDOT：PSS水溶液の基材への濡れ性を改善するために加えている。準備した水溶液を、酸素プラズマ処
理で表面を改質したSEBS基材およびTPU基材上に1000

図 1 ．PEDOT：PSSと添加した塩の構造式。

rpm 1 minの条件でスピンコートし、110℃10 minの条― 65 ―

件で乾燥して成膜した。
2 ．2

伸縮性PEDOT：PSSの評価

成膜された伸縮性PEDOT：PSSの導電性と伸長性を評価するために、2 cm長さ 5 mm幅の大きさにナイフで切り出したものを用いた。導電性の評価のために、1cmの長さのところに液体金属GaInを塗布し、x軸ステー
ジで伸長をかけながら抵抗をマルチメータで測定した。
導電膜の厚みを同じ条件でガラス基板上に成膜したもの
を触針式段差計で計測し、導電率を計算した。伸長性の評価は、基材をバイスに固定し、伸長をかけながら光学

図 3 ．PEDOT：PSSにLiTFSIとLiBETIをそれぞれ添加した薄膜のGIWAXS測定結果。

式顕微鏡（Leica,DM4M）
で観察し、導電膜にクラック
かった。これは先行研究で用いられていたLiTFSI［1］のが入り始める歪をクラック歪と定義した。
さらに伸縮性PEDOT：PSS薄膜の物性評価を進めた。

ときの導電率270 S/cmよりも高い値となった。LiBETI

薄膜の結晶性評価のために、添加した塩の異なる伸縮性がLiTFSIよりも導電性を向上できたメカニズムについPEDOT：PSS薄 膜 を シ リ コ ン 基 板 上 に 成 膜 し、て調べるために、GIWAXS計測結果を比較する（図 3 ）。

SPRing-8で微小角入射広角X線散乱（GIWAXS）法で計LiBETIを加えたPEDOT：PSSについて、0.8 Å-1付近で測を行った。薄膜のHardnessは、PET基材上に成膜しPEDOTの結晶性に起因するピークがLiTFSIを加えた系

た薄膜についてナノインデンターを用いて評価を行っよりも大きくなっていることがわかる。

た。また、薄膜の光学特性評価のために、SEBS基板、
TPU基板上に成膜された薄膜について紫外光可視光分

2 ．4

光光度計
（島津製作所,UV-2600i）を用いて評価を行った。

新規伸縮性PEDOT：PSSの伸長性

図 1 に示した添加物の違いによるPEDOT：PSSの機械特性を図 4 に示す。まずHardnessを見ると、LiBETI

2 ．3

新規伸縮性PEDOT：PSSの導電性でも先行研究のLiTFSIやIonEと同じようにPEDOT：

図 1 に示した添加物の違いによる非伸長時のPEDOT：

PSSの半分以下にまで改質できていることがわかる。こPSSの導電性を図 2 に示す。LiBETIを添加剤として選れは図 5 に示すFTIRスペクトルで1010 cm -1付近のピーぶことで、導電性を330 S/cmまで向上できることがわ

クが鋭くなっていることから分かるようにLiBETIがPEDOT：PSSの中のPSS同士の水素結合を弱める効果によるものである。

図 2 ．PEDOT：PSSの導電率の添加物依存性。

図 4 ．PEDOT：PSSの機械特性の添加物依存性。

― 66 ―

図 5 ．LiTFSI、LiBETIをそれぞれ添加したPEDOT：PSSのFTIRスペクトル。

図 7 ．添加剤を加えたPEDOT：PSSの導電性の伸長歪依存性。

な伸長性を示したメカニズムとして、LiBETI添加した
PEDOT：PSSとTPUがSEBSと比べて近しい機械特性を有することが考えられる。PEDOT：PSSにLiTFSIを加えた系のヤング率は、55 MPaと報告されている。今回用いたSEBS基板およびTPU基板のヤング率はそれぞれ
5.5 MPaと30.6 MPaで あ る。 ま た、PEDOT：PSS、SEBS、TPUのポアソン比はそれぞれ0.35、0.49、0.45である。
次に伸長をかけながら導電性を評価した結果を図 7 に示す。LiBETIを加えた系は、LiTFSIを用いたものよりもどの伸長歪でも大きな導電性を示していることがわか

図 6 ．伸長による高分子の吸収スペクトルの二色比（伸長に並行方向と垂直方向の比）計測結果。高ければ高いほど高分子鎖が伸長方向に並んでいることを示す。

る。これは図 6 に示したように、LiBETIを加えた系の次に図 4 左のクラック歪を見ると、SEBS基板上でLiBETIのメタノール溶液を膜に後からスピンコートす10%程度だったものがLiBETI添加によって30%まで改ると、導電性がさらに向上できることがわかった。これ善できた。さらに、TPU基板上で同様にクラック歪をは後処理により余分なPSSが除去されたことによると考評価すると、LiBETIを添加剤に用いた系で160%程度まえられる。

方が伸長によって高分子が伸長方向にしやすいことが理由と考えられる。さらにLiBETIを加えた系についてで大きくクラック歪を改善できることがわかった。基材を変えるだけでこのように大きく伸長性が改善できるの

2 ．5

新規伸縮性PEDOT：PSSの光学特性を示したのは本研究が初めてである。実際にTPU膜上

図 8 に添加剤を加えたPEDOT：PSSの透過性を示す。

でPEDOT：PSS膜中の高分子が延伸されているかどう

どの添加剤を加えた系でも添加剤なしと比較して透過度かを確認するために、二色比測定［2］を行った（図 6 ）。そが向上していることがわかる。これは、添加剤が可視光の結果、PEDOT：PSSにLiBETIを添加し、TPU基材上内に吸収スペクトルがほとんどないことに起因すると考に成膜したものについて伸長に従って大きな二色比を示えられる。550 nmで基材込みの透過性が85%程度あり、すことがわかった。一方でSEBS基材上のものは伸長しディスプレイやセンサなどの応用に十分な値である。

ても高分子が延伸されることが少なく低い二色比を示した。
TPU基材上でLiBETIを添加したPEDOT：PSSが大き― 67 ―

図10．微細化した伸縮性PEDOT：PSSの伸長性。
図 8 ．添加剤を加えたPEDOT：PSSの透過率。

でも皮膚の伸長性である30%以上の伸長性を示した。
2 ．7

パターナブル伸縮性PEDOT：PSSの比較

ここまでで開発した伸縮性導電性高分子を専攻研究のパターニング可能な伸縮性導電性高分子と比較したもの
を表 1 に示す［1,3–10］。10µm以下の高解像度と高導電性・伸縮性をシンプルな添加剤で達成している。
3 ．伸縮性透明タッチセンサアレイ
3 ．1

製造プロセス

さらに今回開発した伸縮性PEDOT：PSSの特性を最大限に活用できる応用として、伸縮性透明タッチセンサを作製した。まず、レーザーアブレーションでパターニングを行った伸縮性PEDOT：PSSを成膜した。さらに
転写プロセスにより絶縁膜として厚み4 µmのSEBSを電極上に成膜し、その上に再度レーザーでパターニングした伸縮性PEDOT：PSSを成膜した。
図 9 ．伸縮性PEDOT：PSSの高解像度パターニング。

それぞれのPEDOT：PSS配線には、低抵抗な伸縮性
銀インクを印刷配線し、透明でなくて良いところの抵抗

2 ．6

伸縮性PEDOT：PSSのパターニングを最小化した。次にポリウレタン基盤に金配線を蒸着成

本研究で開発した伸縮性PEDOT：PSSはナノ秒UV膜したフレキシブルなPETを瞬間接着剤を用いて貼りレーザーによるレーザーアブレーションを用いて高解像付けた。金配線と伸縮性銀インク配線の間には非常に大度にパターニングも可能である。図 9 にさまざまなライ

きな機械的な歪がかかることが予想されるため、ガリウ

ン幅でパターニングした様子を示す。ライン幅10 µmでム系の液体金属のGaInを塗布した。

も高い伸長性を示すことがわかった。図10にライン幅の

図11にこの伸縮性基板とフレキシブル基板の接合界面異なる伸縮性PEDOT：PSSの伸長によるシート抵抗のの機械・電気特性を評価した様子を示す。伸縮性基板を変化を示す。線幅を細かくすることで、低い伸長歪で大100%以上伸長しても配線は破壊されることがなく、ウェ

きな抵抗変化を示した。これは図 9 の光学顕微鏡像でもアラブルなど様々な応用で問題ない機械特性があることわかるように、パターニングされた配線の端部からマイが確かめられた。

クロクラックが成長するためと考えられる。線幅10 µm― 68 ―

表1

パターナブル伸縮性導電性高分子の先行研究群との比較。

図11．伸縮性デバイスとフレキシブルフラットケーブルの接合界面の評価。（a）
模式図。（b）
伸縮性デバイスを伸長させた際の抵抗変化。（c,d,e）それぞれ 0 ％,120%,200%の伸長歪を加えた時の界面の様子。

3 ．2

伸縮性タッチセンサの動作検証

二層にパターニングされた伸縮性PEDOT：PSSの配線

図12に作製した伸縮性透明タッチセンサを示す。図が交差するようになっており、伸縮性の絶縁層が挟み込12aに示されるように柔らかいロボットの表面にも高いまれている。作製されたセンサは相互容量方式で、直交追従性を有する。
図12b,c,dに全体の構造と模式図を示す。

する上部電極と下部電極の間のキャパシタンスを読み取― 69 ―

図12．伸縮性透明タッチセンサアレイ。（a）ロボットに貼り付けられた写真。（b）構造。（c）タッチセンサ配線図。（d）タッ
チセンサの動作メカニズム。 （e）指一本のタッチをセンシングする様子。（f）指二本のタッチをセンシングする様子。

ることで指が触れているかどうかをセンシングする。指（2023）.

が近づくと交差した電極の形成する容量が変化し、タッチを認識できる。図12e,fに示すようにシングルタッチ、

謝

辞本研究に対して多大なご支援を賜りました公益財団法

マルチタッチを両方認識することに成功した。

人松籟科学技術振興財団に、心より御礼申し上げます。
4 ．まとめ本研究で得られた成果として、高解像度でパターニン

参考文献

グできる伸縮性導電性高分子材料の開発に成功した。さ［ 1 ］Y. Wang, C. Zhu, R. Pfattner, H. Yan, L. Jin, S.

らに本研究では、柔らかい伸縮性デバイスと硬いエレク

Chen, F. Molina-Lopez, F. Lissel, J. Liu, N. I.

トロニクスの接合技術を開発することで、伸縮性タッチ

Rabiah, Z. Chen, J. W. Chung, C. Linder, M. F.

センサアレイを作製し、良好に動作することを示した。

Toney, B. Murmann, Z. Bao, Sci Adv 2017, 3,

今後、伸縮性デバイスが、ウェアラブルヘルスケアや

e1602076.

ヒューマンマシンインターフェース用のデバイスとして［ 2 ］G.-J. N. Wang, A. Gasperini, Z. Bao, Adv. Electron.
Mater. 2018, 4, 1700429.

用いられることが期待される。

［ 3 ］Y.-Q. Zheng, Y. Liu, D. Zhong, S. Nikzad, S. Liu, Z.
本研究成果は、以下の国際学術誌に掲載された。

Yu, D. Liu, H.-C. Wu, C. Zhu, J. Li, H. Tran, J. B.-H.

T. Shimura, S. Sato, T. Tominaga, S. Abe, K.

Tok, Z. Bao, Science 2021, 373, 88.

Yamashita, M. Ashizawa, T. Kato, H. Ishikuro, N.

［ 4 ］U. Kraft, F. Molina-Lopez, D. Son, Z. Bao, B.

Matsuhisa*“A High ‐ Resolution, Transparent, andMurmann, Adv. Electron. Mater. 2020, 6, 1900681.

Stretchable Polymer Conductor for Wearable Sensor［ 5 ］F. Molina-Lopez, T. Z. Gao, U. Kraft, C. Zhu, T.

Arrays”Advanced Materials Technologies 8, 2201992

Öhlund, R. Pfattner, V. R. Feig, Y. Kim, S. Wang,― 70 ―

Y. Yun, Z. Bao, Nat. Commun. 2019, 10, 2676.

375, 1411.

［ 6 ］L . - W . L o , J . Z h a o , H . W a n , Y . W a n g , S .

［10］J. Liu, X. Zhang, Y. Liu, M. Rodrigo, P. D. Loftus, J.

Chakrabartty, C. Wang, ACS Appl. Mater.

Aparicio-Valenzuela, J. Zheng, T. Pong, K. J. Cyr,

Interfaces 2021, 13, 21693.

M. Babakhanian, J. Hasi, J. Li, Y. Jiang, C. J.
Kenney, P. J. Wang, A. M. Lee, Z. Bao, Proc. Natl.

［ 7 ］S. Kang, B.-Y. Lee, S.-H. Lee, S.-D. Lee, Sci. Rep.

Acad. Sci. U. S. A. 2020, 117, 14769.

2019, 9, 13066.
［ 8 ］Z. Zhu, G. Yang, R. Li, T. Pan, Microsyst Nanoeng［11］N. Matsuhisa, S. Niu, S. J. K. O’Neill, J. Kang, Y.

2017, 3, 17004.

Ochiai, T. Katsumata, H.-C. Wu, M. Ashizawa, G.-J.

［ 9 ］Y. Jiang, Z. Zhang, Y.-X. Wang, D. Li, C.-T. Coen, E.

N. Wang, D. Zhong, X. Wang, X. Gong, R. Ning, H.

Hwaun, G. Chen, H.-C. Wu, D. Zhong, S. Niu, W.

Gong, I. You, Y. Zheng, Z. Zhang, J. B.-H. Tok, X.

Wang, A. Saberi, J.-C. Lai, Y. Wu, Y. Wang, A. A.

Chen, Z. Bao, Nature 2021, 600, 246.

Trotsyuk, K. Y. Loh, C.-C. Shih, W. Xu, K. Liang,［12］X. Wang, L. Fan, J. Zhang, X. Sun, H. Chang, B.

K. Zhang, Y. Bai, G. Gurusankar, W. Hu, W. Jia, Z.

Yuan, R. Guo, M. Duan, J. Liu, Adv. Funct. Mater.

Cheng, R. H. Dauskardt, G. C. Gurtner, J. B.-H.

2019, 29, 1907063.

Tok, K. Deisseroth, I. Soltesz, Z. Bao, Science 2022,― 71 ―

申請者

山形大学

熊木

大介

有機半導体とのオーミック接合を実現する
金属ナノ粒子インクの研究
山形大学

1 ．研究背景と目的

有機エレクトロニクスイノベーションセンター

熊木大介

低減などデバイス高性能化が期待できる。

ヘルスケアやロボティクス分野における電子デバイスの軽量・薄膜化などのニーズを受けて、有機半導体や導2 ．結果と考察

電性インクを用いて薄いフィルム基板上に集積回路やセ

2-1．銀ナノ粒子インクの調整
シュウ酸架橋銀アミン錯体を経由する合成法［ 1 ］にンサを印刷形成する、プリンテッドエレクトロニクスにより、電極材料となる銀ナノ粒子インクを合成した。
シュ

関する研究開発が活発に行われている。
金属ナノ粒子インクは、低温で低抵抗な電極を印刷形

ウ酸銀と銀ナノ粒子の保護分子となる直鎖アミンを混合成できるため、印刷有機薄膜トランジスタ（以下、有機することでシュウ酸架橋銀アミン錯体が生成する。このTFT）や印刷集積回路の電極材料として用いられてい錯体を100℃程度で加熱することで脱炭酸反応が起こるる。これまでにも金属ナノ粒子インクを用いた印刷配線と同時に銀の還元が起こる。最終的に、直鎖アミンで被の微細化や低温プロセス技術の開発などの配線性能を向覆されたナノサイズの銀微粒子が形成される。これをメ上させる研究が行われてきた。一方で、有機半導体デバ

タノールで数回洗浄した後、適切な有機溶媒に分散させイスの電極として用いる場合、ナノスケールの薄膜化やることで銀ナノ粒子インクを得ることができる。

平滑化、半導体との接合界面の設計制御など、より高度合成した銀ナノ粒子インクの粒度分布を動的光散乱法

な技術課題をクリアする必要がある（図 1 ）。特に、有機により評価した結果を図 2 に示した。合成した銀ナノ粒半導体とのエネルギー的なミスマッチは大きな接触抵抗

子は、アルコール系の溶媒に30%程度の濃度で均一に分の原因となり、有機TFTの動作速度低下や駆動電圧上散し、得られた銀ナノ粒子の粒径は10～15 nm程度で昇を引き起こす。

あった。

本研究では、印刷有機TFTの高性能化に向け課題と調整した銀ナノ粒子インクをガラス基板上にスピンなっている有機半導体と印刷電極とのコンタクト抵抗低コート成膜し、焼成温度と抵抗率の変化について解析し減を目的とし、電極となる金属ナノ粒子インクに、有機た。銀ナノ粒子インクの塗布膜は、およそ150nm程度の半導体層とのエネルギー障壁を低減できる極性材料を導入し、印刷形成された金属ナノ粒子電極の仕事関数を制御する。仕事関数制御によって、有機半導体とのエネル
ギー障壁を低減し、有機TFTの低電圧動作や寄生抵抗

図 1 ．印刷電極における要求仕様

図 2 ．銀ナノ粒子の粒度分布― 72 ―

膜厚で、150℃程度の焼成で20µΩ・cmまで低抵抗化した。

事関数制御はSAM処理と同程度の効果が得られること

印刷配線として問題なく使用できる電気特性が得られた。

が確認できた。
PMAが銀薄膜の表面に結合し、銀電極表面の仕事関

2-2．銀電極の仕事関数制御

数が変化したためと考えられる。

本研究では、銀電極の仕事関数を制御するための材料として、モリブデンリン酸塩（Phosphomolybdic acid：

2-3．銀ナノ粒子インクへのPMA導入

PMA）を用いることとした。PMAは強いアクセプタ性

銀ナノ粒子インクに仕事関数を大きく変化させるの性質を持ち、電極の仕事関数を大きくする効果がある

PMAを導入（混合）することで、仕事関数制御可能な導ことが報告されている［ 2 ］。図 3 に示すように、通常

電性インクを新たに開発する検討実験を行った。このイは黄色の粉末で、不活性ガス雰囲気下で加熱することでンクを実現できれば、表面処理を行わなくとも印刷した

還元体となり、黒色粉末となる。どちらも極性溶媒によだけで仕事関数を制御できる新しい導電インクを実現でく溶解する。

きる。

本研究では、仕事関数制御により効果が高いと考えら合成した銀ナノ粒子とPMAは、どちらも直鎖アルコー

れる還元体（黒色）のPMAを用いた。PMAの仕事関数制

ルに分散するため、インク溶媒としてアルコールを用い

御に関する効果を確認するため、スピンコート成膜したた。図 5 にPMAを混合した銀ナノ粒子インクの散乱強銀薄膜をPMA溶液に浸漬し、仕事関数の変化を測定し度分布を示した。PMAを銀ナノ粒子インクに混合したた。また、仕事関数制御の方法として広く用いられる、

結果、0.1wt%を超えるPMA濃度では銀ナノ粒子インク

ペンタフルオロベンゼンチオール（PFBT）を用いた自己が凝集し沈殿する傾向がみられた。0.05wt%の濃度であ組織化単分子膜（Self-assembled monolayer：SAM）処理

れば分散が保たれることが分かった。PMAを0.05wt%

を行った場合と比較した。結果を図 4 に示した。浸漬処の濃度で混合した銀ナノ粒子インクの粒度分布を測定し理を行わない銀薄膜の仕事関数（黒丸）は4.7eV程度でた結果、粒子の粒径が1000nm程度まで増加していた。

あった。同じ銀薄膜をPMA溶液に浸漬処理した結果（青わずかに凝集した構造で分散していると考えられる。

丸）、5.7eV程度まで仕事関数が深くなった。SAM処理

次に、銀ナノ粒子にPMAを混合したインクの塗布膜を行った場合（赤丸）も5.7eV程度であり、PMAによる仕について、仕事関数の変化を調べた。結果を図 6 に示した。図 4 の測定と同様に調整したインクと溶液をガラス基板にスピンコート成膜し、150℃で焼成したサンプルの薄膜表面の仕事関数を評価した。銀薄膜の仕事関数が4.7eVであったのに対して、PMAを混合した銀ナノ粒子
インクから塗布成膜したAg/PMA混合薄膜の仕事関数
は4.9eV程度であり、0.2eV程度の仕事関数シフトが観察

図 3 ．PMAの還元による変化された。本結果により、PMAを混合した銀ナノ粒子イ

図 4 ．仕事関数測定の結果

図 5 ．PMA混合インクの粒度分布― 73 ―

図 6 ．混合膜の仕事関数変化

ンクの塗布膜の仕事関数を制御することが可能であることが示された。しかしながら、PMA単体の薄膜の仕事関数は5.7eVであり、仕事関数の変化量としてはまだ改善の余地があると考えられる。銀ナノ粒子インクとの混合方法を改善し、PMAをより高濃度に混合できれば仕事関数のシフト量を大きくできると考えられる。
2-4．印刷配線の形成調整したPMAを混合した銀ナノ粒子インクを用いて、インクジェット装置により配線パターンを形成した。イ

図6．
（a）印刷電極表面の顕微鏡像、（b）印刷電極表面の表面プ
ロファイル、（c）インクジェット配線の顕微鏡像、（d）イ
ンクジェット印刷で形成した有機TFTの電極パターン

ンクジェット印刷は、富士フイルム・ダイマテックス製
3 ．まとめのインクジェット装置（マテリアルプリンター）を使用した。調整した銀ナノ粒子をインクジェットカートリッジ

有機半導体デバイスの接触抵抗を低減することを目的に充填し、1plノズルのカートリッジを用いて電極を印とし、仕事関数制御可能な導電性金属ナノ粒子インクの刷した。吐出圧およびドロップスペースなどを調整する

開発に取り組んだ。PMAを銀ナノ粒子インクに導入し、ことでインクジェット電極を印刷する条件を最適化し印刷形成した電極の仕事関数制御に成功した。引き続き、た。ガラス基板上にメラミン樹脂とポリビニルフェノー

デバイス高性能化に向けた研究を継続する予定である。

ルを混合した熱硬化性の下地層をスピンコート成膜し4 ．謝辞

150℃でベークした。
図 6 にインクジェット印刷した電極の表面形状と顕微本研究を遂行するにあたり、ご支援くださいました公鏡像を示した。インクジェット印刷した電極表面は、

益財団法人松籟科学技術振興財団に心より感謝申し上げ

50nm以 下 の 凹 凸 で 非 常 に 平 滑 な 表 面 で あ っ た（ 図 6

ます。本研究は、山形大学工学部の時任・熊木・関根研（b））
。図 6（c）（d）から分かるように、非常に精密な配究室で実施したものです。共同研究者である修士課程の線パターンが描画できており、印刷適正も兼ね備えた銀学生に感謝申し上げます。

ナノ粒子インクを調整することができた。本研究では、
5 ．参考文献

有機TFTなどの有機デバイスに適用した結果まで調査することができなかったが、引き続き研究を進め、有機［ 1 ］M. Kurihara et al., J. Nanosci. Nanotechnol. 9, 461（2009）

デバイスに本研究で開発した銀ナノ粒子インクを適用し、デバイス特性の改善につなげたいと考えている。

［ 2 ］S. Ohisa, J. Kido, et al., Inorganic Chemistry. 4, 57,
1950-1957（2018）.

― 74 ―

申請者

九州大学

関根

康平

有機機能性材料の創製を指向した含ケイ素π共役系分子の高効率的合成手法の開発
九州大学

1 ．研究の背景と目的

先導物質化学研究所

関根康平であるといえる。

ケイ素は炭素に比べて原子半径が大きい、電気陰性度

含ケイ素環状化合物の従来の合成法は主に 3 つあるが小さい、価電子軌道のエネルギーが高いといった特徴（図 2 ）：（a）ケイ素架橋分子を基質とする環化反応、（b）をもつ。これらの違いが、分子の性質に影響を与える。

Si-H結合をもつ基質に対する分子内C-H結合シリル化反例えば、ケイ素を含む 5 員環化合物であるシロール環（図応、（c）ハロゲン化合物から調製する有機リチウム試薬と1 左上）では、ケイ素上にある環外の 2 つのσ*軌道とブジクロロシランとの反応。これらの反応では、ハロゲンタジエン部分のπ*軌道との軌道相互作用が、LUMO準基やケイ素基などの官能基を予め基質に導入する必要

位の低下をもたらす 。2,5-ジピリジルシロール誘導体はや、複雑な基質を合成する必要があるという課題がある。

有機EL素子の電子輸送剤として高い性能を示すため、

本研究では、新しい含ケイ素環状化合物の創製につながケイ素化学のみならず応用物理の分野からも注目されてる合成手法の開発を目指した。

1

いる2。さらに、2,3,4,5-テトラアリールシロール誘導体
が固体状態で強い蛍光特性をもつこと（図 1 右）3や、爆2 ．実験結果発性があるニトロ芳香族化合物のポリ（1,1-シロール）を

これまでに、ビアリール化合物に対する連続的なシラ用いたセンシング4など興味深い現象が報告されている。

フリーデル・クラフツ反応により、シラフルオレンや含ケイ素架橋ビアリール構造をもつシラフルオレン（ジ

ケイ素 6 員環化合物が合成できることを報告した6。今ベンゾシロール）も、近年では有機EL用発光材料、ホス回、本反応系が、含ケイ素 7 員環化合物であるトリベン

ト材料、有機薄膜トランジスタ材料、さらには有機薄膜

ゾシレピンが得られるか検討した7。

太陽電池用色素など、さまざまな有機エレクトロニクス

ホウ素触媒
（B
（C6F5）3）存在下、テルフェニルとジフェ

材料の主要骨格として注目されている（図 1 左下）。また、ニルヒドロシランをクロロベンゼン溶媒中、100 ℃で反6 員環ケイ素化合物も有機ELとして期待されている熱応させたところ、対応するシレピン誘導体が収率80％で活性化遅延蛍光（TADF）
材料として、近年、重要な研究対象となっている5。含ケイ素環状化合物がこのような性質をもつことから、有機機能性材料の設計指針のひとつとして、π電子共役系をケイ素で架橋することが有効

図1

図2― 75 ―

図3

図4

図5

得られた（図 3 ）本手法は、アミノ基をもつ様々なテルフェニル化合物とジヒドロシランに対して適用可能であり、従来法では合成困難である高度に修飾された含ケイ素環状化合物も合成可能である。
ジエチルシランとの反応で得られる化合物を1H NMR

図6（25 ℃）により解析したところ、二つのエチル基のプロトンはそれぞれ独立に観測され、H2（δ= 0.45）がH3（δ~ 1.3）よりも高磁場側にあらわれることがわかった。こ化条件ではシリル基の脱離が観測された。そこで、紫外

れは、25 ℃ではH2とH3が異なる環境にあり、芳香環の光照射によるπ拡張を試みたが、望みの化合物は得られ

環電流効果による遮蔽のため一方のプロトンが高磁場シなかった。ケイ素を含む化合物を効率よくπ拡張できる

フトしたものだと考えられる。また、温度可変1H NMR

反応条件を見出すことが、今後の課題である。
一方、図 7 のシレピンに対しては、Scholl反応が進行により、100 ℃でもH2とH3が異なるシグナルとして観し、シリル基の脱離を伴うことなく、π拡張された化合測されることを確認した。
ペンタアリール化合物の場合には、一挙に 4 つの炭素物が高収率で得られた。

−ケイ素結合が形成し、双方向にシレピン部位をもつ化

連続的なフリーデル・クラフツ反応に基づいて、芳香合物が収率85%で得られた（図 5 ）。単結晶X線構造解析

族炭化水素化合物のフルオレンを効率的に得る手法も開により、 2 つのケイ素が中心のベンゼン環に対して反対発した。メルドラム酸誘導体が連続的なフリーデル・ク側に位置しているトランス体が得られていることがわ

ラフツ反応に対して適切な反応剤であることを明らかにかった。

8した（図 8 ）。

トリベンゾシレピンに対して、アミノ基を基点とする

最近では、遷移金属触媒を用いた含ケイ素 5 ～ 8 員環芳香環の導入およびπ拡張により、湾曲構造をもつ分子を有するユニークな化合物群の合成手法の開発に取り組（図 6 ）
を合成できると期待した。まず、パラジウム触媒

み、一定の研究成果が得られている9。

によるカップリング反応によりビアリール部位を導入した。つづいて、Scholl反応によりπ拡張を試みたが、酸― 76 ―

申しあげます。本研究は、九州大学先導物質化学研究所
國信研究室で行われたものです。國信洋一郎教授ならびに本研究に関わるみなさまに感謝いたします。
5 ．参考文献（1）S. Yamaguchi, K. Tamao, Bull. Chem. Soc. Jpn.
1996,69,2327–2334.
（2）M.Uchida,T.Nakano,S.Yamaguchi,K.Tamao,K.
Furukawa,Chem. Mater.2001,13,2680–2683.
（3）（a）
 S.Tabatake,S.Naka,H.Okada,H.Onnagawa,
M. Uchida, T. Nakano, K. Furukawa, Jpn. J. Appl.
Phys.2002,41,6582–6585.（b）J.Luo,J.Xie,W.Y.
Lam,L.Cheng,C.Chen,H.Qiu,S.Kwok,X.Zhan,
Y.Liu,D.Zhu,B.Z.Tang,Chem. Commun.2001,
図7

1740–1741.
（4）H. Sohn, M. J. Sailor, D. Magde, W. C. Trogler, J.
Am. Chem. Soc.2003,125,3821–3830.
（5）（a）
 J.W.Sun,J.Y.Baek,K.-H.Kim,C.-K.Moon,J.-H.
Lee,S.-K.Kwon,Y.-H.Kim,J.-J.Kim,Chem. Mater.
2015, 27, 6675−6681.（b）Z. Jing, D. Dongxue, W.
Ying,X.Hui,Adv Optical Mater.2016,4,522−528.
（c）K. Matuo, T. Yasuda, Chem. Sci. 2019, 10,10687–10697.
（6）（a）
 Y.Dong,Y.Takata,Y.Yoshigoe,K.Sekine,Y.

図8

Kuninobu,Chem. Commun.2019,55,13303–13306.
（b） Y. Dong, M. Sakai, K. Fuji, K. Sekine, Y.

3 ．まとめKuninobu, Beilstein J. Org. Chem. 2020, 16, 409–414.

本研究では、連続的なシラフリーデル・クラフツ反応
により、含ケイ素 7 員環化合物であるトリベンゾシレピ（7）Y.Dong,K.Sekine,Y.Kuninobu Chem. Commun.
2021,57,7007–7010.

ンが得られる反応系の構築に成功した。双方向にシレピ
ン部位をもつ化合物やπ拡張したシレピンの合成にも適（8）Z.Jiang,K.Sekine,Y.Kuninobu,Chem. Commun.
2022,58,843–846.

用できた。今後、得られた含ケイ素環状化合物の構造や（9）藤 和人、関根康平、國信洋一郎、日本化学会第103

特性に着目した研究に展開されることを期待したい。

春季年会、2023年、K404-1am-06.
4 ．謝辞
本研究を遂行するにあたり、多大なご支援をいただいた公益財団法人松籟科学技術振興財団に改めて深く感謝― 77 ―

申請者

静岡大学

藤本

圭佑

七員環構造を有する湾曲型ペリレンジイミド誘導体の開発
静岡大学

工学部化学バイオ工学科

藤本圭佑

1 ．研究の背景と目的
ペリレンジイミド（PDI）は、高い安定性、蛍光特性および電子輸送特性を示す魅力的な機能性材料である［14］。一方で、凝集性が高く有機溶媒への溶解性が著しく低いため、化学修飾や溶液プロセスを経由する応用が困難という課題がある。この課題は従来、長鎖分岐状アル
キル基や立体障害の大きい置換基をイミド基上に導入することによりに解決されてきた（図1a）。また、ベイ位置への置換基導入も溶解性の向上に有効な手法である（図1b）［5-7］。これらの手法は置換基間の立体反発よって凝集を防ぐという原理に基づいているため、固体中における分子間相互作用を阻害する。すなわち、従来のPDI
材料においては、溶解性と分子間相互作用の大きさの間

図 1 ．ペリレンジイミドを溶解させる手法と溶解性-分子間相互作用の相関関係：（a, b）イミド基およびベイ位置への立体障害の導入、（c）分子構造の湾曲化に負の相関が存在する。しかしながら、分子間相互作用
はPDI材料の光物理的特性の制御や高効率な電子輸送にドの合成・構造解析・電子的特性の評価およびバルクヘおいて重要な役割を果たすため［ 8 ］、溶解性と分子間テロ接合型有機太陽電池（BHJ-OPV）デバイスにおける相互作用を両立させることが出来れば、従来のPDI材料

アクセプター材料としての性能評価を行った結果についにはない新しい機能の発現が期待できる。

て報告する。

立体障害に頼らずに溶解性を向上させる手法として
は、分子構造の湾曲化が挙げられる（図1c）。π共役化合2 ．結果と考察

物の湾曲化は、三次元的な分子構造および電子的性質・

2 ．1

湾曲型ペリレンジイミドの合成

構造柔軟性・キラリティーに由来する特性の付与を可能

図 2 に、湾曲型ペリレンジイミドの合成結果をまとめにするため、機能性π共役化合物の設計指針として近年る。はじめに、臭素基を有するペリレンエステル 2 とp-活発に取り入れられている［9-14］。非平面性を導入すクレゾールを出発物質に用い、位置選択的なベイ位置のる代表的な手法は七員環構造の組み込みであり、これに化学修飾法［ 7 ］に従うことにより四置換中間体 6a をより得られる負の曲率を有する化合物は、類似の平面化

四段階、収率81%にて合成した。続いて、テトラエステ

合物と比較して溶解性が飛躍的に向上することが知られ

ル 6a を対応する酸無水物 7a へと変換した後に、2-エている［15-17］。

チルヘキシルアミンと縮合させることによりジイミド

そこで本研究では、溶解性と有効な分子間相互作用を

8a を89%の収率で合成した。最後に、パラジウム触媒向上させた新規PDIとして、周辺に七員環構造であるオを用いた分子内C-H/C-Brカップリング反応を行うこと

キセピン環を組み込んだ「湾曲型ペリレンジイミド」をにより、分子の両側に七員環を構築した湾曲型ペリレン

開発することとした。本稿では、湾曲型ペリレンジイミ

ジイミド 1a を収率 28% にて合成した。また同様の合― 78 ―

図 2 ．湾曲型ペリレンジイミド 1a-1d の合成：（a）p-cresol（for 3a and 5a）or 2-bromo-4-methylphenol（for 3b and 5b）, K2CO3,18-crown-6, N,N-dimethylformamide（DMF）, 100%（3a）, 90%（3b）, 97%（5a）, 85%（5b）；（b）NBS, FeCl3, CH2Cl2, 93%（4a）, 100%（4b）, 90%（6a）, 91%（6b）；（c）p-TsOH・H 2O, toluene；（d）2-ethylhexylamine（for 8a and 8c）,
cyclohexylamine（for 8b）or 2,4,6-trimethylaniline（for 8d）, NMP/propionic acid, 89%（8a）, 89%（8b）, 71%（8c）, 69%, 28%（1a）, 26%（1b）, 66%（1c）, 74%（1d）
；（f）
（8d）
；（e）Pd（OAc）2, PCy3・HBF4, K2CO3, N,N-dimethylacetamide（DMA）
Pd（PPh3）4,（CHO）
n, Cs2CO3, DMF/toluene, 97%.

成経路にて、シクロヘキシルアミンを用いたイミド化を経由することにより 1b を合成した。合成した 1a および 1b は長鎖分岐状アルキル基や嵩高い置換基をもたな
いにもかかわらず、クロロホルムやトルエンなどの一般的な有機溶媒に良好な溶解性（> 10 mg/mL）を示した。
従って、七員環構造の組み込みはPDIの溶解性向上に有効な手法であることが明らかとなった。
以上の合成経路では、最後の環化反応の収率が低いた
め、さらなる合成法の改善を試みた。その結果、2-ブロ
モ-4-メチルフェノールを出発物質に用いて得た前駆体
8c に対してパラジウム触媒を用いたC-H/C-Brカップリ
ング反応を行うことにより収率が66%に改善され、臭素基を有する湾曲型ペリレンジイミド1cが効率よく得られることが明らかとなった。ここで、1cの臭素基はパラジウム触媒を用いた還元反応により97%収率にて 1aへと変換可能であった。さらに、1c 中の臭素原子はさ

図3（．a,b）1b の単結晶X線構造解析と（c,d）1e, 1e’ の最適化構造および相対エネルギーらなる化学変換の起点となることが示唆される。
2 ．2

本合成経路では、イミド化に用いるアミンを変更する

分子構造の解析

ことにより多様なN-置換基を導入することが可能であ湾曲型ペリレンジイミドの分子構造は1bの単結晶X線る。本研究では、湾曲構造の柔軟性を調査する目的で、結晶構造解析により決定した（図3a,b）。七員環の導入に

N-メシチル誘導体1dについても合成を行った。

より、1b は大きくねじれた構造をとっており、両端のベンゼン環が同一面方向に曲がったアーチ状の曲面を持― 79 ―

図 5 ．1a, 1c, 9a のCHCl3 中における紫外可視吸収スペクト
ル（実線）
および発光スペクトル（破線）

図 4 ．1d の（a）ラセミ化反応と活性化自由エネルギー、（b）
1
H NMR に お け る Mea お よ び Meb の 温 度 依 存 性（CDCl3, 400 MHz）

2 ．3

電子的特性

湾曲型ペリレンジイミドの電子的特性を評価するため
紫外可視吸収スペクトルおよび発光スペクトル測定を行った（図 5 ）。1a は平面型PDI 9a と比較して長波長シ

つことが分かった。また、ペリレン部位のねじれの程度フトした吸収および発光スペクトルを示し、1a のストーを表すベイ位置の二面角は 22°であった。

クスシフト（917 cm–1）は平面型PDI 9a（284 cm–1）
よりも続いて、単純化したモデル化合物 1e に対する密度汎大きな値を示した。これらはPDIのベイ位置に置換基を関数理論（DFT）計算（B3LYP/6-31G（d）レベル）により、導入したときに見られる典型的な変化であり［20-22］、

分子構造に関する理論的考察を加えた（図3c,d）。その結周辺のアリール基やアリールオキシ基の電子的摂動に由果、結晶構造と同様のC2対称構造が最安定構造として導来すると考えられる。また、ストークスシフトの顕著な出された。また初期構造を変更することにより、両端の増加が見られなかったことから、オキセピンの平面化のベンゼン環が反対方向に曲がったCi対称構造 1e’ の存在

ような構造変化を起こさないと予測された［23］。1a のが予測されたが、Ci対称構造1e’は1eよりも19 kJ/mol高蛍光量子収率（ΦF）は6.2％と小さく、周辺置換基の電子

エネルギーな準安定構造であると計算された。

的摂動や分子振動による消光が示唆された［24, 25］。

溶液中における湾曲構造の柔軟性を明らかにするため

また、臭素基を有する湾曲型ペリレンジイミド1cは、に、1d の H NMRスペクトルにおける温度依存性を調

臭素基を持たない1aと平面型PDI 9aの中間的な光物理査した（図 4 ）。1d はキラリティーを有するS体とR体の的特性を示した。この結果から、臭素基の電子求引性に混合物であり、溶液中でのラセミ化が十分に速い場合によりアリール基がPDI部位へ及ぼす電子的摂動が減少すは二つのメチル基（Mea, Meb）のシグナルが平均化されることが示唆された［20］。

1

た一本のピークとして観測される。測定の結果、メチル

続いて、サイクリックボルタメトリー測定により1a,基のシグナルは常温（293 K）では一本のピークとして観

1cの電子受容性を評価した。1a, 1cの還元電位（Ered）は、測される一方、213 K の低温では二本のピークとして観

フェロセンを基準として –1.13 V および –0.97 V と測定測された。従って、1d は常温において速やかに立体反され、LUMO準位はそれぞれ –3.67 eV, –3.83 eVと求め転を起こす柔軟性を有しており、その活性化自由エネル

られた。これらの値は平面型PDI 9a（-3.62 eV）よりもやギー（ΔG ）は 54.7 kJ/molと算出された［18,19］。このや小さく、π電子系の拡張によって還元されやすくなっ立体反転は両側のオキセピン環の反転とみなすことがでていることが分かった。また、1aと1cの間には臭素基

き、片側のオキセピン環が反転した 1e’ 型のCi対称構造の電子求引性に起因した有意な電位差が確認された。

を経由して、
二段階の機構で進行することが予測される。

従って、湾曲型ペリレンジイミドの電子的特性は周辺置‡換基によって制御可能であり、臭素基のさらなる変換によって材料性能の制御が期待できる。

― 80 ―

表1

それぞれのアクセプターを用いた最適化デバイスにおける光電変換特性

acceptor

JSC［mA/cm2］ VOC［V］ FF［%］ PCE［%］

1a

7.23

0.813

46.9

2.76

1b

6.31

0.760

43.5

2.09

1c

4.74

0.756

48.2

1.73

9b

4.04

0.752

34.0

1.03

クセプターとするデバイスにおいて最大2.76％のPCE値を示した。また、1a と 1c の間には臭素基の有無によるVOCの差が見られたことから、アクセプターのLUMO
準位を通したデバイス性能の制御が可能であることが示唆された。
最後に、光電変換効率向上の原因を調査するため、デバイスに対する各種測定を行った。JSC値の光強度依存性を調査したところ、1a-1c は 9b と比較して光強度の
図6（．a）デバイス構造、（b）PTB7-Thの構造、（c）疑似太陽2
光（AM 1.5 G, 100 mW/cm ）照射下における電流密度電圧曲線増加に伴うJSCの損失が小さいことから、二分子電荷再結合が大幅に抑制されていることが明らかとなった［31］。この結果から、湾曲型ペリレンジイミドを用いたデバイスにおけるキャリア輸送性の向上が示唆される。

2 ．4

光電変換特性

また、1a と 1b の薄膜状態における吸収スペクトルを

湾曲型ペリレンジイミド1a-1c の光電変換デバイスへ測定したところ、吸収極大波長はそれぞれ561 nmおよの応用を検討した。PDIは代表的なBHJ-OPV用アクセ

び557 nmであり、CHCl3中（548 nm）と比較して、薄膜プター材料であり、高性能なアクセプターを目指した誘化による長波長シフトが確認された。これは、薄膜中に導体開発が活発に研究されている［26-30］。一方で、おける明確な分子間相互作用の存在を示し、円滑な電子

PDIアクセプターのほとんどは立体反発によって溶解性輸送に有効な固体構造をとっていることが予測される。

を向上させているため、湾曲型ペリレンジイミド 1a-1c

さらに、二次元微小角入射X線回折測定の結果から、1aは立体反発に頼っていない点で独自性が高い。本研究でが高い結晶性とエッジオン配向を示すことが明らかとはITO/ポ リ エ チ レ ン イ ミ ン/バ ル ク ヘ テ ロ 接 合 層/なった。

MoO3/Agという逆構造の太陽電池デバイスを作製した

以上の結果より、湾曲型ペリレンジイミドは高い結晶（図6a）。光電変換層はドナーである PTB7-Th（図6b）と性、有効な分子間相互作用、円滑なキャリア輸送などに

PDIアクセプターを重量比 1 ： 2 で含むCHCl3溶液のス基づいた光電変換効率向上を示すことが示唆された。こピンコートにて作製した。また、スピンコートの際にはの傾向は特に 1a において強く、より立体障害の小さい

1,8-ジヨードオクタン（DIO）の添加効果についても検討

第一級アルキル基を導入することの有用性を示す結果でした。それぞれのアクセプターを用いた最適化デバイスある。

の疑似太陽光（AM 1.5 G, 100 mW/cm2）
照射下における
3 ．結論

電流密度-電圧（J-V）曲線と光電変換特性を示すパラメー
ターを図6cおよび表 1 に示す。湾曲型ペリレンジイミド

本研究では、立体障害に頼らずに溶解性を向上させる

1a-1c を用いたデバイスは平面型PDI 9b を用いたデバという新しい設計指針のもと、七員環構造を周辺に組みイスと比較して、高い短絡電流密度（JSC）、開放端電圧

込んだ湾曲型ペリレンジイミド 1a-1d を開発し、その（VOC）、および曲線因子（FF）示し、光電変換効率（PCE）

構造解析・電子的特性の評価およびBHJ-OPVにおけるが向上することが明らかとなった。なかでも、1a をアアクセプター材料としての性能評価を行った。湾曲型ペ― 81 ―

85, 285–293.

リレンジイミドは、立体障害を導入していないにも関わらず十分高い溶解性を示し、BHJ-OPVデバイスにおい［ 8 ］V. Coropceanu, J. Cornil, D. A. S. Filho, Y. Olivier,て平面型PDIよりも高性能なアクセプターとして機能す

R. Silbey, J.-L. Brédas, Chem. Rev. 2007, 107,

ることが分かった。また、デバイスに対する各種測定か

926–952.

ら、イミド基への立体障害の小さい置換基の導入が、光［ 9 ］T. Kawase, H. Kurata, Chem. Rev. 2006, 106,
5250–5273.

電変換に適したバルクヘテロ接合層の形成に有効である
ことが示唆された。これに加え、湾曲型ペリレンジイミ［10］M. Rickhaus, M. Mayor, M. Juríček, Chem. Soc.
Rev. 2017, 46, 1643–1660.

ドはイミド基上の置換基や周辺臭素基の変換により、多様な誘導体開発が可能である。したがって、将来のアク［11］Y. Shen, C.-F. Chen, Chem. Rev. 2012, 112, 1463–
1535.

セプター材料の開発において、曲げて溶かすという戦略
は高いデバイス性能を実現するために有用であると期待［12］S. Higashibayashi, H. Sakurai, Chem. Lett. 2011,
40, 122–128.

される。

［13］G. Povie, Y. Segawa, T. Nishihara, Y. Miyauchi, K.
4 ．謝辞

Itami, Science 2017, 356, 172–175.

本研究を遂行するにあたり、ご支援を賜りました公益［14］S. H. Pun, Q. Miao, Acc. Chem. Res. 2018, 51,
1630–1642.

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（K. Fujimoto, S.

［15］J. Luo, X. Xu, R. Mao, Q. Miao, J. Am. Chem. Soc.
2012, 134, 13796–13803

Izawa, A. Takahashi, T. Inuzuka, K. Sanada, M.
Sakamoto, Y. Nakayama, M. Hiramoto, M. Takahashi,［16］N. Fukui, T. Kim, D. Kim, A. Osuka, J. Am.
Chem. Soc. 2017, 139, 9075–9088.

“Curved Perylene Diimides Fused with SevenMembered Rings”, Chem. Asian J. 2021, 16, 690–695.）［17］S. H. Pun, Y. Wang, M. Chu, C. K. Chan, Y. Li, Z.

の共著者として共同研究に携わってくださった皆様に心Liu, Q. Miao, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 9680−

より感謝を申し上げます。

9686.
［18］P. Osswald, F. Würthner, J. Am. Chem. Soc.

5 ．参考文献

2007, 129, 14319–14326.

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Morpurgo, Adv. Mater. 2012, 24, 503–508.

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［ 3 ］Y. Zhao, Y. Guo, Y. Liu, Adv. Mater. 2013, 25,［21］Y. Wang, H. Chen, H. Wu, X. Li, Y. Weng, J. Am.
Chem. Soc. 2009, 131, 30–31.

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［25］K. Nagarajan, A. R. Mallia, V. S. Reddy, M.

Hiramoto, M. Takahashi, ChemPlusChem 2020,

Hariharan, J. Phys. Chem. C 2016, 120, 8443–― 82 ―

8450.

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［26］C. Li, H. Wonneberger, Adv. Mater. 2012, 24, 613–

［29］K. Fujimoto, M. Takahashi, S. Izawa, M. Hiramoto,Materials 2020, 13, 2148.

636.
［27］G. Zhang, J. Zhao, P. C. Y. Chow, K. Jiang, J.

［30］J. Wang, X. Zhan, Acc. Chem. Res. 2021, 54, 132–

Zhang, Z. Zhu, J. Zhang, F. Huang, H. Yan, Chem.
Rev. 2018, 118, 3447–3507.

143.
［31］P. Schilinsky, C. Waldauf, C. J. Brabec, Appl.

［28］Y.-Q. Pan, G.-Y. Sun, ChemSusChem 2019, 12,― 83 ―

Phys. Lett. 2002, 81, 3885–3887.

申請者

名古屋大学

福井

識人

硫黄の脱離を分子設計の鍵とするn型有機半導体の可溶性前駆体の開発と有機薄膜太陽電池への応用
名古屋大学

1 ．はじめに大学院工学研究科

福井識人

一方、近年、有機薄膜太陽電池の分野では非フラーレ

有機半導体は有機発光ダイオードや有機薄膜太陽電池

ン系n型有機半導体の開発が目覚ましく、光電変換効率といった次世代電子デバイスの要である［ 1 ］。有機半が飛躍的に向上した。そのため現在では、非フラーレン

導体は無機半導体と比べてフレキシビリティーに優れる

系n型有機半導体の開発には基礎学術分野のみならず産だけでなく、溶液プロセスによる成膜が可能であるとい業界からも高い注目が寄せられている。非フラーレン系

う利点を持つ。特に後者の特徴をインクジェットプリン

n型有機半導体の代表例としてペリレンビスイミドを基トと組み合わせれば、デバイスの低価格化と大面積化に本骨格とする非平面π共役分子群が挙げられる［ 4 ］。

繋がる。しかし、一般に優れた半導体特性を示す有機分

ただし、非フラーレン系n型有機半導体の開発に関して子は剛直な平面構造を有し、溶解性が低いため、それそは依然として克服すべき課題がある。一般的に有機半導のものを溶液プロセスに適用することは困難である。

体の移動度の向上には分子どうしの近接による電荷移動

可溶性前駆体とは、有機溶媒に対して優れた溶解性を積分の向上が不可欠である。しかし、非平面分子どうし示しつつ、光や熱といった外部刺激により有機半導体分は互いに接近しづらいため、分子間相互作用が弱く、高子へと変換できる化合物を指す（図 1 ）［2］。これを活用い電荷移動度の実現には本質的には適さない。光電変換

すれば、従来では真空蒸着法を必要とする有機半導体薄素子における電荷移動度の低下は電荷の再結合を促進

膜を溶液プロセスにより成膜することが可能となる。申し、変換効率を低下させる。したがって、非平面分子を請者は最近、独自に開発した「硫黄挿入型ペリレンビス
イミド」（化合物 1 および 2 ）に光や熱を加えると、硫黄が脱離し、代表的なn型有機半導体であるペリレンビス
イミドへと変化することを明らかにした（図 2 ）［ 3 ］。これまでp型有機半導体に対しては数多くの可溶性前駆体が開発されてきたが、n型有機半導体の可溶性前駆体は申請者の例を含めてごくわずかである。

図 1 ．可溶性前駆体を用いた有機半導体薄膜の作製

図 2 （a）．
  硫黄挿入型ペリレンビスイミドの合成と硫黄脱離反応（b）硫黄挿入型ペリレンビスイミドの構造― 84 ―

アクセプター材料として用いる限り、光電変換効率の向ミドを用いた高性能な有機薄膜太陽電池の作製を実現す

上には限界があると言わざるを得ない。

るための基盤技術として、硫黄挿入型ペリレンビスイミ
ドの多様性志向型新規合成経路の開発と、高性能なn型

2 ．研究の狙いと解決すべき課題

半導体層を与える条件の最適化を実施した［ 5 ］。

上述の背景をもとに、申請者は硫黄挿入型ペリレンビ
2 ．多様性志向型新規合成経路の開発

スイミドとp型半導体を均質に混合した後に硫黄脱離反
応を起こすことで、「ドナーとアクセプターの分子レベ新たに開発した合成経路を図 4 に示す。市販のアセナ

ルでの均質な混合」と「優れた電荷移動度の実現」の両

フテン 4 を出発原料とし、段階的な臭素化と塩素化に立を達成すれば、高性能な有機薄膜太陽電池を作製でき

よって、5-ブロモ-6-クロロアセナフテン 6 を得た。化合るのではないかと着想した。ただし、この目標を実現す

物 6 に対して、臭素-リチウム交換反応とそれに続くホるためには克服すべき課題が複数ある（図 3 ）。先行研究

ウ酸トリメチルの反応により、ブロモ基をボリル基に変で開発した硫黄挿入型ペリレンビスイミド 1 の合成経路換した化合物 7 を収率68%で得た。化合物 6 と 7 の鈴木は、全 8 工程の分子変換を必要とする上、総収率は1.2%-宮浦クロスカップリング反応により6,6’-ジクロロ-5,5’-ビと低かった。さらにスケールアップが困難で、一度で最アセナフチル 8 を収率63%で得た。化合物 8 に対して、

大76 mgの目的物を合成することが精一杯であった。ま二クロム酸ナトリウムを作用させたところ、アセナフテ

た、この合成経路ではイミド窒素上の置換基を合成経路

ン部位がナフタル酸無水物へと変化した化合物 9 を収率の中間段階で行わなければならない。一般的にペリレン93%で得た。得られた化合物 9 に対して、硫化ナトリウ

ビスイミドのイミド窒素上の置換基は固体中での分子配ムを作用させ、芳香族求核置換反応を行ったところ、硫向とそれに基づく電気伝達特性に著しい影響を与えるこ

黄挿入型ペリレンテトラカルボン酸無水物10を得た。化

とを考慮すると、合成の最終段階でイミド窒素上の置換合物10は溶解性が低かったため、精製は行わず、そのま基を導入できた方が、素子の最適化を効率的に実施する

まオクチルアミンを作用させたところ、目的のオクチル上で有望である。さらには、申請者の先行研究では電界

置換硫黄挿入型ペリレンビスイミド1aが 2 段階収率55%

効果トランジスタの作成に際して、スルホキシド挿入体で得た。この合成経路はスケールアップが可能で、現在2 の熱変換しか検討しておらず、スルフィド挿入体 1 をのところ最大1.4 gの化合物1aを一度に合成することに用いた場合や、光変換を行なった場合にどのような電気成功している。
開発した合成経路では最終段階でイミド基を導入す

伝達特性が実現するか不明であった。
以上を背景に本研究では、硫黄挿入型ペリレンビスイ

る。そこで導入できるイミド窒素上の置換基を調査した（図 5 ）。各種第 1 級アルキルアミンは、枝分かれやアリー
ル基の存在に関わらず、エタノール中80度で効率的に反応し、対応する生成物（化合物1b–1j）を収率43–53%で与えた。特にメチル基のような嵩の小さな置換基を過去の合成経路で導入しようとした場合、中間体の溶解性が低
く、最終生成物に至らなかった可能が高い。このことは新規合成経路の有用性を支持している。また、2,2,3,3,4,4,4ヘプタフルオロブチル基のような電子求引性の置換基が導 入 さ れ た 類 縁 体1kも 良 好 な 収 率 で 合 成 で き た。
2,2,3,3,4,4,4-ヘプタフルオロブチル基を有するペリレンビ
スイミドは大気安定かつ高い移動度を示すn型有機半導体として機能することが知られているため、対応する可溶性前駆体が合成できたことは特筆に値する［ 6 ］。さ

図 3 ．先行研究の標的分子合成における課題

らに、第 2 級アルキル基や嵩高いメシチル基が導入され― 85 ―

図 4 ．新たに開発した合成経路

図 6 ．スルホキシド体の合成

ロホルム中での溶解度を調べたところ、それぞれ40, 33,4.7,35,<0.1および20gL–1であった
3 ．イミド上置換基が素子特性に及ぼす影響

図 5 ．イミド化における基質適用範囲

4 つのスルホキシド体（エチル置換体2d、ヘプチル置た化合物1lおよび 1 mも合成できた。一方、第 3 級アル換体2f、デシル置換体 2 gならびに2,2,3,3,4,4,4-ヘプタフ

キル基や電子不足なアリール基であるペンタフルオロ

ルオロブチル2k）の熱による硫黄脱離反応を調査した。

フェニル基は導入できなかった。

それぞれの化合物の熱重量分析の結果を図 7 に示す。いスルホキシド体 2 の合成を行なった（図 6 ）。スルフィ

ずれも180–220度付近で硫黄脱離反応に由来する重量減

ド体1d、1e、1f、 1 gならびに1kに対してm-クロロ過安少を示した。このことから置換基の違いが変換温度に及息香酸を作用させたところそれぞれに対応するスルホキ

ぼす影響は小さいことがわかった。

シド体2d、2e、2f、 2 gならびに2kが収率81–91%で得ら

オクチル置換スルフィド体1aと各種スルホキシド体

れた。フェネチル置換体1jを用いた場合は、対応するス（エチル置換体2d、ヘプチル置換体2f、デシル置換体 2 g

ルホキシド体2jの溶解性の低さのため、収率が42%に低ならびに2,2,3,3,4,4,4-ヘプタフルオロブチル2k）の可溶性下した。得られた化合物2a,2b,2d,2f,2jおよび2kのクロ前駆体としての利用を検討した。いずれもクロロホルム― 86 ―

図 9 ．化合物2aの光変換を利用して作成した電界効果トラン
ジスタの伝達特性

図 7 ．熱重量分析の結果を形成することが知られている［ 7 ］。このことは化合物2aの熱変換後に発生したペリレンビスイミドは液晶層を形成することを示しており、この液晶化が分子の再配向を促し、電気伝達に適した分子配向を実現したものだと解釈できる。
最後にスルホキシド体2aおよび2kの光変換による素子作製を行なった。残念ながら化合物2kの光変換によって得られた素子は電界効果トランジスタとして機能しなかった。一方、化合物2aの光変換によって得られた素子は電界効果トランジスタとして機能し、移動度8.4×
10–2 cm2 V–1 s–1のn型有機半導体として作動した。しか
図8．
（a–c）熱変換後の偏光顕微鏡画像と（d）2kの熱変換後の原子間力顕微鏡像

し、この移動度は熱変換によって与えられた素子の移動度4.1×10–1 cm2 V–1 s–1を下回っている。X線回折測定か
らは、光変換後の薄膜の方が熱変換後の薄膜よりも分子に溶解させた後、スピンコート法による薄膜作製を行間距離が長いとともに、距離のばらつきが大きいことがなった。しかし、エチル置換スルホキシド体2dに関し示されている。このことは熱変換後の再配向が優れた移ては溶解性が低いため薄膜を得ることができなかった。

動度の実現に必須であることを示している。

続いて化合物1a、2bならびに2kの薄膜をそれぞれ300度、4 ．まとめ230度および230度で加熱し、ペリレンビスイミドへの変換を実施した。
得られた薄膜を偏光顕微鏡で観察した（図今回申請者は、過去に独自に開発したペリレンビスイ

8）。化合物1aと2b由来の薄膜の場合、結晶性の領域がミドの可溶性前駆体である硫黄挿入型ペリレンビスイミ

それぞれ点在している様子が見てとれた。化合物2k由来

ドの多様性志向型の新規合成法を開発した。この手法をの薄膜の場合は全体が結晶に覆われているものの、依然用いることで、12種類の類縁体を系統的に合成することとして幾つかの空隙が存在していた。また、原子間力顕ができた。また、大スケール化も可能で、標的分子をグ

微鏡（AFM）測定を実施すると、高さ18 nmのまだら模

ラムスケールで合成できるようになった。さらに申請者様が見てとれた。この結果、得られた薄膜に金電極を蒸は得られた類縁体を用いて、硫黄挿入型ペリレンビスイ

着させ、電界効果トランジスタを作製したものの、残念

ミドをペリレンビスイミドの可溶性前駆体として利用すながら伝達特性を示さなかった。

る上での最適条件を探索した。その結果、オクチル基の上述の結果は熱変換による素子作製ではオクチル基のような長鎖アルキル基をイミド窒素上に有するスルホキ

ような長鎖アルキル基を有するスルホキシド挿入体が最シド体の熱変換が優れた移動度の実現に効果的であるこ

適であることを示している。ヘプチル基のような長鎖アとがわかった。今後は得られた知見を活かして、高性能

ルキル基を有するペリレンビスイミドは245度で液晶層な太陽電池素子の作製を進める予定である。

― 87 ―

5 ．謝辞135, 6724–6746；c）M. Watanabe, K.-Y. Chen, Y. J.

本研究にご支援を賜りました公益財団法人松籟科学技

Chang, T. J. Chow, Acc. Chem. Res. 2013, 46,

術振興財団に深く感謝申し上げます。また、研究遂行に

1606–1615； d）J. Freudenberg, D. Jänsch, F.

あたりまして数多くの助言を下さった忍久保洋教授、実Hinkel, U. H. F. Bunz, Chem. Rev. 2018, 118, 5598–

際の研究を進めてくれた田中勇輝氏、電界効果トランジ

5689.

スタ素子の作製を進めてくださった共同研究者である山3 ．S. Hayakawa, K. Matsuo, H. Yamada, N. Fukui, H.
Shinokubo, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 11663.

田容子教授と松尾恭平助教に深く感謝いたします。

4 ．a）D. Meng, D. Sun, C. Zhong, T. Liu, B. Fan, L.
6 ．参考文献

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5 ．Y. Tanaka, K. Matsuo, H. Yamada, N. Fukui, H.

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7 ．C. W. Struijk, A. B. Sieval, J. E. J. Dakhorst, M. van
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Appleton, L. Fang, Z. Bao, J. Am. Chem. Soc. 2013,

Chem. Soc. 2000, 122, 11057–11066.

― 88 ―

申請者

千葉大学

森山

克彦

ハロゲンの酸化を利用した含酸素ヘテロ環化合物の合成を基盤とする機能性物質の創製
千葉大学

大学院理学研究院

森山克彦

1 ．はじめに
近年、有機合成化学は、金属触媒反応や不斉合成などの高度な分子変換法の確立により、飛躍的な進歩を成し遂げている。そして、これらの反応は有機材料や医薬品開発において重要な役割を担っている。最近では、次世代に繋がる有機合成化学の一つとして機能性有機分子化合物の創製研究が必要不可欠となっている。特に、含酸

図 1 ．ハロゲンの酸化を駆使した官能基置換含酸素ヘテロ環化合物の創製2 ．臭化物イオンの酸化を利用した含酸素ヘテロ環化合

素ヘテロ環化合物は多岐にわたる機能性分子として優れ物の合成た骨格であり、シンプルな含酸素ヘテロ環化合物の合成法は確立されている。しかし、複数の官能基を持つ複雑多置換テトラヒドロフラン骨格を有する化合物には、な含酸素ヘテロ環化合物の効率的な合成法は挑戦的な課

特有の生物活性を示すものが多く存在する1）。我々はこ題である。一方、現代社会において、グリーンケミカル

れまでに、臭化物イオンの酸化による連続的かつ化学選

プロセス（環境調和型合成プロセス）は、実用的合成法の択的官能基化の開発を検討し、アルケニル臭化物（1）と確立の一環として注目を集めている。例えば、有機合成

アルデヒド（2）からの臭素移動型酸化的ブロモ−エーテ

において、希少金属の利用、試薬のコスト、毒性及び安ル化反応を見出した2）。この反応は、アルケニル臭化物

全性が考慮された反応開発は重要な研究課題である。海の炭素—臭素結合をマグネシウムで切断することで、ア

洋国家である日本において、入手容易なハロゲンを駆使

ルケニルマグネシウム臭化物を調整し、アルデヒドとした有機反応の開発は、日本の特徴を活かした有機合成

Grignard反応することでアルコールが得られる。通常

化学を世界に発信することができる重要な課題である。

はここで、アルコールのみを精製し、残りの無機塩（臭特に、臭素やヨウ素は重金属の性質に類似していること

化マグネシウム等）は廃棄される。しかし、申請者の発から、重金属代用型反応試材として利用することができ明したハロゲンの酸化法を利用することで、廃棄されるる。また、これら元素は必須元素として、人類の生存の臭化物を再利用することができ、タンデム型ブロモ—ために重要な役割を持っており、特に、負電荷を有するエーテル化反応が進行し、目的の1,4-二置換テトラヒド

ハロゲンの酸化は生体内の生合成に関わる重要なプロセ

ロフラン誘導体（3）を高収率で得ることができる（図 2 ）。

スとして知られている。そこで、申請者は、天然資源の

今回、新たな1,2-二置換テトラヒドロフラン誘導体の直接的な利用及び生体反応模倣型反応を志向した分子変合成法の確立を目的として、臭化物イオンの酸化を利用換反応として、ハロゲンの酸化を基盤とした革新的官能

した新規臭素移動型連続的結合形成反応の開発に着目し基化反応による新規含酸素ヘテロ環化合物の開発に着目た。この1,2-二置換テトラヒドロフラン骨格は、医薬品

した（図 1 ）。

や生理活性化合物以外にも、核酸に含まれる鍵骨格であり、 こ の 合 成 法 の 確 立 は 有 用 で あ る。 具 体 的 に は、
Wittig反応による炭素−炭素結合形成反応を伴う臭素移― 89 ―

図 2 ．臭化物イオンの酸化を利用した臭素移動型反応

図 4 ．アニリン型超原子価ヨウ素の合成

図 3 ．Wittig反応を利用した酸化的臭素移動型反応

動型連続的結合形成反応を検討した。本反応において反応条件を種々精査した結果、3-ブロモ-1-プロパノール（4）およびトリフェニルホスフィンから調整した（3-ヒドロキシプロピル）トリフェニルホスホニウムブロミド（5）を用いて、n-ブチルリチウム存在下、THF中でアルデヒド
図 5 ．アルキルカルボン酸の直截的ラクトン化反応（6）と作用させると、Wittig反応が進行し、リチウムア
ルケニルアルコキシド（7）を形成させた。その後、酸性条件にすることにより、アルコール（8）へと変換し、酸化合物として、アニリン型超原子価ヨウ素化合物を創製化剤であるOxoneを添加することにより、分子内ブロモし、これを用いた直截的ラクトン化反応を検討した。はエーテル化反応が進行し、目的の2-ブロモ-1-置換テトラ

じめに、アニリン型超原子価ヨウ素化合物の合成を検討

ヒドロフラン（9）を良好な収率で得た（図 3 ）。

した（図 4 ）。2-ヨードアニリン（10）を出発物質として、アシル化またはスルホニル化反応により対応するアミド

3 ．アニリン型超原子価ヨウ素の創製と直截的ラクトン化反応（11）を得た。11をアルキル化することにより、第 3 級アミド（12）を高収率で得た。さらに、12を過ホウ素酸ナト

ラクトンは、含酸素ヘテロ環化合物の一種である環状エステルであり、医薬品や生理活性化合物に含まれる重リウムと酢酸溶液中で作用させることにより、目的のアニリン型超原子価ヨウ素（13）を得た。

要な鍵骨格である3）。このラクトン骨格の構築法につい

次に、合成したアニリン型超原子価ヨウ素化合物（13）て、様々な手法が確立されているが、その中でも不活性を用いて、直截的ラクトン化反応を検討した。アニリン

炭素−水素結合活性化による直截的なラクトン化反応型超原子価ヨウ素及び反応条件を精査した結果、N-メチ

は、原子効率の高い反応として有用である4）。一方、超ル-N-ベンズアミド基を有する（ジアセトキシヨード）ベ

原子価ヨウ素化合物は、重金属の代用型酸化剤として、ンゼン及び臭化水素を用いて、カルボン酸（14）をジクロ幅広く用いられており、この超原子価ヨウ素の創製研究

ロメタン中で、光照射化で反応させたところ、反応は円も盛んに行われている 。今回、新たな超原子価ヨウ素滑に進行し、目的のラクトン（15）を高収率で得た（図 5 ）。

5）― 90 ―

選択性を示した初めての例である。今後は、本結果を基に、エナンチオ選択的反応に有用な光学活性ポリエーテ
ルの創製を検討する。
5 ．謝辞
本研究を実施するにあたり、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致します。本研究は、千葉大学大学院理学研究院科学研究部
門機能物質化学講座精密有機反応化学研究室で実施されたものであり、本研究を献身的に励んでくれた岡ゆかり
さん、西口由菜さんに深く感謝申し上げます。
6 ．参考文献（1）（a）
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 h）H. Makabe, Biosci.

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Biotechnol. Biochem. 2007, 71, 2367–2374；（
 i）N.

含酸素ヘテロ環の合成に基づく機能性物質の創製研究

Li,Z.Shi,Y.Tang,J.Chen,X.Li,Beilstein J. Org.

として、光学活性ポリエーテル化合物の合成を行い、こChem.2008,4,1–62；（j）
 J.L.MacLaughlin,J. Nat.

れを光学活性有機触媒として用いたエナンチオ選択的分

Prod.2008,71,1311–1321；（k）

T.Voelker,H.Xia,

子変換反応に着目した。はじめに光学活性ポリエーテル

K. Fandrick, R. Johnson, A. Janowsky, J. R.

化合物の合成を検討した。我々がこれまでに合成した光

Cashman, Bioorg. Med. Chem. 2009, 17, 2047–

学活性2-ブロモメチル-5-アリールテトラヒドロフラン誘

2068；（l）
 A.Mieczkowski,V.Roy,L.A.Agrofoglio,

6）
導体
（16）
を出発物質とした光学活性エーテル化合物に

Chem. Rev.2010,110,1828–1856；（m）
A.Lorente,

着目し、図 6 に示す様々な光学活性化合物（17–22）を合J. Lamariano-Merketegi, F. Albericio, M. lvarez,

成することに成功した。

Chem. Rev.2013,113,4567–4610.

さらにこれら化合物を不斉触媒とした様々な触媒的不（2）K.Moriyama,C.Nishinohara,H.Togo,Chem. Eur.
J.2016,22,11934-11939.

斉反応を検討した結果、触媒（20）を用いたシクロヘキサノン（23）及びb-ニトロスチレン（24）のエナンチオ選択的（3）（a）
 I.Collins,J. Chem. Soc., Perkin Trans. 11998,

Michael反応において、72：28のジアステレオ選択性及

1869-1888；（
 b）D. M. X. Donnelly, M. J. Meegan,

び22% eeのエナンチオ選択性で目的の生成物（25）を得Comprehensive Heterocyclic Chemistry； A. R.

ることができた（図 7 ）。

Katritzky,Ed.；Pergamon：NewYork,1984；Vol.

精密有機合成において、エーテル基は、反応場を制御

4, p 657-712；（
 c）T. K. Devon, A. I. Scott, Inすることが困難と言われている中、本反応はエナンチオ

Handbook of Naturally Occurring Compounds；

― 91 ―

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Macikenas, E. Skrzypczak-Jankun, J. D.

Ed. 2005, 44, 7127–7131；（f）U. Ladziata, J.

Protasiewicz, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 7164–

Carlson, V. V. Zhdankin, Tetrahedron Lett. 2006,

7165；（b）T. M. Balthazor, J. A. Miles, B. R. Stults,

47, 6301–6304；（g）V. V. Zhdankin, V. N. Nemykin,

J. Org. Chem. 1978, 43, 4538–4540；（c）V. N.

R. R. Karimov, Z. Kazhkenov, Chem. Commun.

Nemykin, A. V. Maskaev, M. R. Geraskina, M. S.

2008, 44, 6131–6133.

Yusubov, V. V. Zhdankin, Inorg. Chem. 2011, 50,（6）A . Tomizuka, K. Moriyama, Adv. Synth. Catal.

11263–11272；（d）V. A. Nikiforov, V. S. Karavan, S.

― 92 ―

2019, 361, 1447-1452.

申請者

岐阜大学

三輪

洋平

自己修復性と自己洗浄性を有する
イオン性シリコーン/TiO2ナノシート複合エラストマーの開発
岐阜大学

三輪

1 ．はじめに工学部

洋平てすら自発的に組み換わる（Fig. 1）4-6）。そのために、室人工物に自己修復性を付与することができれば、実に温での自発的な自己修復性を示す。さらに、このエラス

様々なメリットが期待される 。例えば、製品に生じたトマーでは、カルボキシ基の中和度を減少させることで、傷が自然に消失すれば、その美しい外観が保たれ、商品

そのネットワークの組み換え速度を加速することがで価値を長く維持することができる。また、製品の破損のき、それによって室温での自己修復速度を加速すること原因となる小さな損傷を材料自体が消失させることで、ができる。しかし、その場合、残念ながら、このエラス製品の破損を事前に抑制することができ、製品を使用す

トマーの力学強度は顕著に低下してしまう。我々が得てる上での安心・安全を担保することができるだろう。さいる重要な結論は、この様にイオン成分の凝集のみにらに、その結果、製品の寿命が長くなれば、製品生産上

よって架橋された自己修復性エラストマーでは、迅速な

1）の省エネ・省資源にも効果が期待できるかもしれない。
この様な背景の下、自己修復材料に関する研究が盛んに行われている2）。自己修復性のポリマー材料は、その修復メカニズムなどによっていくつかのカテゴリーに分類されるが、なかでも、加熱したり、UV光を照射したりといった外部刺激を材料に加えなくても、室温で自発的に自己修復するポリマー材料は、メンテナンスフリーという観点から特に有用であると考えられる。
この様な自己修復性ポリマー材料は、一般的には、ガラス転移温度が室温よりも低い柔軟なポリマーを水素結合やイオン結合などの比較的弱い、けれども結合の解離と再形成が可逆的な結合や相互作用を用いて架橋することで得られる3）。この様に得られたポリマー材料は、いわゆるエラストマーとしての性質を示す一方で、そのネットワーク構造は動的な性質を有し、そのために、自発的な自己修復性を示す。一方で、その動的な特性と引き換えに、この様な自己修復性エラストマー材料のほとんどは、残念ながら力学的な強度に乏しい、という弱点がある。
例えば、我々が開発したイオン基どうしの凝集によってポリイソプレン（PI）を物理的に架橋したイオン性PIエ
ラストマー材料は、そのネットワーク構造が室温においFig. 1．イオン基どうしの凝集によって動的に架橋した自己修復性ポリイソプレンエラストマーの化学構造と凝集構造の模式図。また、このエラストマーの室温における自発的な自己修復挙動。

― 93 ―

Fig. 2．幾何構造の異なる 2 種類のイオン性ポリイソプレンをブレンドしたエラストマーの模式図。

こで、ポリマーであるPDMS分子の空間的な広がりのス
ケールは、その分子量に依存して直径が10～20ナノメー
トル程度の球状におおよそ近似できることから、この極小サイズのナノシートを使用することによって、図示した分子スケールでの複合化が可能だと考えられる。TiO2
ナノシートとの複合化によって材料の力学強度の向上が期待され、さらに、このTiO2ナノシートに結合したイオン基は、試料片を切断し、さらに再び接触させた場合
Fig. 3．イオン性PDMS/TiO2ナノコンポジットエラストマーのモデル図。

には、TiO2ナノシートからの一時的な脱離と再結合によって自己修復にも寄与することが期待される。また、TiO2ナノシートの光触媒効果による材料への自己洗浄

自己修復速度と材料の力学強度は二律背反の関係にあ性の付与も期待した。

り、それらの両立は困難である、ということである。
2 ．試料作製

一方で、我々は、幾何異性体の関係にある 2 種類のイ
オン性PIエラストマーをブレンドすることによって、イTiO2ナノシートは岐阜大学の伴隆幸教授から提供さ

オン性PIエラストマー中にごく少量の結晶成分を共存されたものを使用した8）。TiO2ナノシートの組成は、［Ti1.825

せ、自己修復性能を維持したまま、材料の力学強度を顕□0.175O4］0.7−［N（C4H9）4+］0.7である。ここで、□は空孔

7）
著に増加させることに成功した（Fig. 2）
。この材料にをあらわす。また、マイナスに帯電したナノシート表面

おいては、イオン成分の凝集による“すばやく組み換わにテトラブチルアンモニウム（N（C4H9）
が付加してい4）る架橋”と、結晶成分による“補強効果の高い架橋”のる。Fig. 4Aに示した透過型電子顕微鏡像より、TiO2ナ

共存によって、シナジー的な材料設計を実現したと考え

ノシートのサイズがおおよそ 5 ～15nmであることが確られる。

認できる。この、TiO2ナノシートのメタノール溶液（89

以上の背景の下、本研究では、ポリマーに結合したイ

g L−1）を実験に使用した。

オン性の塩化アンモニウム間の凝集によって架橋したポ

ナノコンポジットエラストマーはFig. 4Bに示した手

リジメチルシロキサン（PDMS）を、そのアンモニウム基

順によって合成した。まず、繰り返し構造に対して3.2の一部を負に帯電した酸化チタン（TiO2）ナノシートにmol%の濃度でアミノ基を含有したポリジメチルシロキ

イオン結合させることでTiO2ナノシートと複合化させサンを開環重合によって合成し、さらに、そのアミノ基たナノコンポジットエラストマーを作成した（Fig. 3）。

の 全 て を 塩 酸 に よ っ て 中 和 し た。 こ の 中 和 試 料 を本研究で使用したTiO2ナノシートは岐阜大学の伴隆幸

i-PDMSとよぶ。PDMSを標準試料としたサイズ排除ク

教授によって開発されたものであり、厚みと幅がそれぞ

ロマトグラフィーによって重量平均分子量と多分散指数

れ、わずか 1 ナノメートルと10ナノメートである 。こを求めたところ、それぞれ113,000と5.00であった。この8）― 94 ―

Fig.5．
（A）  各試料の広角X線回折パターン（B）各試料の小角X線散乱パターンと偏光顕微鏡像（C）
 NC-nのモルフォロジーの模式図。

3 ．ナ ノコンポジットエラストマーにおけるTiO 2ナノ
シートのはく離分散
Fig.4．
（A）  TiO2ナノシートの透過型電子顕微鏡像（B）イオ
ン性PDMS/TiO2ナノコンポジットエラストマーの合成経路（C）NC-4の外観写真。

Fig. 5Aに示すように、広角X線回折によってTiO2ナ
ノシートの乾燥物を測定したところ、鋭い回折ピークが観察された。これは、ナノシートの積層構造に由来する

i-PDMSとTiO 2ナ ノ シ ー ト を 任 意 の 割 合 でTHF/メ タ

ものである。一方で、NC-nについて同様の測定を行っノール（ 2 / 1 ）の溶液中で混合し、さらに35℃で溶媒をたところ、TiO2ナノシートの積層構造に由来する回折除去して約0.5mmの厚みを持ったシート状の試料を得が完全に消失した。これは、例えばFig. 3に図示したよた。この操作によって、TiO 2ナノシート表面のテトラ

うに、TiO2ナノシートがポリマーマトリックス中ではブチルアンモニウムとポリマーに付加している塩化アン

く離して分散しているためだと考えられる。さらに、モニウムの間でのイオン交換をとおして、TiO2ナノシー

Fig. 5Bに示した小角X線散乱の結果より、NC-nにおいトへのポリマーの付加をおこなった。この試料はさらにて散乱ベクトルq が約0.2 nm−1にピークを持つブロード

35℃で24時間以上真空乾燥をおこなった。得られたナノな散乱が観察された。この散乱はi-PDMSでは観察され

コ ン ポ ジ ッ ト エ ラ ス ト マ ー 試 料 をNC-n（nはTiO2ナ ノないことから、はく離したTiO2ナノシートどうしの干シートの重量パーセントを表す）とする。例えば、NC-4

渉に由来するものだと考えられる。また、偏光顕微鏡観はFig. 4Cに示すように優れた透明性を示す。このこと

察において、これらNC-nではi-PDMSとは対照的に明視

は、TiO2ナノシートが凝集することなく、エラストマー

野が観察され、複屈折性を持つことが示された（Fig.

中で分散していることを示唆している。

5B）。以上の結果より、Fig.5Cに図示したように、ポリマーマトリックス中でTiO2ナノシートははく離し、さらにある程度配向して分散していることがわかった。

― 95 ―

Fig. 6．
（A）各試料の一軸延伸における応力−ひずみ曲線（B）
i-PDMSとNC-2の室温におけるクリープ挙動の比較。

Fig. 7．
（A）NC-4の自己修復挙動（B）室温で24時間自己修復させたNC-4の応力−ひずみ曲線。

を反映しているのかも知れないが、今のところ原因は分
4 ．ナノコンポジットエラストマーの力学特性と自己修復性

かっていない。また、TiO2ナノシートの補強効果は、クリープ試験においても明らかである（Fig. 6B）
。すな

Fig. 6Aに各試料の室温での一軸延伸試験における応わち、TiO2ナノシートの添加によって応力印加下での力−ひずみ曲線を示す。まず、i-PDMSにおいては、延ひずみが抑制され、また、除荷後の残留ひずみの大きな伸に伴う応力の増加がほとんど観察されなかった。この低下が観察された。

ことは、i-PDMSにおけるイオン基どうしの凝集が弱い

続いて、ナノコンポジットエラストマーの自己修復性

ために、実質的に架橋点として作用していないためだとについて評価した。Fig. 7Aに示すように、ナノコンポ

考えられる。一方で、NC-nでは、いずれの試料においジットエラストマーのシートをカミソリで切断し、傷口ても、ひずみの増加に伴って顕著な応力の増加が観察さどうしを接触させたところ、室温においても傷口どうしれた。この様な挙動は、エラストマー試料に特有の挙動の接合が観察された。自己修復性能をより詳細に評価すであり、PDMSのアンモニウム基がTiO2ナノシートに付るために、切断後、室温で傷口どうしを24時間接触させ加することで物理的な架橋点として作用していることをたNC-4について、未切断の試料片との力学強度の比較示している。NC-nにおいてTiO2ナノシートの含有量増を行った（Fig. 7B）。試料の靭性の回復度から評価した

加に従って、破断ひずみと破断応力は、それぞれ減少と自己修復効率は24 ± 7 %であった。この値は、一般的増加を示した。これは、TiO2ナノシートの増加に従って、な自己修復性エラストマーとしては特段特筆すべきもの

物理的な架橋点が増加するためであり、妥当な結果であではなく、さらなる研究の余地があると考えられる。まるといえる。一方で、延伸初期の線形領域における応力

た、このエラストマーの紫外光照射下における防汚効果増加の傾きは、試料のヤング率に相当する。この傾きは、についても評価を行ったが、残念ながら、顕著な効果は

TiO2ナノシートの含有量の増加に従って単調に増加す

観察されなかった。

るのではなく、NC-2において最も大きくなり、NC-3、
5 ．まとめNC-4では、TiO2ナノシートの増加に従って、むしろ傾きの減少が観察された。この興味深い挙動は、もしかし本研究では、TiO2ナノシートとイオン性PDMSとの分たら試料中におけるTiO2ナノシートの分散状態の違い

子スケールでの複合化による新規な自己修復性エラスト― 96 ―

2 ．自己修復材料、 自己組織化、 形状記憶材料の開発

マーの開発を行い、TiO2ナノシートが分子スケールでと応用事例，東京，情報技術協会（2020）.

分散した透明なナノコンポジットエラストマーの作成に

3 ．Y. Yang, M. W. Urban, Chem. Soc. Rev. 42, 7446

成功した。TiO2ナノシートに付加したアンモニウム基（2013）.

が物理的な架橋点として作用するために、TiO2ナノシー

4 ．Y. Miwa, J. Kurachi, Y. Kohbara, S. Kutsumizu,

トの導入によってエラストマーの力学強度が顕著に増加

Commun. Chem. 1, 5（2018）.

した。また、このエラストマーは室温での自発的な自己5 ．Y. Miwa, J. Kurachi, Y. Sugino, T. Udagawa, S.

修復性を示すことがわかった。

Kutsumizu Soft Matter 16, 3384（2020）.
6 ．謝辞

6 ．Y. Miwa, K. Hasegawa, T. Udagawa, Y. Shinke, S.
Kutsumizu Phys. Chem. Chem. Phys. 24, 17042

本研究の遂行にあたり多大なご支援を頂きました公益（2022）.

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。

7 ．Y. Miwa, M. Yamada, Y. Shinke, S. Kutsumizu,
7 ．参考文献

Polym. Chem. 11, 6549（2020）.
8 ．T. Ban, T. Nakagawa, Y. Ohya, Cryst. Growth &1 ．新谷紀雄，最新の自己修復材料と実用例，東京，シー

Des. 15, 1801（2015）.

エムシー出版（2010）.

― 97 ―

申請者

名古屋大学

小山

剛史

電荷ドーピングによるグラフェンの発光制御
名古屋大学

1 ．背景と目的

大学院工学研究科

小山

剛史

研究から、グラフェンの発光の強度や減衰を制御するにグラフェンを含むグラファイト薄膜を用いた発光素子

は、発光帯域の電子分布の緩和レートや電子系から格子の研究開発が広く行われている。いわゆる発光ダイオー

系へのエネルギー移動レートを制御すればよいという理ドの原理に基づく素子について、p型n型にキャリアドー

解に達した。

プされたグラフェンとグラフェン活性層を組み合わせた

この制御を達成するために、本研究ではキャリアドー

発光ダイオードが研究されている［ 1 ］。グラフェンのピングに注目した。単層グラフェンでは円錐状の伝導帯

電子状態を工夫した発光ダイオードの研究として、半還および価電子帯が頂点で交わっている。電荷中性状態に元状態のグラフェンを用いた発光素子に関する研究があ

おいては、この交点（ディラック点）にフェルミエネル

る［ 2 ］。この研究では、ゲート電圧で半還元状態のグ

ギーが位置する。そのため、フェルミエネルギー近傍のラフェンのフェルミ準位を制御し、発光に関わる局在準電子状態密度は非常に小さな値をもつ。一方、電子ドー位を変え、発光波長を制御している。最近では、
グラフェ

ピング
（正孔ドーピング）を施された単層グラフェンでンにパルス状の電圧を印加して生じる熱輻射を用いたパは、フェルミエネルギーが伝導帯内（価電子帯内）に位置

ルス状発光素子が報告されている［3,4］。この素子は、し、フェルミエネルギー近傍の電子状態密度が電荷中性

グラフェンの電子分散関係に起因した高速な電子緩和を状態のそれと比べて増加する。これにより電子間散乱や活用しており、熱輻射であるにも関わらず、10ギガヘル

電子格子散乱での遷移先の状態密度が増加するため、電ツ帯域（時間領域では、逆数の100ピコ秒以下）で動作す

子分布の緩和レートや電子系から格子系へのエネルギーることが示された。

移動レートの増加が期待される。さらに、電界ドーピン

一方、申請者はカーボンナノチューブおよびグラフェ

グや電気化学ドーピングの手法を用いると、ゲート電圧

ンにフェムト秒レーザーパルスを照射し、可視光から近の調節によって可逆的に電荷ドーピング量を制御するこ

赤外光領域の光学応答を調べている［5,6,7,8］。特にこのとが可能であり、発光の強度や減衰の可逆的制御が期待数年間、グラフェンの発光特性、特に時間変化についてされる。本研究の目的は、単層グラフェンに正孔ドーピ

理解を深めてきた。例えば、SiCの熱分解によって得らングを施し、発光強度および減衰の振る舞いを調べるこれるグラフェンの発光を観測し、グラフェンの電子（キャとである。

リア）と格子振動の相互作用、そして基板の格子振動との相互作用を介して電子冷却が起こること、さらに、こ2 ．実験と結果の冷却によって発光が数百フェムト秒（ 1 フェムト秒

名古屋大学教授の岸田英夫氏の技術をもとに、グラ=10 秒）程度で減衰することを示した［ 9 ］。発光強度

フェンにゲート電圧を印加して電荷ドーピングを行う素が高いグラフェンを探索し、基板の格子振動との相互作

子［11］を作製し発光を調べた［12］。作製した素子は用が軽減され得る二層グラフェンに注目し、SiCの熱分プラナー型ドーピングセルである（図 1 ）。SiO2ガラス基

解によって得られる二層グラフェンの発光を観測した板（11 mm x 15 mm）の 上 に イ ン ジ ウ ム ス ズ 酸 化 物［10］。単層グラフェンと比べて、層数は 2 倍であるが、（ITO）のゲート電極を横配置した。その一方に、九州大

発光強度は10倍以上となることを明らかにした。一連の学教授の吾郷浩樹氏、吾郷グループの河原憲治氏に単層-15― 98 ―

図 1 ．本 研 究 で 作 製 し た 電 荷 ド ー ピ ン グ 素 子（Reprinted
from［12］,withthepermissionofAIPPublishing.）

グラフェン（3 mm x 4 mm）を転写していただいた。このグラフェンおよびゲート電極を覆うように、高分子と混合しゲル化したイオン液体（イオンゲル）をスピンコーテ ィ ン グ し た。 用 い た イ オ ン 液 体 は1-ethyl-3methylimidazolium bis（trifluoromethylsulfonyl）imidである。
ラマン散乱スペクトルからグラフェンのフェルミエネ
ルギーを評価できることが知られている［13］。本研究でもラマン散乱測定を行い、グラフェンのフェルミエネ

図 2 ．単 層グラフェンの発光減衰（光子エネルギー0.90 eV）のフェルミエネルギー依存（Reprinted from［12］,
withthepermissionofAIPPublishing.）

ルギーを調べた。作製した試料ではゲート電圧を-1.8 Vから+1.2Vの範囲で調整することによって、グラフェンのフェルミエネルギー（エネルギー原点をディラック点とした）を+40meVから-560meVの間で制御可能である
ことがわかった。
フェムト秒時間領域の発光測定を周波数アップコン
バージョン法に基づいて行った。使用したレーザー光源
はチタンサファイアレーザーであり、出力パルスの中心
波 長 は800 nm、 時 間 幅 は80 fs、 繰 り 返 し 周 波 数 は82MHzである。本研究では光子エネルギー0.90 eVの発光を観測した。
図 2 は発光減衰のフェルミエネルギー依存である。黒図 3 ．単層グラフェンの発光減衰時定数と最大発光強度（光子 エ ネ ル ギ ー0.90 eV）の フ ェ ル ミ エ ネ ル ギ ー 依 存（Reprinted from［12］, with the permission of AIP
Publishing.）

丸が実験結果であり、どのフェルミエネルギーであっても励起後400フェムト秒程度で発光強度はほぼ 0 に減衰して誤差の範囲で単調に減少しており、フェルミエネル

しており、電子分布の高速な緩和が起こっていることがギーが+40 meV、-440 meVのときの減衰時定数はそれわかる。詳細にみると、フェルミエネルギーの絶対値のぞれ120フェムト秒、65フェムト秒である。この時定数増加に対して発光減衰は高速化している。単一指数関数の減少は背景で述べたように理解できる。すなわち、
フェと装置関数を畳み込んだ関数でフィッティング解析した

ルミエネルギーの絶対値の増加により、フェルミエネル

結果が図 2 の赤線であり、得られた減衰時定数を図 3 に

ギー近傍の電子状態密度が増加する。これにより電子間白抜き丸で示す。減衰時定数はフェルミエネルギーに対散乱や電子格子散乱での遷移先の状態密度が増加するた― 99 ―

め、電子分布の緩和レートや電子系から格子系へのエネ

5 ．参考文献［ 1 ］グラフェン発光素子及びその製造方法, 特許第ルギー移動レートが増加したと理解できる。

5904734号.

さて、減衰時定数だけでなく最大発光強度もフェルミ
エネルギーに依存することがわかる。最大発光強度の［ 2 ］X. Wang, H. Tian, M. A. Mohammad, C. Li, C. Wu,

フェルミエネルギー依存を図 3 の黒丸で示す。フェルミ

Y. Yang, and T.-L. Ren, A spectrally tunable all-

エネルギーが+40 meVから-440 meVに変わると、最大graphene-based flexible field-effect light-emitting

発光強度がおよそ10倍に増加している。発光過程におけ

device, Nat. Commun. 6, 7767（2015）.

る電子の遷移先の正孔分布がドーピングによって増加す［ 3 ］Y. Miyoshi, Y. Fukazawa, Y. Amasaka, R.

るため、発光の確率が上昇すること［14］が原因である

Reckmann, T. Yokoi, K. Ishida, K. Kawahara, H.

と現時点では解釈している。正孔のドーピング濃度がさ

Ago, and H. Maki, High-speed and on-chip

らに増し、フェルミエネルギーが-500meV、-560meVとgraphene blackbody emitters for optical

なると、最大発光強度は減少する。発光減衰時定数が60

communications by remote heat transfer, Nat.

フェムト秒、
55フェムト秒となり減少していることから、

Commun. 9, 1279（2018）.

有限の時間幅をもつ励起パルスがグラフェンに吸収され［ 4 ］Y. D. Kim, Y. Gao, R.-J. Shiue, L. Wang, O. B.

ている間にも電子分布の緩和が起こり、0.90eV発光の強Aslan, M.-H. Bae, H. Kim, D. Seo, H.-J. Choi, S. H.

度減少が起こるため、最大発光強度が減っていると定性

Kim, A. Nemilentsau, T. Low, C. Tan, D. K.

的に説明される。

Efetov, T. Taniguchi, K. Watanabe, K. L. Shepard,
T. F. Heinz, D. Englund, and J. Hone, Ultrafast

3 ．まとめgraphene light emitters, Nano Lett. 18, 934（2018）.

本研究では単層グラフェンを対象として、イオンゲルを用いた電荷ドーピング素子を作製し、フェムト秒発光［ 5 ］T. Koyama, Y. Miyata, Y. Asada, H. Shinohara, H.

のフェルミエネルギー依存を調べた。その結果、フェル

Kataura, and A. Nakamura, Bright luminescence

ミエネルギーを 0 から-440meVに変化させることによっand exciton energy transfer in polymer-wrappedて最大発光強度がおよそ10倍変化し、発光減衰時定数がsingle-walled carbon nanotube bundles, J. Phys.

およそ 1 / 2 となった。
電荷ドーピングによってグラフェ

Chem. Lett. 1, 3243（2010）.

ンの発光強度および減衰が制御可能であることが本研究［ 6 ］T. Koyama, K. Asaka, N. Hikosaka, H. Kishida, Y.

によって示された。今後の課題は発光強度変化の起源に

Saito, and A. Nakamura, Ultrafast exciton energy

ついて明らかにすることである。この課題を達成するたtransfer in bundles of single-walled carbon

めに、異なる光子エネルギーの発光の観測が挙げられる。

nanotubes, J. Phys. Chem. Lett. 2, 127（2011）.

時間分解発光スペクトルのフェルミエネルギー依存を測［ 7 ］T. Koyama, Y. Asada, N. Hikosaka, Y. Miyata, H.

定し、キャリアドーピングによる発光強度変化の理解をShinohara, and A. Nakamura, Ultrafast exciton

進めていきたい。

energy transfer between nanoscale coaxial
cylinders： Intertube transfer and luminescence

4 ．謝辞

quenching in double-walled carbon nanotubes,
ACS Nano 5, 5881（2011）.

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、ここに厚く御礼［ 8 ］T. Koyama, Y. Ito, K. Yoshida, M. Tsuji, H. Ago, H.

申し上げます。また、犬飼大樹、河原憲治、吾郷浩樹、Kishida, and A. Nakamura, Near-infrared

岸田英夫、各氏との共同研究です。ここに記して感謝を

photoluminescence in the femtosecond time

申し上げます。

region in monolayer graphene on SiO2, ACS Nano
7, 2335（2013）.
［ 9 ］H. Imaeda, T. Koyama, H. Kishida, K. Kawahara, H.

― 100 ―

Ago, R. Sakakibara, W. Norimatsu, T. Terasawa, J.

Fano resonance effects in Raman scattering, J.

Bao, and M. Kusunoki, Acceleration of

Phys. Chem. C 124, 26428（2020）.

photocarrier relaxation in graphene achieved by［12］D. Inukai, T. Koyama, K. Kawahara, H. Ago, and H.

epitaxial growth： Ultrafast photoluminescence

Kishida, Fermi energy dependence of ultrafast

decay of monolayer graphene on SiC, J. Phys.

photoluminescence from graphene, J. Appl. Phys.

Chem. C 122, 19273（2018）.

132, 134301（2022）.

［10］K. Saito, T. Koishi, J. Bao, W. Norimatsu, M.

［13］犬飼大樹，岸田英夫，ラマン分光スペクトルデー

Kusunoki, H Kishida, and T. Koyama,

タ解析事例集，第 7 章

第7節

単層グラフェン

Photoluminescence enhancement exceeding 10-のラマン分光スペクトル，238-243頁（技術情報協

fold from graphene via an additional layer：

会，2022年）.

Photoluminescence from monolayer and bilayer［14］C.-F. Chen, C.-H. Park, B. W. Boudouris, J. Horng, B.

graphene epitaxially grown on SiC, J. Phys.

Geng, C. Girit, A. Zettl, M. F. Crommie, R. A.

Chem. C 125, 11014（2021）.

Segalman, S. G. Louie, and F. Wang, Controlling［11］D. Inukai, T. Koyama, K. Kawahara, H. Ago, and H.
Kishida, Electronic states of electrochemically
doped single-layer graphene probed through― 101 ―

inelastic light scattering quantum pathways ingraphene, Nature 471, 617（2011）.

申請者

東京工業大学鷹谷絢

有機典型元素ハイブリッド化合物の光骨格転位反応を起点とする
酸／塩基応答性発光材料の開発
東京工業大学

1 ．研究背景と目的

理学院化学系鷹谷

絢

リン原子上置換基を持つ基質で円滑に進行し、対応する骨格内にホウ素原子を組み込んだパイ共役系化合物

ホスホニウム-ボラート化合物 2 が高収率で得られるこは、ホウ素の空のp軌道に起因してユニークな光物性やとがわかった。また、ホウ素とリンのリンカー部位とし酸化還元特性、外部刺激応答性を示すことから機能性分ては、ベンゼン環だけでなくナフタレン環やチオフェン

子として利用価値が高い。特に、ホウ素とルイス塩基性環も適用可能である。本反応は、入手容易なホスフィン

原子（酸素や窒素など）を別々にコアとなるパイ共役系骨−ボラン化合物 1 から、中性条件下、光照射のみでルイス

格内に導入したルイス酸／ルイス塩基ハイブリッド型パ酸／ルイス塩基ハイブリッド型パイ共役系分子前駆体とイ共役系分子は、酸点、塩基点両方の性質と反応性を兼して有望な1,4-ホスファボリン化合物を簡便に合成できね備えた機能性分子として極めて有望であるが、その研る新手法として合成化学的有用性が高い 1。

究例は限られていた。本申請課題では、入手容易なホウ素／ルイス塩基複合化合物の光骨格転位反応を開発する
ことで、様々なルイス酸／ルイス塩基ハイブリッド型パイ共役系化合物の効率的合成法を確立することを目的に研究を行った。また、得られたハイブリッド型パイ共役系化合物の反応性についても検討し、ホウ素とルイス塩
基点の化学反応性を活かした合成中間体や機能性材料としての機能開拓を目指した。
2 ．結果
ホウ素／ルイス塩基複合化合物として、（o-ジメシチル
ボリルフェニル）ジシクロヘキシルホスフィン1aを用い、その光反応性を調査した。その結果、1aに対して
365 nmの光照射を行うと、メシチル基のオルト位sp 3炭素–sp 2炭素結合にホウ素が挿入する骨格転位反応が進行
し、1,4-ホスファボリン骨格をもつホスホニウム-ボラー
ト化合物2aが高収率で生成することを見出した（図 1 ）。
2aは空気中でも安定な双性イオン化合物であり、PTLC
による単離精製が可能である。本反応は、遷移金属を用いること無く、ひずみのない不活性sp2炭素–sp3炭素を形式的にホウ素で切断した分子変換として大変興味深い。基質一般性について検討した結果、本反応は様々な― 102 ―

図 1 ．sp3C–sp2C結合の切断を伴う光骨格転位反応

反応機構について知見を得るべく、（o-ボリルフェニ

反応機構に関する知見を得るべく、メトキシ基のp-位ル）ジフェニルホスフィン1bをモデル基質として用いてにフッ素を持つエーテル体 5 を用いて反応を行ったとこ

DFT計算を行った。その結果、1bが光励起されて生じろ、メシチル基のo-位メチル基上にm-フルオロフェニル

る三重項状態Aが鍵活性種となり、リン原子からホウ素基を持つボリン酸 6 が生成することがわかった（図 4 ）。

のイプソ位炭素への分子内環化とホウ素の転位が起こる

この結果は、ホウ素が置換したイプソ位炭素C2がメシことで、ボラノルカラジエン中間体Bが生成することがチル基上に転位したことを示唆している。本反応の想定示唆された（図 2 ）。この三重項状態について調べると、反応機構を以下に示す。光照射により生じたエーテル体

リンとホウ素上にスピンが局在化したビラジカル様の性の励起三重項状態において、メトキシ基のイプソ位炭素質を持つことが明らかとなった。この三重項状態から、がメシチル基のo-位メチル基上の水素を引き抜くことでC–B結合の切断によりシクロヘキサジエニルアニオン中

ビラジカルAが発生し、これがラジカルカップリングを間体Cが生じ、芳香化を駆動力とするメチル基のホウ素起こすことでボラサイクルBが生成する。その後、ホウへの転位が進行することで、生成物であるホスホニウム

素によるメトキシ基の活性化と脱離による芳香化を経て-ボラート2bが生成するものと考えられる。原料1bからボリン酸エステルならびにボリン酸 4 となる。すなわち、ボラノルカラジエン中間体Bへの変換は光励起を必要とルイス塩基部位の構造によって、環状オニウム−ボラーする過程、Bから生成物2bへの変換は熱的に進行する過程であり、いずれも今回の反応条件下で十分進行しうることが確認できた。これらの結果は、ホウ素／ルイス塩
基複合化合物の光反応性を初めて明らかにしたものとして大きな意義を持つ。
また、ルイス塩基性部位として様々なヘテロ原子をもつホウ素／ルイス塩基複合化合物の光反応性を調査した
結果、ホウ素のオルト位にMeO基を持つエーテル体 3に対して光照射を行うと、 2 に対応する環状オニウムボラート化合物は生成せず、加水分解処理後にボリン酸4 が得られることを見出した（図 3 ）。加水分解前には、対応するボリン酸メチルエステルが生成しているものと考えている。これは、 3 のホウ素上のo-アニシル基がメシチレンのo-位メチル基上に転位し、なおかつsp 2C-O結図 3 ．C–H/C–O/C–B結合の切断を伴う光骨格転位反応

合が切断された新しい形式の光骨格転位反応（C–H/C–O/C–B結合切断を伴う骨格転位反応）である 2。

図 2 ．想定反応機構

図 4 ．反応機構に関する検討― 103 ―

トとなる場合と、C–H/C–O/C–B結合切断骨格転位を起性結合変換反応の開発と機能性分子創出へと展開していこす場合とで、反応経路が劇的に変化することを明らか

きたい。

にした。
4 ．謝辞
3 ．まとめ

本研究を遂行するにあたり、多大なご支援を賜りましホウ素／ルイス塩基複合化合物の光反応性について広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く検討した結果、ルイス塩基性部位や構造の違いによりげます。本研究は東京工業大学理学院化学系で行われた様々な光骨格転位反応を起こし、炭素−炭素結合の切断ものであり、共同研究者の岩澤伸治教授と学生の皆様に反応や、C–H/C–O/C–B結合の連続切断反応など、熱的感謝申し上げます。

反応では不可能な不活性結合切断反応を実現できることを明らかにした。またこれらの反応により、ホウ素とル

5 ．参考文献

イス塩基性原子を別々にコアとなるパイ共役系骨格内に1 ）P hoto-Promoted Skeletal Rearrangement of

導入したルイス酸／ルイス塩基ハイブリッド型パイ共役

Phosphine-Borane Frustrated Lewis Pairs

系分子の前駆体として、1,4-ホスファボリン骨格を有す

Involving Cleavage of Unstrained C–C σ–Bonds,

るホスホニウム−ボラート化合物を簡便に合成できるこ

T. Ito, N. Iwasawa and J. Takaya, Angew. Chem.,とを見出した。これらの化合物は、機能性発光材料としInt. Ed., 2020, 59, 11913.

て有望であると考えられる。本研究は、これまでほとん2 ）P hoto-Promoted Skeletal Rearrangement of

ど未開拓だったホウ素／ルイス塩基複合化合物の光反応

o-Anisyldimesitylborane Involving C–H/C–O/C–B

性を明らかにし、有機合成ならびに機能性分子開発におBond Cleavage., K. Hirai, Y. Homma, T. Ito, N.

ける有望性と実用性を初めて実証したものとして意義深Iwasawa, J. Takaya, Chem. Lett., 2022, 51, 570–573.

い。本研究で得られた知見に基づき、今後も様々な不活― 104 ―

申請者

広島大学

今任

景一

熱不可逆・光可逆性の蛍光メカノプローブの開発
広島大学

1 ．はじめに

大学院先進理工系科学研究科

今任景一

発を目的とした（図 1 ）。

軽量で加工性に優れ、強度も大幅に向上した高分子材
料は、最近では自動車や航空機の燃料を削減する構造材

2 ．分子設計料としての利用も進められ、今後も持続可能な低炭素社

これまでのMPは、力の認識や検出などの全ての機能会の実現に向けて、用途拡大と需要増加が期待される。

を 1 つの分子が担っており、そのため各機能を十分に発しかし、概念提唱から約100年と歴史の浅い高分子材料

揮できず、得られる情報を複雑にしていた。例えば、室の破壊・疲労・劣化現象の理解は十分でなく、機構解明

温逆反応や副反応が進行したり、視覚的な変化が小さいによる耐久性・安全性・信頼性の向上は喫緊の課題でああるいは低感度な色調変化のために材料破壊直前の大きる。このような背景から、力に応答して色調や発光特性

な力や歪みしか検出できなかったりした。一方、本MPが変わる分子、メカノプローブ（MP）を高分子鎖中に導は目的の機能に合わせて複数の分子を融合させる新たな入し、分子レベルで材料に生じる力を可視化する方法が分子設計に基づき、各機能を最大化する（図 1 ）。ヒンダー

世界的に研究されてきた1–5）。この方法は、材料破壊前

ドスティッフスチルベン（HSS）は、従来MPのσ結合解に取替や修繕の機会を生み、事故を未然に防止するだけ

離よりも弱いπ結合解離により異性化し、機能①の「高でなく、破壊・疲労・劣化現象の分子レベルでの機構解

感度な力の認識」を担う。HSSが力で異性化する報告は明にも貢献できる。これまでに、力で室温・光可逆的に7）なかったが、一般的な二重結合6）やアゾベンゼン（AB）

色調が変わるスピロピラン1,2）や力で室温可逆的に色調がが力で異性化するため同様に異性化が期待できた。
また、変わるジアリールビベンゾフラノン3,4）、一度限りの化学

HSSの異性化で解離するペリレンとペリレンジイミド

発光を示すジオキセタン などのMPが見出されてきた。

（PDI）間の電荷移動（CT）相互作用が機能①の「高感度

しかし、これら従来のMPは既存分子の転用であり、機な力の検出」を担う。PDIの蛍光はペリレンとのCT相構解明に必要な機能を持たず、貢献できていなかった。

互作用で消光するが、HSSの異性化でCT相互作用が解

そこで本研究では、高分子材料の破壊・疲労・劣化現

離すると復活する。HSSの異性化（~nN）よりも微小な力象の機構解明に適した機能（①高感度な力の認識・検出、で解離するCT相互作用（~pN）と、高強度（吸光係数・量②熱不可逆性、③光可逆性）を併せ持つ蛍光性MPの開子収率）なPDI蛍光のOFF/ONが高感度検出を可能にす

5）

図 1 ．本研究で開発する新規蛍光性MP― 105 ―

る。 さ ら に、 熱 不 可 逆 だ が 光 可 逆 性（高い異性化率3 ）。アセトニトリル（ACN）溶液中で光定常状態（PSS）~90%）のHSSが機能②の「熱不可逆性」と機能③の「光に達するまで300 nmと405 nmの光を照射した際には、可逆性」を実現する。つまり、②室温不可逆的に力で異E→ZとZ→Eの両方向ともに約90%異性化することが明性化し、③任意の場所・時間で材料物性に影響を与えず

らかとなり、本研究の目的MPに必要な高い異性率を示に蓄積ダメージを光リセットできる。これらの機能は、すことを実証できた。一方、365 nmや385 nmの光を用長期にわたる解析が必要な疲労や劣化において特に有用いた場合は、約60%や80%の異性化に留まった。さらにで、多くの情報を提供する。

ACN溶液中において、ほとんど副反応を起こさずに繰り返し異性化することも確認した。また、Z体の熱異性

3 ．実験・結果・考察

化の速度定数と平衡状態を120～140 °Cについて調べた

まず、本MPの核となるHSSを合成して特性を評価しところ、20 °Cでは異性体間の自由エネルギーに差がほた 。具体的には、両末端にメトキシ基を有するHSS

とんどなく（ΔG = −2.33 kJ mol−1）、活性化自由エネル（HSS-dimethoxy）のE体とZ体の単離し、各異性体の光ギーが非常に大きいため（ΔG‡ = 131 kJ mol−1）、半減物性や光異性化、熱安定性、構造変化を調査した（図 2 ）。

期は約1000年であることを見出した。これは、HSSと同

HSSの母骨格であるスティッフスチルベン（SS）と比較様に光異性化で大きな構造変化を示し、広範な分野で用して、E体とZ体で光吸収帯が大きく分離することがわ

いられている分子スイッチのABの半減期（数時間）と比

かり、これが中心C=C周辺の立体障害による分子構造

較して非常に長い9,10）。さらに、異性化前後の末端C– Cの歪みに起因することが密度汎関数理論（DFT）計算か間距離の変化をDFT計算から調べたところ、HSSはSS

ら明らかになった。E体の溶液に300 nm（0.4 mW cm ）やABよりも大きな値を示した。以上の結果を図 2 にまや365 nm（21.5 mW cm−2）の光を照射するとZ体へと異とめた。HSSは光異性化と熱安定性、構造変化の大きさ

性化し、Z体の溶液に385 nm（22.3 mW cm ）や405 nmの 3 点において極めてバランス良く高いレベルにあり、（19.6 mW cm−2）の光を照射するとE体に異性化した（図SSやABに優る分子スイッチであることが明らかになっ

8）

−2

−2

図 2 ．SSとHSS、ABの異性化前後の構造変化の大きさと熱安定性、光異性化の比較― 106 ―

図 3 ．E-HSS-dimethoxyのACN溶液（2.48 × 10−5 M）に（a, b）300 nmと（c, d）365 nmの光を照射したときのUV/vis吸収スペ
クトルの経時変化と異性体割合の変化、およびZ-HSS-dimethoxyのアセトニトリル溶液（2.48 × 10−5 M）に（e, f）385 nmと（g, h）405 nmの光を照射したときのUV/vis吸収スペクトルの経時変化と異性体割合の変化

図 4 ．合成が完了した各分子

た8）。
続いて、HSSの両端にペリレンとPDIを連結させるた

図 5 ．Z-HSS-diPMAとE-HSS-diPMA

め、Z-HSS-dimethoxyのメトキシ基を脱保護した後、アルキル基を修飾し、両末端を臭素に置換した（図 4 ）。まmg mL−1）溶液中の超音波照射（5.6 W cm−2、 0 –5 °C、た、片末端に水酸基を有するペリレンとPDIの合成にも

1 s on/0.5 s oﬀ）により高分子鎖を介して中央のHSSに成功した。これらを反応させて目的MPの合成を試みた

引 っ 張 る 力 を 加 え た と こ ろ、Z-HSS-diPMAとZ-HSS-

が、現在までに得ることはできていない。今後、反応条

diPMAに405 nmの光を照射してPSSに達した82% E体件を検討する。一方、ペリレンとPDIの混合溶液においではZ体からE体への異性化を確認した（図 6 ）。E-HSS-て、CT相互作用の形成によるPDI由来の蛍光の消失は

diPMAでは超音波を照射してもE体からZ体への異性化

確認することができた。

が見られなかったことから、HSSは期待通り力によって次に、HSSの力に対する応答性を調査した。両末端に原子移動ラジカル重合（ATRP）開始剤を有するE-HSSお

選択的にZ体からE体に異性化することが明らかになった11）。

よびZ-HSSを合成し、ATRPによりアクリル酸メチルを

また、HSSを繰り返し単位とする直鎖状高分子も合成

重 合 す る こ と で 高 分 子 鎖 中 央 に 1 つ だ けEあ る い はし た。 両 末 端 に 1 級 水 酸 基 を 有 す るE-HSSあ る い は

Z-HSSを 有 す る 直 鎖 状 高 分 子Z-HSS-diPMAとE-HSS-

Z-HSSとヘキサメチレンジイソシアネートとの重付加に

diPMAを得た（図 5 ）。テトラヒドロフラン（THF、2.00

よりポリウレタンを、またアジポイルクロリドとの重縮― 107 ―

図6．
（a）Z-HSS-diPMAと（b）405 nmのPSSに超音波（US）を100分間照射したときのUV/vis吸収スペクトルと（c）
1H NMRスペクトル

図 7 ．合成したE-HSSあるいはZ-HSSを繰り返し単位に有す
るポリウレタンとポリエステル

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支合によりポリエステルを得た（図 7 ）。これらの高分子で援により行われた。関係各位に厚く御礼申し上げる。

は、HSSの光異性化により溶液中の分子鎖の広がりが可
逆的に収縮・膨潤するという興味深い現象を見出した。

6 ．参考文献

この現象はHSSの異性化に伴う大きな構造変化に起因し

1）
D. A. Davis, A. Hamilton, J. Yang, L. D. Cremar, D.
V. Gough, S. L. Potisek, M. T. Ong, P. V. Braun, T.

ていると考えられる。

J. Martínez, S. R. White, J. S. Moore, N. R. Sottos,
4 ．まとめNature 2009, 459, 68–72.

本研究では、高分子材料の破壊・疲労・劣化現象の機

2 ）M. Li, Q. Zhang, Y.-N. Zhou, S. Zhu, Prog. Polym.
Sci. 2018, 79, 26–39.

構解明に適した機能（①高感度な力の認識・検出、②熱
不可逆性、③光可逆性）を併せ持つ蛍光性のMPの開発

3 ）K . Imato, A. Irie, T. Kosuge, T. Ohishi, M.

を目指したが、MPの合成までには至らなかった。一方

Nishihara, A. Takahara, H. Otsuka, Angew. Chem.

で、本MPを構成する各ユニットの合成は完了しており、Int. Ed. 2015, 54, 6168–6172.

さらに本MPの核であるHSSが期待通り高い熱安定性と4 ）K. Imato, H. Otsuka, Polymer 2018, 137, 395–413.

高い光異性化率、力に対する選択的な異性化を示すこと

5 ）Y. Chen, A. J. H. Spiering, S. Karthikeyan, G. W. M.

を見出した8,11）。また、HSSをポリウレタンやポリエス

Peters, E. W. Meijer, R. P. Sijbesma, Nat. Chem.

テルに導入し、HSSの光異性化に伴う大きな構造変化が2012, 4, 559–562.

ミクロな溶液構造に影響を及ぼすという興味深い現象を

6 ）W. Huang, Z. Zhu, J. Wen, X. Wang, M. Qin, Y. Cao,
H. Ma, W. Wang, ACS Nano 2017, 11, 194–203.

見出すことができた。

7 ）S . K. Surampudi, H. R. Patel, G. Nagarjuna, D.
Venkataraman, Chem. Commun. 2013, 49, 7519–
7521.

― 108 ―

8 ）K. Imato, A. Sasaki, A. Ishii, T. Hino, N. Kaneda, K.

10）J. Garcia-Amorós, M. Martínez, H. Finkelmann, D.

Ohira, I. Imae, Y. Ooyama, J. Org. Chem. 2022, 87,
15762–15770.

Velasco, J. Phys. Chem. B 2010, 114, 1287–1293.
11）K. Imato, A. Ishii, N. Kaneda, T. Hidaka, A. Sasaki, I.

9）
H. M. D. Bandara, S. C. Burdette, Chem. Soc. Rev.
2012, 41, 1809–1825.

― 109 ―

Imae, Y. Ooyama, JACS Au, accepted.

申請者

千葉大学

山田

豊和

真空表面合成法による有機分子二次元ハニカム格子で実現する
超高密度磁気記憶素子
千葉大学

1 ．はじめに大学院工学研究院

山田豊和

二方向のみを向く。NSで「 1 」、SNで「 0 」の磁石の「超情報社会発展と持続可能社会の両立」

方向で情報が保存できる。

世界で日々やり取りされる情報量は、4G（LTE）社会

情報量が今後増加するということは、資源量と情報保では1 Gbps（10 9 bit/s）、7.2 EB/month（10 18 bites/

存に要する電力が増大し、地球環境は悪化する。情報とmonth）であったものが、5G社会では20 Gbps、50 EB/

環境の両者を両立させ、持続可能社会を実現する一つのmonth（1018 bites/month）にまで増大する。5G社会の発有効な手法が、磁石をさらに微細化する新たな技術の開展に伴い毎年世界を飛び交う情報量は星の数ほどの1021

発である。

（ゼタ）
個まで増える（NTT docomo）。
パソコンやスマホ等の情報端末で交わされる全ての情

2 ．目的・概要

報は二進法の「 1 」と「 0 」に変換され、磁石NS極の本研究では、図 1 に示す、既存の磁石より体積が約向きで記憶されている。図 1 が示すようにデータセン

1 /45の直径約1 nm、厚さ0.4 nm（二原子層分）の規則

ターのハードディスクドライブ（HDD）内には直径約3配列ナノ磁石の開発を、有機分子を用いて挑戦した。

nm（3 × 10-9 m）の強磁性微粒子が敷き詰められている。この微粒子に磁場を印加すると大きさ約20-50 nmの「分子多孔質膜を用いた磁気媒体開発」
既存のCoPt等の記憶磁気媒体開発には、磁性薄膜へ磁区ができる。一軸異方性の磁石を用いることで磁区はの炭素添加法や、溶液による微粒子作製法が用いられてきた［ 1 ］,［ 2 ］。しかしこの既存手法では、直径2 nm
サイズの磁石作製には技術限界が生じる。限界を突破するため、申請者はあえてこれまで用いられたことのない
有機分子を活用し、新たな微小磁石配列化技術の開発に挑戦した。
本研究で活用したのは、近年盛んに研究されてきている「真空表面合成法」である［ 3 ］–［10］。Covalentorganic frameworks （COF） やmetal organic
frameworks（MOF）は、金属基板表面に吸着した単一の前駆体分子が基板表面で他の前駆体分子と結合し、新たな高次元分子構造体が合成できる。概要を図 2 に示す。
アイデアは、炭素原子からなる分子を格子として使い、ナノ多孔質膜を作製する。この多孔質膜の穴の大きさは
図 1 ．超情報社会と持続可能社会の両立に不可欠な磁石微細化

前駆体分子を選択する事で2-5 nmまで制御できる。この多孔質膜に磁性金属を吸着し、吸着した磁性金属が選択― 110 ―

図 2 ．二次元有機分子ハニカムネットワークへの真空磁性原子蒸着によるナノ磁石規則配列パターンの作製

的に穴の中で核形成し成長すれば、ナノ磁石配列ができると考えた［11］,［12］。
3 ．実験手法

図 3 ．真空表面合成法による二次元有機分子ハニカムネット
ワーク作製（1）走査トンネル顕微鏡（STM）
原子分解能を有する自作の超高真空（UHV）STM装置を使用した［11］,［13］–［19］。STM像は全て定電流モーに入れ超高真空内にて加熱した。坩堝温度は坩堝の底にドで測定した。プローブとして化学エッチングしたタン

熱電対を設置して計測した。

グステン（W）探針を真空中で電子衝撃法により2000 K
までフラッシングし酸化膜を除去したW探針［20］、大（4）磁性金属蒸着

気中でのガスバーナーに数秒W線やモリブデン（Mo）線

磁 性 金 属 はUHV蒸 着 器（Omicron EMF3/ 4 ）を 使 用を入れるだけで探針となる手法（炎エッチング［15］,し、フラックス電流値 5.0 nA（2.8 ML/min）で蒸着し［21］）を用いて作製したW探針とMo探針も使用した。

た。蒸着時の基板温度は室温であった。

（2）原子レベルで平坦・清浄な基板

4 ．実験結果

Au（001）とCu（111）単 結 晶 基 板（ 直 径6 mm, MatecK

1,3,5-tris（4-bromopfenyl）benzene（TBB）分子を前駆

99.9999%）
表面を使用した［11］,［12］,［19］。超高真空体として用いた。図 3 にTBB分子の表面合成の概要を内でAr スパッタ（+1.0 kV, 420 nA）と加熱（820 K）サイ示す。前駆体TBB分子は中心にベンゼン環がある。そクルにより, 表面清浄化と平坦化を実施した。

こから三回対称方向にベンゼン環が結合し、終端に臭素+（Br）原子がある。
（3）真空分子昇華

このTBB分子を基板表面に吸着した。単分子レベル

真空中での基板表面への分子昇華は、水晶振動子マイでの吸着制御が必要である。超高真空装置内で基板温度

クロバランス（QCM）を用いてまず昇華速度を計測した。

を室温で吸着した（表面被覆率100%以下）。続けて真空水晶振動子の周波数変化から基板表面への吸着個数を正装置内で加熱した（420 K）。加熱により生じるウルマン

確に見積もり実験を行った［22］。分子粉末を石英坩堝

反応過程は以下である。まず、Br原子が脱離する。Br― 111 ―

が脱離し切れた手を持つ炭素原子は、基板表面を熱拡散する過程で別のTBB分子と衝突する。その際、互いに切れた炭素結合手同士が再度結合し、新たな共有結合が生じる。このウルマン反応が繰り返され、二量体、三量体、四量体とより大きな構造体が形成されていく。六個のTBB分子が共有結合すると、図 3 に示す六角形の分子格子と穴ができる。この六角形が繰り返し結合すると二次元ハニカム格子の多孔質膜となる。
図 3 下部のSTM形状像は、我々が作製した多孔質膜を示す。左図はAu（001）
表面上にTBB分子を吸着し、その後加熱によりウルマン反応させた後の表面形状像である。Au（001）原子テラス上に輝線が連なった格子模様が確認できる。図 3 下部右図は拡大図である。六角形は確認できた。
しかし一方、均一で表面全体（広域）にひろがった多孔図 4 ．分子ハニカム格子へCo蒸着したCu（111）表面のSTM
表面形状像。

質膜を形成する事は極めて困難であることが分かった。
原因は、ウルマン反応の不完全性にある。ウルマン反応

一方で光電子分光の結果からは、コバルト軌道と分子は、前駆体分子の基板表面上の熱拡散に依存している。

軌道の混成は確認されなかった。COFとCoの間には強結果として、六角形だけでなく五角形や七角形もできて

い電子的結合はないことが示唆された。自己組織化膜でしまった。ポストアニール温度調整を行ったが、最大では分子π軌道と磁性3d軌道が強く混成するため、新たも81%までしか六角形に揃えられなかった。これが限界な磁性化合物が生成し、分子規則配列は乱れた。しかし、であった。

COF膜では、分子間共有結合が、π-d結合よりも強いた

また、このウルマン反応は、ステップ等の原子欠陥にめ、COFの電子状態も規則配列も保持できることが分より、表面上の複数個所から同時多発的に成長が始まっかった。ただ、COFの表面エネルギーが磁性金属よりた。そのため、表面上に無数のドメインが発現した。こも低いため、吸着した磁性金属は選択的にCOF下に潜れが、均一な多孔質膜形成を阻害した。さらに、ウルマ

り込む（intercalation）効果が生じたと考える。

ン反応で脱離したBr原子が基板表面に残留することもX
5 ．議論：本研究で浮かび上がった課題

線吸収分光の結果より示唆された。
こ の 狭 域 で 作 製 し たCOF表 面 に 磁 性 金 属Co（ 純 度（1）規則配列化
貴金属表面上での有機分子の規則配列化は、主に強固

99.99%）を超高真空装置内で蒸着した。この表面で得たで平坦性の高いフタロシアニン分子やポルフィリン分子

STM形状像を図 4 に示す［23］。
まず、基板表面上に六角形のCOF模様が確認できた。

を用いて長く研究されてきた［11］。しかし欠点がある。

この結果は、自己組織化膜に磁性金属を吸着した際とは自己組織化膜は、基板と分子の間の弱い結合により、分明瞭に異なる［11］,［12］。つまり、自己組織化膜内の子が基板表面を熱拡散することで実現する。分子間相互

分子間の弱いvan der Waals力よりも強い共有結合を有作用と、分子と基板の間の相互作用のバランスが、分子するCOF膜は、磁性金属吸着でも規則性は乱れないこ

配列を決定する。このため、分子配列の構造は、自然にとを意味する。

任せる要素が大きい。人工的に配列を自在に制御する事

Co原子やCo粒は、COF穴の中に確認できなかった。

は困難である。

代わりに、COF上に輝点（図 4 矢印）や粒が吸着していもう一つの欠点は、室温で、この自己組織化膜は不安た。吸着したCo原子は熱拡散し、穴の中でなくCOFに定な点である。特に膜のヘリでは分子の吸着と脱離が繰トラップされ成長した可能性が示唆される。

り返し生じている［24］,［25］。基板表面全体を最密に― 112 ―

これらの点を踏まえ、COF膜に磁性原子を吸着した

自己組織化膜で埋め尽くせば、分子は動きにくくなり規則配列化できる。そのため、磁性金属原子を吸着すると、際の図 4 の結果は大変意義深い。

自己組織化膜の分子配列は容易に乱れる［11］,［12］。

（i）まず、自己組織化膜と異なり、COF膜は壊れていな

そこで、より強固で安定な分子規則配列化を人工的にい。つまり、分子の規則性は保持されている。磁性作製するために適切と考えたのが、本実験で用いた

金属原子d軌道と分子π軌道の強い混成に伴うCOF

COF膜である。炭素原子間の強固な共有結合が分子の膜の破壊も想定されたが、分子間の共有結合がそれ熱拡散を抑制する。フタロシアニンやポルフィリン分子に勝ることが実証された。
（ii）一方、当初想定したCOF多孔質膜の穴の中での磁性のように単分子として動くこともない。
しかし、規則配列化の観点からは、図 3 に示したよう金属核形成は実現しなかった。磁性金属原子は、基に、六角形以外にも多様な形の構造が、複数の場所で同板表面に均一密度で吸着する。当然、COF穴内にも時多発的に生じることが分かった。加熱温度420 Kでは吸着する。吸着した金属原子は熱拡散する。COF穴

規則配列化は局所的であった。より高温加熱が必要であ内にCo原子のトラップが無いことは、金属原子がる。しかし、より高温での加熱は、ウルマン反応以外の

COF格子をすり抜けてCOF穴外に熱拡散したこと反応も誘起する。例えば、残留Br原子と基板とが反応を示唆する。
（iii）COF穴 内 に はCo原 子 は 見 当 た ら な い。 し か し、し新たな化合物ができれば表面は乱れる。
ウルマン反応を用いて作製したCOF膜は、強固な共COF格子上では輝点が吸着している。また、図 4

有結合を持つが、自己組織化膜に比べ均一化に劣ること

中のCOF上で“Co”と示した丸印はCoが核形成しが分かった。

ていることを示唆する。丸印の領域が高く見えていることも、CoがCu（111）表面上ではbilayer成長（2）広域化することと一致する。

有機分子の自己組織化膜の利点は、分子が自在に基板

つまり、COFの表面エネルギーが磁性金属の表

表面上を移動できる点である。そのため100 nmを超え

面エネルギーより低いため、磁性金属原子は選択的る大きな分子膜が形成できる。単結晶基板の原子配列をにCOF格子の下に入り込んだと考えられる。入り利用すれば、
一軸に配向した分子膜の作製も可能である。

込んだのちトラップされたCo原子が核となりCoナ
ノ粒が成長したと推測できる。

一方で、COF膜は強い分子間の共有結合を持つが、欠点も浮かび上がってきた：（1）不均一な形状が一定の（iv）一 方で、光電子分光結果から、CoとCOFの電子結割合で存在する事、（2）分子間の共有結合が基板との結合は確認できなかった。COF膜と磁性金属は電子合よりも強いため基板表面による配向制御は困難な事、結合せず、分離して成長したほうがエネルギー的（3）同時多発的に核形成が生じCOFが成長する事、であに安定であることを示唆する。この事実は、Coはる。仮に六角形の規則配列化が成功しても、狭域でしか物理吸着によりCOFにトラップされていることを規則配列化は実現しない事が分かってきた。

意味する。
6 ．議論：解決策（3）磁性金属との混合

上記の課題を踏まえ、図 1 の目的を達成するために現有機分子の自己組織化膜に磁性金属を吸着すると、強い分子π軌道と磁性金属d軌道の混成が生じる［11］,

在実施している課題が以下である。

［24］,［25］。そのため、自己組織化膜は容易に乱れる。
また、多少でも加熱すれば、有機分子の一部の原子が脱（1）規則配列化と広域化

離し磁性金属原子d軌道と新たな結合を生じ磁性化合物

今回の研究から、ウルマン反応を用いたCOF膜では、になりやすい。さらに、一般に、磁性金属は有機物より広域で均一なCOF膜形成は困難であることが判明した。

も高い表面エネルギーを有するため、磁性原子は有機分

広域に均一な規則配列格子を作製するには、自己組織化

子の下に潜り込む傾向にある（intercalation）
［11］
,［12］
。

膜が最善と考える。分子間水素結合をもつ前駆体分子を― 113 ―

用いる。TBB分子の終端をBrからCOOH基に変更する。

謝辞

分子間は共有結合していないため、磁性金属原子を吸着

本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団からのすると規則配列は乱れる。磁石として、磁性原子イオン

研究助成を受けて行われたものであり、ここに厚く御礼をリガンドで囲った有機分子磁石を用いるしかない。有

申し上げます。

機分子磁石を用いた二次元ハニカム磁気格子の開発を目文献指す。

［ 1 ］T. R. Albrechtほか,「Bit Patterned Media at 1
（2）2D MOF の活用

Tdot/in 2 and Beyond」, IEEE Trans. Magn.,

3d遷移金属原子と、磁性原子と結合しやすいようにvol. 49, no. 2, pp. 773–778, 2月 2013, doi： 10.1109/

細工した前駆体分子（N終端）を、同じ基板表面上に共蒸

TMAG.2012.2227303.

着する。すると、磁性原子の価数に応じて、磁性原子周［ 2 ］H. J. Richterほか,「Recording on Bit-Patterned

りの前駆体分子の配位対称性が決まる。これにより規則

Media at Densities of 1 Tb/in$^ 2 $and Beyond」,

配列した二次元ネットワークができる。

IEEE Trans. Magn., vol. 42, no. 10, pp. 2255–2260,

ウルマン反応によるCOFと異なるのは、表面全体の10月 2006, doi：10.1109/TMAG.2006.878392.

広域に自己組織的に均一な膜を形成できる点である。こ［ 3 ］D. Cui, D. F. Perepichka, J. M. MacLeodとF.

れが2D MOFである。COFに比べMOFは基板との結合

Rosei,「Surface-confined single-layer covalentが強い。この表面に磁性金属を蒸着する。磁性金属は、

organic frameworks： design, synthesis and

最初、MOFにトラップされるかもしれないが、MOF内

application」, Chem. Soc. Rev., vol. 49, no. 7, pp.

に は 磁 性 原 子 が ア ン カ ー と し て 入 っ て い る た め、

2020–2038, 2020, doi：10.1039/C9CS00456D.

intercalationは抑制できると思われる。量を増やせば［ 4 ］A. Dasgupta, L. P. Rajukumar, C. Rotella, Y. LeiとMOF多孔質膜の穴の中で磁性金属が成長し、図 1 の目

M. Terrones, 「Covalent three-dimensional

的が達成できると考える。

networks of graphene and carbon nanotubes：
synthesis and environmental applications」, Nano

7 ．まとめToday, vol. 12, pp. 116–135, 2月 2017, doi：

UHV-STM装置を用いて, TBB前駆体分子をAu（001）10.1016/j.nantod.2016.12.011.

およびCu（111）基板表面に吸着した。真空加熱によりウ［ 5 ］B. de la Torreほか,「Non-covalent control of spin-

ルマン反応を起こしCOF六角形多孔質膜を作製した。

state in metal-organic complex by positioning on

この表面に磁性金属コバルト（Co）を吸着した。当初、

N-doped graphene」, Nat. Commun., vol. 9, no. 1, p.

Co原子はCOF多孔質膜の六角形の穴の中で核形成し磁2831, 12月 2018, doi：10.1038/s41467-018-05163-y.

性ナノ粒子が成長すると期待した。しかし、実際は、穴［ 6 ］J. F. Dienstmaierほか, 「Isoreticular Two-の中ではなくCOF格子にトラップされた。COFの低い

Dimensional Covalent Organic Frameworks

表面エネルギーが原因と思われる。

Synthesized by On-Surface Condensation of

一方で、COFとCoはπ-d結合による新たな混成軌道

Diboronic Acids」, ACS Nano, vol. 6, no. 8, pp.

を作らない事が分かった。これが、COF規則配列が磁性原子吸着でも壊れなかった要因である。

7234–7242, 8月 2012, doi：10.1021/nn302363d.
［ 7 ］J. Eichhornほか,「On-Surface Ullmann Coupling：

本研究結果は、ウルマン反応を用いて作製したCOF

The Influence of Kinetic Reaction Parameters onは磁性金属ナノ粒子のテンプレートには不適切であるこ

the Morphology and Quality of Covalentとを示唆した。一方、基板との結合を強めたMOFや、

Networks」, ACS Nano, vol. 8, no. 8, pp. 7880–

より分子間相互作用を強めた自己組織化多孔質膜であれ

7889, 8月 2014, doi：10.1021/nn501567p.

ば、適切なテンプレートになりうる知見を得た。

［ 8 ］L . G r i l l と S . H e c h t , 「 C o v a l e n t o n - s u r f a c epolymerization」, Nat. Chem., vol. 12, no. 2, pp.

― 114 ―

115–130, 2月 2020, doi： 10.1038/s41557-019-0392-

Correlated Lateral Hopping in a 1.4

9.

Monolayer Phase on Cu（111）」, J. Phys. Chem.
Lett., vol. 11, no. 5, pp. 1753–1761, 3月 2020, doi：

［ 9 ］K . S u n ほ か , 「 O n - s u r f a c e s y n t h e s i s o f

10.1021/acs.jpclett.9b03645.

disilabenzene-bridged covalent organic
frameworks」, Nat. Chem., 11月 2022, doi：

× 1.4［17］N. K. M. Nazriq, E. MinamitaniとT. K. Yamada,「CO-tip manipulation using repulsive

10.1038/s41557-022-01071-3.
［10］W. Zhangほ か,「Reconstructed covalent organicinteractions」, Nanotechnology, vol. 29, no. 49, p.

frameworks」, Nature, vol. 604, no. 7904, pp. 72–

495701, 12月 2018, doi：10.1088/1361-6528/aae0df.
［18］N. K. M. Nazriq, P. KrügerとT. Kazu Yamada,79, 4月 2022, doi：10.1038/s41586-022-04443-4.
［11］E. Inami, M. Yamaguchi, R. Nemoto, H. Yorimitsu,「Improving MgO/Fe insulator-metal interface

P. KrügerとT. K. Yamada,「Direct Imaging ofstructure through oxygen-precoating of Fe（0 0Precursor Adcomplex States during Cryogenic-1）」, Appl. Surf. Sci., vol. 618, p. 156628, 5月 2023,

Temperature On-Surface Metalation： Scanningdoi：10.1016/j.apsusc.2023.156628.

Tunneling Microscopy Study on Porphyrin Array［19］R. Nemotoほか,「Well-Ordered Monolayer Growthwith Fe Adsorption at 78.5 K」, J. Phys. Chem. C,

of Crown-Ether Ring Molecules on Cu（111）invol. 124, no. 6, pp. 3621–3631, 2月 2020, doi：

Ultra-High Vacuum： An STM, UPS, and DFT

10.1021/acs.jpcc.9b09795.

Study」, J. Phys. Chem. C, vol. 123, no. 31, pp.
18939–18950, 8月 2019, doi： 10.1021/acs.

［12］Nemoto R., Krüger P., Hosokai T., Horie M., Kera

jpcc.9b03335.

S.とYamada T. K., 「Room-Temperature
Deposition of Cobalt Monolayer on（ 7 × 4 ）［20］T. K. Yamada, T. Abe, N. M. K. NazriqとT.

Crown-Ether Ring Molecular Array： Ultra-High

Irisawa,「Electron-bombarded〈110〉-oriented

Vacuum STM and UPS Study」, Vac. Surf. Sci.,

tungsten tips for stable tunneling electron

vol. 63, no. 9, pp. 465–469, 9月 2020, doi： 10.1380/

emission」, Rev. Sci. Instrum., vol. 87, no. 3, p.

vss.63.465.

033703, 3月 2016, doi：10.1063/1.4943074.

［13］T. K. Yamada,「Single Molecular Spintronics」,［21］T. Yamaguchiほ か,「Fabrication of tungsten tip

Electronic Processes in Organic Electronics, H.

probes within 3 s by using flame etching」, Rev.

Ishii, K. Kudo, T. NakayamaとN. Ueno,

Sci. Instrum., vol. 90, no. 6, p. 063701, 6月 2019,

編,

doi：10.1063/1.5085251.

Springer Series in Materials Science, vol. 209.
Tokyo： Springer Japan, 2015, pp. 403–416. doi：［22］E. Inami, M. Yamaguchi, T. Yamaguchi, M.
ShimasakiとT. K. Yamada,「Controlled Deposition

10.1007/978-4-431-55206-2_18.
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Number of Organic Molecules Using Quartz

crossing drop cast single-layer graphene

Crystal Microbalance Evaluated by Scanning

nanoribbons」, Nanotechnology, vol. 29, no. 31, p.

Tunneling Microscopy Single-Molecule-315705, 8月 2018, doi：10.1088/1361-6528/aac36b.

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［14］T. K. Yamadaほ

analchem.8b01118.

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tip formation in air」, Appl. Surf. Sci., vol. 542, p.

［23］T. K. Yamada, S. Kanazawa, K. FukutaniとS.

148642, 3月 2021, doi： 10.1016/j.

Kera,「Adsorption of 3d transition cobalt atoms

apsusc.2020.148642.

on 2D covalent organic frameworks」.

［16］N. K. M. Nazriq, P. KrügerとT. K. Yamada,［24］T. K. Yamada, Y. Yamagishi, S. Nakashima, Y.

「Carbon Monoxide Stripe Motion Driven by

KitaokaとK. Nakamura, 「Role of π − d― 115 ―

hybridization in a 300-K organic-magnetic［25］E. Inami, M. Shimasaki, H. YorimitsuとT. K.

interface： Metal-free phthalocyanine single

Yamada, 「Room temperature stable film

molecules on a bcc Fe（ 001）whisker」, Phys.

formation of π-conjugated organic molecules on

Rev. B, vol. 94, no. 19, p. 195437, 11月 2016, doi：

3d magnetic substrate」, Sci. Rep., vol. 8, no. 1, p.

10.1103/PhysRevB.94.195437.

353, 12月 2018, doi：10.1038/s41598-017-18605-2.

― 116 ―

申請者

東京工業大学岩橋崇

高性能二次電池を実現する超濃厚電解液界面の機能性要因解明
東京工業大学

物質理工学院

岩橋

崇緒言
電気化学反応場を構築する電気化学界面（電解液/電極
界面； 図 1 ）は電気化学デバイスの機能性を決定づける
重要なナノ領域である。ゆえに、電解液・電極設計による当該界面構造・反応制御は電気化学の最重要課題である。近年、新奇電解液材料群「超濃厚電解液」が高機能な電気化学界面を形成し、高安全・高性能な二次電池の
図 1 ．電気化学反応場の電気化学界面.

実現可能性が示され、注目を集める1）。化学反応に寄与するイオン（反応イオン）に電離する塩を溶媒に高濃度（>3M）溶解した超濃厚電解液（図 2 ； 文献 1 より引用）
は、難燃性・難揮発性を呈し、同時に高い酸化・還元耐性や高速イオン反応など、二次電池性能の飛躍的改善を可能とする。これは、超高濃度反応イオン・超低濃度自由溶媒に起因する電気化学界面の特徴的な構造（図 3 ）に

図 2 ．超濃厚電解液の様子. 文献 1 より引用.

起因すると考えられている。例えば、当該界面の電気二重層（electric double layer； EDL）において、電気化学
安定性の低い溶媒分子と反応イオンとの配位構造・静電相互作用が電子構造を変調し、酸化・還元耐性が向上するとされる。また、電子構造の変調が当該界面の特異な
固液界面相（solid-electrolyte interphase； SEI）
形成に繋がり、高速イオン反応を実現するとされる2）。ゆえに、
超濃厚電解液の適切な応用展開において、機能性発現に

図 3 ．超濃厚電解液界面の特徴的な構造.

おける電気化学界面の構造要因の理解が重要であることは自明である。しかし、現状は超濃厚電解液を闇雲に既存デバイスへ組み込む応用研究が先行し、超濃厚電解液

電解液界面における特徴的な反応・機能要因の解明を目

界面の本質的理解に基づく機能開拓に至らない。革新的指している。特に、本研究では界面敏感な二次の非線形電解液材料「超濃厚電解液」の基礎学理構築、並びに適振動分光である赤外-可視和周波発生振動分光（IR-visible

切な応用展開のため、その特異な反応・機能の起源であ

sum-frequency generation vibrational spectroscopy；

る超濃厚電解液界面構造の精確な理解が求められる。

SFG）を用い、超濃厚電解液の電気化学界面の高い酸化そこで、我々は界面敏感な振動分光を核として、電気化学界面計測を相補活用したin situ界面測定に基づき、耐性、ならびにイオン吸着脱離挙動におけるSEI形成の寄与を検討した。

電気化学界面の自己無撞着な解析技術を確立し、超濃厚― 117 ―

図 5 ．電気化学SFG分光セル.

図4．
（a）和周波光発生現象のモデル図と（b）和周波光発生のエネルギーダイアグラム.

赤外-可視和周波発生振動分光（SFG）
SFGは二次の非線形光学効果を用いた振動分光であり、波長可変の赤外光と波長固定の可視光が媒質表面・界面において時空間的に重なった際、その波数の足し合
わせのエネルギーを持つ和周波光が発生する現象（図4a）を観測する3）。電気双極子近似において、和周波発生現
象は電解液を含むバルク液体のような反転対称性を有す
る系では禁制となるが、一方で液体表面・界面といった反転対称中心を欠く系では許容となる特徴を持つ。ゆえ

図 6 ．グライム電解液のリニアスイープボルタモグラム（LSV）. Li塩高濃度化により酸化耐性向上.

に、電気化学系において、反転対称性を有する電解液のバルクからは和周波光が発生しないが、反転対称性を

定は、BaF2窓材に作用極を押し付けて間に電解液薄膜失っている電解液/電極界面、電気化学界面においてはを形成して、窓材側から波長固定可視光と波長可変赤外和周波光が発生し得る。また、赤外光の波数が界面分子

光を電極表面に入射し、発生した和周波光強度を計測し（イオン）種の基準振動周波数と一致した際、和周波光強た。各光の偏光は和周波光・可視光・赤外光の順にs・s・度は共鳴増大を得る（図4b）。したがって、入射赤外光pとした。なお、電気化学測定、およびSFG測定時の電の波数を掃引しながら和周波光強度を計測することで、位制御には、電気化学測定システムHZ-5000（北斗電工）

電気化学界面の振動スペクトルを得ることが可能である。

を用いた。

実験手法

超濃厚電解液の高い酸化耐性要因

SFG測定システムはピコ秒Nd：YAGレーザー（パルス

超濃厚電解液の一種として、直鎖エーテル構造を有す

幅~21ps / 10Hz / 1064nm）を基本とし、第三次高調波るグライム溶媒（図6 inset； Gn）にLi塩を高濃度溶解しのパラメトリック発振により近赤外光を発生させ、さらたグライム電解液が、高いイオン伝導性と難燃性・難揮に基本波との差周波として波長可変赤外光を得た 。可発性を両立する高機能・高安全電解液として注目を集め

視光には第二次高調波（532nm）
を用いた。

る。溶媒和イオン液体とも呼称されるグライム濃厚電解

3）

電気化学界面のSFG計測には、図 5 のような電気化学

液は、希釈電解液と比較して高い酸化耐性（図 6 ）を示す

分光セルを用いた 。当該セルは三電極系にて構成され、ことが報告されている。これは、電気化学界面EDLに作用極・対極・参照電極にはそれぞれ多結晶Pt円板電極・おけるグライムとLi+との特徴的な溶媒和構造や、これ

Pt線電極・Ag|Ag［TFSA］参照電極を用いた。SFG測に起因する高機能なSEI形成に由来すると指摘される

4）― 118 ―

が、詳細な電気化学界面の構造要因は不明であった。そアニオンが共吸着していると考えられる（図8a）。一方、

こで、我々は界面敏感な振動分光であるSFGを用いてグ

Li塩濃度を濃厚化することで、溶媒和G4・フリーG4吸

ライム電解液/電極界面構造の電位応答を計測し、グラ着量が減少すると共に、［TFSA］−アニオン吸着量が増

イム濃厚電解液の高い酸化耐性におけるEDL構造の寄

加する
（図8b）
。特に、フリーG4由来のSFシグナルは消与を検討した。

失することから、正極表面は溶媒和G4と［TFSA］−ア

グライム溶媒（tetraglyme； G4）にLi塩（lithium bis

ニオンで被覆されることが示唆される。なお、量子化学（trifluorosulfonyl）
amide； Li［TFSA］； 図7a inset）を計算から溶媒和G4や［TFSA］−アニオンと比較して、溶解した［Li（G4）x］［TFSA］電解液/Pt電極界面におフリーG4のHOMOのエネルギー準位が低束縛エネル

ける、+1.0 V（Ag/Ag+基準）印加時のSFGスペクトルのギー側に位置することが示されており4）、すなわち、フLi塩濃度依存性（x = 4, 1）を図 7 に示す。横軸は入射赤

リーG4は最も酸化耐性が低いことが予見されている。

外光の波数、縦軸がSFシグナル強度に対応し、黒/赤/以上の結果から、Li塩濃度増加に伴う酸化耐性の向上は、

青色の矢印で示されたピークは各々「溶媒和していない

正極表面における酸化耐性の低いフリーG4吸着の阻害

G4（ フリーG4）」/「Li に溶媒和したG4（ 溶媒和G4）」/に起因すると考えられる。

+「［TFSA］− アニオン」由来に帰属される。Li塩濃度増加に伴い、フリーG4と溶媒和G4由来のSFシグナルが減

超濃厚電解液のSEI・CEI形成の寄与

衰すると同時に、［TFSA］− アニオン由来のSFシグナ

前述のグライム濃厚電解液は、希釈電解液と比較してルが増加することが分かる。SFシグナルは電極表面吸高い酸化耐性に加え、安定な充放電特性（図 9 ； Li+/Li

着種の数密度を反映することから、+1.0 V印加時の正極

酸化還元反応）を示すことが報告されている。これは、表面ではLi塩濃度増加に伴い、フリーG4と溶媒和G4の負極表面の高機能な固液界面相（SEI）の形成に由来する吸着量が減少し、一方で［TFSA］ アニオンの吸着量と指摘されているが、詳細な電気化学界面の構造要因はが増加することが示唆される。

不明であった。そこで、我々は界面敏感な振動分光であ−

上記結果から推定される、正極表面EDL構造の概念
図を図 8 に示す。希釈したグライム電解液（x = 4）では溶媒和G4由来の大きなSFシグナルと共にフリーG4・［TFSA］− アニオン由来のSFシグナルも観測されたことから、正極表面は溶媒和G4・フリーG4・［TFSA］−

図8．
（a）希釈［Li（G4）4］［TFSA］/Pt界面および（b）濃厚［Li（G4）］［TFSA］Pt界面の+1V印加時におけるEDL構造
モデル.

図7．
（a）希釈［Li（G4）4］［TFSA］/Pt界面および（b）濃厚［Li（G4）］［TFSA］Pt界面における+1.0 V印加時のSFGス
ペクトル.

図9．
（a）希釈・（b）濃厚電解液のサイクリックボルタモグラ
ム（CV）. 希釈電解液はサイクル数に応じて酸化還元波の形状が変化するが,濃厚電解液塩はほとんど変化しない.

― 119 ―

図10．
（a）SEI・CEI形成前、（b）−4.2V印加後（SEI）および（c）+3.2V印加後（CEI）の［Li（G4）］［TFSA］/Pt界面におけるSFGス
ペクトルの印加電位依存性.

図11．
（a）SEI・CEI形成前、（b）−4.2V印加後（SEI）および（c）+3.2V印加後（CEI）の［Li（G4）］［TFSA］/Pt界面におけるSFGス
ペクトルの印加電位依存性.

るSFGを用いて、グライム濃厚電解液［Li（G4）］［TFSA］と溶媒和G4由来のSFシグナルの変化が見られた。さら/電極界面構造の電位応答を計測し、安定なLi+/Li酸化に、CEI形成前と比較してCEI形成後は溶媒和G4由来の還元反応におけるSEI形成の寄与を検討した。併せて、SFシグナルが大きく増加している。これは、負極表面［Li（G4）］［TFSA］の正電位側の電位窓端より高い正電のSEIと異なり、正極表面のCEIは電極電荷を遮蔽せず、位を印加することで、負極表面だけでなく正極表面に形

電気化学界面のイオン吸着構造を変調することが示唆さ成される固液界面相（cathode electrolyte interphase；

れた。

CEI）
の寄与についても検討した。

以上の結果から、予測されるSEI・CEI形成前後の［LiSEI・CEI形 成 前 後 に お け る［Li（G4）］
［TFSA］/Pt（G4）］［TFSA］/電極界面の構造モデルを図11に示す。

界面のSFGスペクトルの電位応答を図10に示す。SEI・SEI・CEI形 成 前 のEDLで は、 印 加 電 位 に 依 存 し てCEI形成前（図10a）は、電位に依存して［TFSA］ アニ［TFSA］− ア ニ オ ン と 溶 媒 和G4が 吸 着 脱 離 す る（図オン由来のSFシグナルが増減した。これは、印加電位11a）。一方、−4.2V印加によりLi［TFSA］由来の安定に応答してEDL構造が変化することを反映する。しかなSEIが形成された後は、SEIによる電荷遮蔽によりイ

し、−4.2V（Ag/Ag+基準）印加してSEIを形成した後のオン吸着脱離の電位応答が抑制された（図11b）。また、

SFGスペクトルは（図10b）、電位に対して応答がなく、+3.2V印加により形成されたG4由来のCEIは、電荷遮蔽変化が見られなかった。これは、負極表面に形成されたをしないがEDL構造が大きく変調し、溶媒和G4の吸着

SEIが電極電荷を遮蔽し、SFGが検出するSEI表面のイ状態が変化したと考えられる（図11c）。なお、ここではオン吸着脱離挙動の電位応答が消失したと考えられる。

詳細を割愛するが、我々は表面増強赤外吸収分光を用い

一方、+3.2V印加してCEIを形成した後のSFGスペクト

ることで、負極SEIは主にLi［TFSA］にて構成される

ルは（図10c）、電位に依存して［TFSA］ アニオン由来

ことを見出している。すなわち、Li［TFSA］由来の−−― 120 ―SEIはLi+を内包できるため（図11b）、充放電反応時は超以上の通り、本研究では非線形振動分光のSFGを用い濃厚電解液中からLi+のみSEIに浸入・通過させることで、た電気化学界面のin situ精密計測技術を確立し、当該計電解液アニオンや溶媒分子の還元分解を阻害すると同時測技術が超濃厚電解液界面の機能性要因の解明に大きくに、Li還元反応が安定に進行するものと予想される。

貢献できることを示した。今後は、電気化学界面のinsitu計測技術を多様な超濃厚電解液界面に適用することまとめ

で、当該電解液種の特徴的の反応・機能要因の解明、な本研究では非線形振動分光のSFGを用いることで、超濃厚電解液界面の電気化学反応におけるEDL構造およらびにより高機能な電解液材料開発の新たな指導原理獲得を目指したい。

びSEI・CEI形成の寄与を検討した。グライムを溶媒とする電解液/電極界面の酸化耐性要因を解明するため、謝辞

当該界面のイオン吸着脱離挙動の電位応答をSFGにて追本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団からの跡した結果、希釈電解液では酸化耐性の低いフリーグラ

研究助成を受けて行われたものであり、ここに厚く御礼

イムが正極表面に吸着・酸化分解されてしまうことが示申し上げます。

された。一方、超濃厚電解液では［TFSA］−アニオン・
溶媒和グライム吸着種がフリーグライムの正極表面の吸参考文献

着を阻害することで、結果として酸化耐性が改善するこ

1 ）Y . Yamada, J. Wang, S. Ko, E. Watanabe, A.
Yamada, Nat. Energy. 4, 269–280（2019）とが見出された。
超濃厚電解液の安定な充放電反応におけるSEI・CEI

2）
Y. Yamada, K. Furukawa, K. Sodeyama, K. Kikuchi,形成の寄与を解明するため、SFGにてSEI・CEI形成前

M. Yaegashi, Y. Tateyama, A. Yamada, J. Am.

後における電気化学界面のイオン吸着脱離挙動の電位応

Chem. Soc. 136, 5039–5046（2014）

答を追跡した結果、CEI形成後は溶媒和グライムの吸着3 ）T. Iwahashi, T. Ishiyama, Y. Sakai, A. Morita, D.

状態が変調されるだけであるのに対し、SEI形成後は電Kim, Y. Ouchi. Phys. Chem. Chem. Phys., 22,

位応答が阻害されることが分かった。これは、
Li［TFSA］

12565-12576（2020）

由来の安定なSEIが電極電荷を遮蔽し、さらにLi+以外の

4）
C. Qi, T. Iwahashi, W. Zhou, D. Kim, S. Yamaguchi,

化学種のSEI内への浸入・負極表面吸着を阻害すること

M. Yoshizawa-Fujita, Y. Ouchi. Electrochim. Acta,

で、安定な充放電反応を実現することを示唆する結果と361, 137020-1-8（2020）解釈される。

― 121 ―

申請者

埼玉大学

中田

憲男

高周期典型元素触媒による二酸化炭素からポリウレタン原料への変換反応の開発
埼玉大学

緒言

大学院理工学研究科

中田

憲男

ネートを合成する反応プロセスが開発されれば、イソシ

安全・安心で豊かな社会の構築が求められる中、化学産業の分野では有害物質や廃棄物の削減、エネルギー効

アネートの従来合成法の代替だけでなく、地球温暖化の新たな解決法として提案できる。

率の向上、循環型資源への原材料転換などが重要な課題

これまでに研究代表者らは、ルイス塩基配位子を導入となっている。そのような背景の下、温室効果ガスとしした高周期14族元素二価化学種の合成について取り組んて知られる二酸化炭素の排出量を制限する取り組みが世でいる。ごく最近、イミノホスホナミド配位子1,2とビ界的規模で盛んに行われている。他方、化学的な視点か

ス（トリメチルシリル）アミノ基を導入したスズ二価化学

らの二酸化炭素は安全・安価なC1炭素源であり、合成

種（スタンニレン 1 ）が二酸化炭素と温和な条件下で反応

化学的手法により有用な化合物へと変換できれば、地球し、対応するシリルイソシアネート 2 とシロキシスタン

温暖化の新たな解決法として提案することができる。しニレン 3 が定量的に得られることを明らかにした（図かし、二酸化炭素は高い安定性を示すため反応性に乏し

2 ）。本課題では、この反応を基軸としたイソシアネー

く、有機合成への応用は困難である。

トへの触媒的ならびに化学量論的分子変換反応の開拓を

ポリウレタンは、私たちの生活や多くの産業界で欠く目的とした。

ことのできない汎用高分子資材であり、全世界での年間生産量は2,000万トン（2019年）に達する。ポリウレタン

結果と考察の原材料となるイソシアネートは、 1 級アミンとホスゲ

図 1 の反応を触媒的に応用させるためには、副生するンとの反応から工業的に合成されているが（図 1 ）、原材

シロキシスタンニレン 3 からアミノスタンニレン 1 へと料であるホスゲンの猛毒・腐食性や塩化水素の副生にお反応系中での変換が必須である。そこで、スズ上のシロ

いて問題点のある合成法であり、これに代わる環境調和

キシ基をアミノ基に変換できる種々の試薬の添加から、型の合成法への転換が強く求められている。特に、安価目的とする触媒反応の開発に取り組んだ。具体的には、で豊富に存在する二酸化炭素を原料に一段階でイソシア

求核的な金属シリルアミドの添加を検討した。結果とし

図 1 ．ウレタン結合の現行合成法― 122 ―

図 2 ．アミノスタンニレン 1 と二酸化炭素との反応

種NMRスペクトルならびにX線構造解析によって決定した。
4 と二酸化炭素との反応では、いずれの場合も 5 気圧の二酸化炭素存在下で反応は穏やかに進行し、対応する
置換イソシアネート 2 を良好な収率で得た。この反応はポリウレタンの原材料である二官能性のジイソシアネートの合成にも展開でき、対応する1,4-フェニレン-ジイソ
シアネート2dを収率53%で得た。興味深いことに、フェニル置換体4bと二酸化炭素との反応では反応中間体であるカルバミン酸スズエステル 5 を定量的に得た。さらに、加熱条件により 5 のシリル基転位が効果的に進行し、対応するフェニルイソシアネート2bが収率59%で生成した。一方、シロキシスタンニレン 3 は、いずれの反応においても定量的に生成し、アミノスタンニレン 4 はすべて消費されていた（図 4 ）。
二酸化炭素から誘導されるイソシアネートの分子変換についても検討した。例えば、反応系内で発生したシリ
図 3 ．置換アミノスタンニレン 4 の合成

ルイソシアネート 2 は 1 級アミンであるt-ブチルアミンと反応し、対応するウレア結合をもつ非対称尿素 6 が収て、KHMDSやLiHMDSを添加して触媒反応への展開を率72％で得られた。さらに、系中で発生させた2dとエ行ったが、 3 のスズ上の立体的な嵩高さに起因して目指

チレンジアミンとの反応においてもウレア結合の形成がす求核置換反応が進行しなかった。

確認され、対応する不溶性のポリ尿素樹脂 7 が収率36％

一方、
図 1 における反応の一般性を明らかにするため、で生成した（図 5 ）。

アミノ基内の一つのシリル基を様々な置換基に置き換えた種々のアミノスタンニレン 4 の合成を実施した。すなまとめ

わち、クロロスタンニレン 5 とリチウムモノシリルアミ

本研究では、一連のアミノスタンニレンと二酸化炭素

ドとの反応をトルエン中、室温で行ったところ、対応すとの化学量論反応から種々の置換イソシアネートの生成

るモノシリルアミノスタンニレン 4 を収率20-55%で合を見出した。残念ながら、この反応を触媒的に進行させ成することに成功した（図 3 ）。得られた 4 の構造は、各ることはできなかったが、生成したイソシアネートとア― 123 ―

図 5 ．発生させたイソシアネート 2 とアミン類との反応て、分子内アミノ-NHC（N-ヘテロ環状カルベン）配位子を有するアミノスタンニレンを用いた場合においても二酸化炭素との反応から対応するイソシアネートとシロキ
シスタンニレンの効果的な生成を見出した。現在、この反応基質を使用し、当初の目的であった触媒的展開への可能性を検証している。
図 4 ．アミノスタンニレン 4 と二酸化炭素との反応

謝辞
ミン類との反応から、ポリ尿素樹脂を含む尿素誘導体へ

本研究を遂行するにあたり、多大なご支援をいただきの誘導化に成功した。この知見は、スタンニレンを用い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た二酸化炭素から有用物質への新たな展開であり、例えし上げます。

ばジオールやジチオールなどの二官能性求核種を用いることでポリウレタンやポリチオウレタンを一段階の反応

参考文献

から合成できる手法として提案できる。他方、本反応の1 ．Takahashi, S.； Sekiguchi, J.； Ishii, A.； Nakata,達成には、中間体として生成するカルバミン酸スズエス

N. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 133, 4101–4105.

テルからシリル基転位を促進させることが必須であり、2 ．Nakaya, K.； Takahashi, S.； Ishii, A.； Boonpalit, K.；

スズ上に強力な電子供与性置換基の導入が必要となる。

Surawatanawong, P.； Nakata, N. Dalton

イミノホスホナミドに類似した強力な電子供与基としTrans. 2021, 50, 14810–14819.

― 124 ―

申請者

名古屋大学

Jung Jieun

金属錯体とタンパク質の複合触媒を用いたCO2還元反応の開発
名古屋大学 大学院理学研究科

Jung Jieun

1 ．研究の背景と目的
二酸化炭素（CO2）は地球温暖化の原因である温室効
果ガスの一つである。一方で、毒性が低く安価であり大気中に豊富に存在することから、利用することができれば魅力的な炭素資源であると言える。CO2利用法の一つ
として、CO2を二電子還元することで一酸化炭素（CO）
やギ酸（HCOOH）を得るCO2還元反応が注目されている。COは水素（H2）と混合した合成ガスとして炭化水
素の合成などの工業的に有用な反応に用いられ、ギ酸は水素貯蔵や燃料電池への応用が期待されている物質であFigure 1．Photocatalytic CO2 reduction with a（PNNP）Ir
complex under photoirradiation.

る1。
太陽光エネルギーを用いるCO2の光還元反応は、再生

光還元において世界最高の触媒回転数（TON）を有する

可能エネルギーを用いてCO2を資源化する反応として近ため、水中でのCO2光還元反応にリシンおよびヒスチジ

年注目を集めている。地球に到達する太陽光エネルギー

ンによって安定化された人工金属酵素として利用すればは人類の一次エネルギー消費量の八千倍以上に相当す

自己記録を塗り替えるTONの獲得が予想できる。また、

る 。そのため、太陽光を用いたCO2の変換技術は昨今の水を電子源としたCO2光還元反応（人工光合成）を指向

資源・エネルギー問題を解決する手段となる可能性を秘した場合、溶媒として水を用いるのが一般的だが8、本めている。CO2光還元を水中で実現できれば、クリーン研究によって人工光合成の高効率化への新しい指針を提な反応系を構築できるだけでなく、将来的に水を電子源案できる。すなわち、これまでに人工光合成系では可視として利用する系に展開できる。しかし、金属錯体を用

光応答型の半導体と金属錯体触媒の複合化が達成されていたCO2光還元反応のほとんどは有機溶媒中で行われているが9、小さな金属錯体の代わりに大きな人工金属酵

おり3、水中ではその活性が著しく低下する4。タンパク素を複合化させる人工光合成研究への新展開が期待され質内部の特殊な環境を利用した触媒反応は近年著しく発る。

2

展しており、そのポテンシャルは高く評価されている5。

本研究の目的は、全く新しいCO2光還元触媒系を構築

しかし、それを利用したCO2光還元反応の報告例はない。

し、人工光合成の実現に向けたブレークスルーを狙うこ

当研究室ではPNNP四座配位子をもつIr錯体（Figureとである。まず、申請者が開発したCO2光還元触媒を嵩71）がCO2光還元触媒 およびカルボン酸類の水素化触媒

高い金属錯体も収容できるヘム獲得タンパク質として開発されている。
（PNNP）Irは高温・高H2圧下、（HasA）10と複合させる。得られた人工金属酵素を光触および光照射下でも失活しない頑健であることを証明し媒として用いて、水中でのCO2の光還元反応を実現する。

た。しかし、（PNNP）
Irは水での溶解度が高くないため

さらにHasA内部の金属錯体近傍のアミノ酸残基を変異

ほとんどの還元反応は有機溶媒中で行われており、水中させることで第二配位圏を調節し、高効率なCO2光還元

ではその活性が著しく低下する。
（PNNP）Ir錯体はCO2触媒系の開発を目指す。

6― 125 ―

2 ．研究の方法

ベースとした人工金属タンパク質を触媒として応用する

本研究は金属錯体をタンパク質に複合させる人工金属には至っていない。本研究はヘムを取り除いたHasAと酵素に着目した。タンパク質との複合化による水溶性の（PNNP）
Ir錯体を混合し人工金属酵素を調製する。X線

獲得と、以下の 2 点によるタンパク質の特殊な内部空間

結晶構造解析を行い、その構造から後に第二配位圏を調による高効率な反応を期待した。第 1 に、タンパク質内整するためにアミノ酸残基を変異させる位置を決定する

部は疎水的な空間であるためCO2が効率的に取り込まれことを目標にする。

ることが期待できる。第 2 に、タンパク質内部のアミノ酸残基との相互作用によって、CO2還元における遷移状

2 ．2 ．アミノ酸の変異導入による第二配位圏の調整

態および中間体の安定化が可能である。例として、CO2

様々な（PNNP）Ir錯体とHasAの複合化で得られた知をCOに可逆的に変換できる酵素である一酸化炭素デヒ

見をもとにして実際に錯体上部に存在するHasAのルー

ドロゲナーゼにおいては、第二配位圏のリシンおよびヒプ構造内に、CO2還元の遷移状態・中間体を安定化しう

スチジンによってCO2還元における中間体が安定化されるアミノ酸残基を変異導入することで触媒活性の向上をることで、高効率な変換反応が達成される 。

目指す。導入するアミノ酸には、プロトン供与体として

11

名古屋大学生物無機化学研究室の荘司長三教授らは、働くアルギニン・ヒスチジン・リシンが挙げられる。改緑膿菌が分泌するヘム獲得タンパク質（HasA）に非天変した人工金属酵素の触媒活性はTONおよび反応量子然の金属錯体を取り込ませることに成功している12。

収率（吸収された光のうちCO2還元に使用された割合）

HasAは二つのループでつまむようにヘムを内包するたで評価する。

め嵩高い金属錯体も収容できる。本研究では申請者が開発 し た（PNNP）
Ir錯 体 とHasAの 複 合 化 を 目 指 す

3 ．結果と考察（Figure 2）。

3 ．1 ．
（PNNP）Ir錯体についてHasAとの複合化を検討
まず、様々なイリジウム錯体（R1 = H, Mesityl； R2 =2 ．1 （PNNP）．

Ir錯体とHasAの複合化による人工金属
酵素の構築

Cy, iPr, およびEt in Figure 1）を合成のうえ、（PNNP）
Ir
錯体の構造を各種核磁気共鳴法（NMR）、電子スプレー緑膿菌由来のHasAを使用した先行研究においては、

イ オ ン 化 質 量 分 析 法（ESI-MS）、電子スピン共鳴法

非天然の金属錯体の収容と、その応用例として緑膿菌の（EPR）測定などによって確認した。その後、（PNNP）Ir

増殖抑制および光殺菌13が達成されているが、HasAを錯体の配位子のリン原子上の置換基を検討した結果、比較的小さい置換基であるイソプロピル基であれば錯体がHasAに効率よく取り込まれることを紫外可視吸収スペ
クトル測定により見出していた。
ヘム獲得機構の最初の段階は、緑膿菌がapo-HasA（ヘムを持っていない状態）と呼ばれる小型タンパク質を外部に分泌するところから始まる。apo-HasAはヘムとの結合力が強く、宿主のヘムタンパク質からヘムを奪い取り、ヘムが結合した状態holo-HasAとなる。さらに、
HasAは有機溶媒に対する耐性が高く、ヘム結合部が外部に露出しているユニークな特性を持っている。しかし、HasAが錯体を捕捉するアミノ酸残基（His32とTyr75）
による配位が強固であるためにCO2還元が進行しない可能性があった。そこで、アミノ酸残基はTyr75のみで配Figure 2．Photocatalytic CO2 reduction in water using an
artificial metal enzyme.

位され 6 つ目の配位子は溶媒分子または塩化物イオンで
あ るYersinia pseudotuberculosisを 分 泌 し たHasAyptが― 126 ―

有望であった。

に取り込まれ、特にりん酸緩衝液を用いた際に最も多い
人工金属酵素の量が得られた。

3 ．2 ．
（PNNP）Ir錯体とHasAの複合化条件を詳細に検討

続いて、（PNNP）Ir錯体とHasAの複合化における溶媒（PNNP）
Ir錯体をHasAyptへ組み込むために様々な緩効果についての知見を得るための実験を行なった。

衝液を用いた透析方法が試みられた。ジメチルスルホキ

DMSO、DMSO/H2O（ 9 ：1, v/v）、 ア セ ト ニ ト リ ルシド（DMSO）溶媒に（PNNP）
Irを溶かした溶液をapo-（CH3CN）、またはテトラヒドロフラン（THF）を溶媒

HasAyptの溶液［KPiバッファ（りん酸緩衝液、pH =として用いる（PNNP）Ir溶液をapo-HasAyptを溶かした

6）、PBSバッファ（リン酸緩衝食塩水、pH = 7.3）またKPiバッファ溶液に添加した（Figure 4a）。それらの吸はTrisバッファ（トリス–塩酸緩衝液、pH = 8）
］ に添

収スペクトルを比較した結果、DMSOと水の混合溶液

加した。
（PNNP）
Ir錯体がHasAyptに効率よく取り込ま（ 9 ：1, v/v）を用いた際に生成したHasA•Irの量は最もれることは紫外可視吸収スペクトル測定により見出し高く得られた。
（PNNP）Ir錯体とHasAの複合化におけるた。HasAyptに 取 り 込 ん だ（PNNP）
Ir錯 体（HasA•Ir）（PNNP）
Ir濃 度 の 効 果 に つ い て も 検 討 し た（Figureの吸収スペクトル測定を行い、いずれの緩衝液を用いた4b）。その結果、500 µMの（PNNP）Ir錯体を用いた際に場 合 に お い て も328 nm付 近 の バ ン ド が 観 察 さ れ た

最も高いHasA•Irの量が得られた。一方、apo-HasAypt（Figure 3a）（PNNP）。
Ir錯体とHasAypt溶液の吸収スペの 濃 度 を150 µMか ら100 µMま で 薄 く し た 際 に は、クトルをそれぞれ測定した結果（Figure 3b； ε（PNNP）Ir

HasAyptに対する（PNNP）Irの吸光度の吸収が強くなる= 9.8 mM–1）、328 nmのピークは（PNNP）
Ir錯体の特徴

ことが確認された。

な吸収ピークであることを示した。従って、いずれの緩衝液を用いた場合においても（PNNP）
Ir錯体がHasAypt

Figure 3．UV-vis absorption spectra of HasA•Ir after
dialysis. Incorporation of（PNNP）Ir in a DMSO
solution were performed into apo-HasAypt（150µM）in a KPi buffer（green； pH = 6.0, 1.0 mL）,
PBS buffer（red； pH = 7.3, 1.0 mL）, or Tris
buffer（blue； pH = 8.0, 1.0 mL）.（b）（PNNP）
Ir（red； 500 µM）in a DMSO solution and apoHasAypt（blue； 150 µM）in a KPi buffer（pH =6.0, 1.0 mL）.

Figure 4．
（a）UV-vis absorption spectra of HasA•Ir after
dialysis of the mixed solution of apo-HasAypt（150µM）in a KPi buffer（pH = 6）and（PNNP）Ir（0.5mM）in a DMSO（blue）, DMSO/H2O（red； 9：1,v/v）, CH3CN（green）, or THF（black）solution.
（b）UV-vis absorption spectra of HasA•Ir after
dialysis of（a）apo-HasAypt（150 µM）in a KPi
buffer（pH = 6）and（PNNP）
Ir［purple 150 µM,
blue 300 µM, green 500 µM, orange 1000 µM, andred 1500 µM］in a DMSO/H 2 O（ 9 ：1, v/v）
solution.

― 127 ―

3 ．3 （PNNP）．

Ir錯体とHasAの複合触媒を用いたCO 2還元反応への触媒活性評価て、BI（COOH）Hの代わりに2-（1,3-dimethyl-2,3-dihydro1H-benzimidazol-4-yl）benzoic acid（BI（p-COOH）
H）
を

本研究室は（PNNP）
Ir錯体に可視光を照射するとCO2

電子供与剤として用いた際にはHCO2HとH2の生成が観の還元反応が進行することを報告した 。CO2雰囲気下測された。HasA•Irを用いたCO2光還元触媒ではTONは（PNNP）
Irと電子供与剤を含むN,N-ジメチルアセトアミ＞20と低い値にとどまったが、HasA•Irをもたない際にド（DMA）と水の混合溶液に室温で可視光を照射するは反応が全く進行してなかった。

6とCO2還元反応が進行し、HCO2H, CO, およびH2が得られた。電子供与剤（犠牲剤）
 にはトリエタノールアミン

4 ．結論（TEOA）
 お よ び1,3-dimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-

本研究では、CO2光還元触媒である金属錯体とHasAbenzo［d］imidazole（BIH）
などがよく用いられる。特を複合させ、全く新しいCO2光還元触媒系を構築した。

に、BIH（酸化電位：0.21VvsSCE）
を電子供与剤とし様々なイリジウム錯体を検討した結果、比較的小さい置て用いたところ単核かつ単一の金属錯体を用いるCO2光換基であるイソプロピル基であれば錯体がHasAに効率

還 元 触 媒 系 の 中 で は 世 界 最 高 の 触 媒 回 転 数（TON；

よ く 取 り 込 ま れ る こ と を 確 認 し た。
（PNNP）
Ir錯 体 と

>10,400）
を獲得し、HCO2H選択性は87%であった。

HasAの複合化条件を検討し、生成した人工金属酵素をこ の こ と か ら、 本 研 究 で 得 ら れ た 人 工 金 属 酵 素

光触媒として用いた水中でのCO2光還元反応を行なっ（HasA•Ir）を光触媒として用いた水中でのCO2光還元反た。その結果、少量ではあるが二酸化炭素の還元生成物

応を試みた。既存のCO2還元反応で使われた電子供与剤

としてギ酸が得られ、このときの触媒回転数は＞20だっ（BIH）は水に十分に溶けないため、水中でも機能するた。

と 知 ら れ て い る2（1,3-dimethyl-2,3-dihydro-1Hbenzimidazol-2-yl）
benzoic acid（Figure 5； BI（COOH）

5 ．謝辞

H）
を用いた4。人工金属酵素（HasA•Ir,10µM）
と電子

本研究は、公益財団法人松籟科学技術振興財団のご支

供 与 剤 と し て20 mMのBI（COOH）
Hを 含 むH2O/DMA

援を賜り進めることができました。深く感謝申し上げま（ 9 ：1, v/v； 4.0 mL）
 溶液に400 nm以上の可視光を照す。

射した（Figure5）。反応溶液をCO2ガスでバブリングす
ると溶液中のH+濃度が高くなり、pHが低くなる。その6 ．参考文献

反応溶液のpHを維持するためにKHCO3を添加し、反応（1）（a）
  Yao, Y.； Gao, Y.； Ye, L.； Chen, H.； Sun, L.

混合物のpH値を7.2に調整した。しかし、人工金属酵素

Highly efficient photocatalytic reduction of CO 2

を 用 い たCO2光 還 元 反 応 は ほ と ん ど 進 行 し て な い、and H 2O to CO and H 2 with a cobalt bipyridyl

HCO2H, CO, およびH2のどちらも得られなかった。続いcomplex. Energy Chem. 2018, 27, 502–506.（ b）
Huang, J.； Wang, L. Bifunctional wood for
electrocatalytic CO 2 reduction to formate and
electroanalytical detection of myricetin and
cadmium（II）. Electrochim. Acta 2019, 319, 569–
576.
（2）
（a）
  Barber, J. Photosynthetic energy conversion：
natural and artificial. Chem. Soc. Rev. 2009, 38,
185–196.（b）Crabtree, G. W.； Lewis, N. S. Solar
energyconversion.Phys. Today2007,60,37–42.
（3）（a）
 Sato,S.；Morikawa,T.［Ir（tpy）（bpy）Cl］
asa

Figure5．P hotocatalytic CO 2 reduction with a HasA•Ir
solutionunderphotoirradiation（λ≥400nm）.

― 128 ―

photocatalystforCO2reductionundervisible-light
irradiation. ChemPhotoChem 2018, 2, 207–212.（b）

Watanabe, T.； Saga, Y.； Kosugi, K.； Iwami, H.；

Morikawa, T.； Takeda, Y. A large-sized cell for

Kondo, M.； Masaoka, S. Visible light-driven CO2solar-driven CO2 conversion with a solar-to-formate

reduction with a Ru polypyridyl complex bearing

conversion efficiency of 7.2%. Joule 2021, 5, 687–

an N-heterocyclic carbene moiety. Chem. Commun.

705.

2022, 58, 5229–5232.

（9）（a）Suzuki,T. M.； Yoshino, S.； Takayama, T.；（4）
Nakada, A.； Koike, K.； Maeda, K.； Ishitani, O.

Iwase, A.； Kudo, A.； Morikawa, T. Z-Schematic

Highly efficient visible-light-driven CO2 reduction

and visible-light-driven CO2 reduction using H2O as

to CO using a Ru（II）–Re（ I）supramolecular

an electron donor by a particulate mixture of a Ru-

photocatalyst in an aqueous solution. Green Chem.

complex/（CuGa）1−xZn2xS2 hybrid catalyst, BiVO4

2016, 18, 139– 143.

and an electron mediator. Chem. Commun. 2018,（5）
Key, H. M.；Dydio, P.；Clark, D. S.；Hartwig, J. F.

54, 10199–10202.（b）Yoshino, S.； Iwase, A.；

Abiological catalysis by artificial haem proteins

Yamaguchi, Y.； Suzuki, T. M.； Morikawa, T.；

containing noble metals in place of iron. Nature

Kudo, A. Photocatalytic CO2 reduction using water

2016, 534, 534–537.

as an electron donor under visible light irradiation（6）（a）Kamada,K.； Jung, J.； Wakabayashi, T.；

by Z-Scheme and photoelectrochemical systems

Sekizawa, K.； Sato, S.； Morikawa, T.； Fukuzumi,over（CuGa）0.5ZnS 2 in the presence of basic

S.； Saito, S. Photocatalytic CO2 reduction using a

additives. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 2323–2332.

robust multifunctional iridium complex toward the（10）Shirataki, C.； Shoji, O.； Terada, M.； Ozaki, S.；

selective formation of formic acid. J. Am. Chem.

Sugimoto, H.； Shiro, Y.； Watanabe, Y. Inhibition

Soc. 2020, 142, 10261–10266.（b）Kamada, K.；of heme uptake in Pseudomonas aeruginosa by its

Jung, J.； Kametani, Y.； Wakabayashi, T.； Shiota,

hemophore（HasAp）bound to synthetic metalY.； Yoshizawa, K.； Bae, S. H.； Muraki, M.；

complexes. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 2862–

Naruto, M.； Sekizawa, K.； Sato, S.； Morikawa, T.；

2866.

Saito, S. Importance of steric bulkiness of iridium（11）J eoung, J.-H.； Dobbek, H. Carbon dioxide

photocatalysts with PNNP tetradentate ligands for

activation at the Ni, Fe-cluster of anaerobic

CO2 reduction. Chem. Commun. 2022, 58, 9218–

carbon monoxide dehydrogenase. Science 2007,

9221.

318, 1461–1464.

（7）（a）Yoshioka,S.； Nimura, S.； Naruto, M.； Saito, S.

（12）Shisaka, Y.； Iwai, Y.； Yamada, S.； Uehara, H.；

Reaction of H 2 with mitochondria-relevant

Tosha, T.； Sugimoto, H.； Shiro, Y.； Stanfield, J.

metabolites using a multifunctional molecularK.； Ogawa, K.； Watanabe, Y.； Shoji, O.

catalyst. Sci. Adv. 2020, 6, eabc0274.（b）Grømer,Hijacking the heme acquisition system of

B.； Yoshioka, S.； Saito, S. Selective reduction of

Pseudomonas aeruginosa for the delivery ofcarboxylic acids to alcohols in the presence ofphthalocyanine as an antimicrobial. ACS Chem.

alcohols by a dual bulky transition-metal complex/

Biol. 2019, 14, 1637–1642.

Lewis acid catalyst. ACS Catal. 2022, 12, 1957–1964.

（13）Sakakibara, E.； Shisaka, Y.； Onoda, H.； Koga, D.；（8）（a）Jiang,

T.-W.；Zhou, Y.-W.；Ma, X.-Y.；Qin, X.；

Xu, N.； Ono, T.； Hisaeda, Y.； Sugimoto, H.；

Li, H.； Ding, C.； Jiang, B. Jiang, K.； Cai, W.-B.

Shiro, Y.； Watanabe, Y.； Shoji, O. HighlySpectrometric study of electrochemical CO 2

malleable haem-binding site of the haemoprotein

reduction on Pd and Pd-B electrodes. ACS Catal.

HasA permits stable accommodation of bulky

2021, 11, 840–848.（b）Kato, N.； Mizuno, S.；

tetraphenylporphycenes. RSC Adv. 2019, 9,

Shiozawa, M.； Nojiri, N.； Kawai, Y.； Fukumoto, K.；

18697–18702.

― 129 ―

申請者

山形大学

東原

知哉

ブロックシーケンス精密制御による半導体高分子材料の系統合成と弾性付与
山形大学

大学院有機材料システム研究科

東原知哉

2 ．ポリ（3-ヘキシルチオフェン）鎖を有するABC型トリ

1 ．目的と背景

ブロック共重合体の精密合成［7］最先端の医療工学や健康診断技術分野では、皮膚に貼
り付け、または体内に埋め込んで稼動する生体センサや

熊田-玉尾触媒移動型重縮合法により、α鎖末端にウェアラブル端末のフレキシブル化・ストレチャブル化

tert-ブチルジメチルシリロキシ（TBSO）基とω鎖末端にが期待されている。デバイスの主要な構造部材である半4-ブロモブチル基とを有するポリ（3-ヘキシルチオフェ

導体材料に着目すると、例えば有機薄膜トランジスタデン）（P3HT）（1）を合成した。続いて、トリメチルシリル

バイスの加工において、波型構造等の導入［1］や既存材料

アジド（TMS-N3）を用いて 1 のω鎖末端をアジド基に変の組み合わせによる有機半導体：エラストマーのブレン

換することで、α鎖末端にTBSO基とω鎖末端にアジドドの起用［2］など、一定の工夫はなされているものの、繰基とを有するP3HT（2）を合成した。臭化銅（I）触媒下、り返される伸縮負荷に耐えられず、根本的解決に至って

2 と2.6当量のω鎖末端にアルキニル基を有するポリス

いない。そこで、半導体高分子自体への本質的な弾性・チレン（PS）（3）との環化付加（CuAAC）反応により、α伸縮性付与を目的とし、半導体高分子の主鎖や側鎖に非鎖末端にTBSO基を持つABジブロック共重合体P3HT-b-π共役セグメントを一部導入することで、伸縮負荷に耐PS（4）を合成した。次に、 4 のTBSO基をテトラブチル

えうる半導体高分子の開発がなされている［3,4］。中でもアンモニウムフロリド（TBAF）により水酸基に変換し、ハードセグメント（A）とソフトセグメント（B）から構成5 を得た。次に、 5 とジフェニルリン酸アジド（DPPA）

されるABAトリブロック共重合体は、熱可塑性エラスとの反応により、α鎖末端にアジド基を有するP3HT-b-

トマーとして優れた伸縮性を示すことがよく知られておPS（6）を合成した。最後に 6 と2.6 当量のα鎖末端にアり、半導体高分子分野への応用展開が我々の先行研究を

ルキニル基を持つポリ（メチルメタクリレート）

含めて国内外で報告されている（PMMA）（7）とのCuAAC反応により、目的のPMMA-b-。しかしながら、こ［5,6］

れまでの関連研究では 2 成分系の高分子設計に限られ、

P3HT-b-PS（8）を合成した（Scheme 1）。

制御された 3 成分系以上のブロックシーケンスや精密な各段階で得られたポリマーはプロトン核磁気共鳴（ 1H

分岐様式を備えた半導体高分子の合成例はごくわずかでNMR）法及びサイズ排除体積クロマトフィー（SEC）法にあり、電子特性・機械特性を評価するためには、それらより評価した。ポリマーのSEC曲線をFigure 1に示す。

の一般的な合成方法論の確立が必要である。

連続する高分子間反応により、比較的狭いピーク形状を

本研究では、高分子合成化学を駆使したブロックシー

保持したまま、トップピークが高分子量側にシフトしてケンスの精密設計を軸足とし、その自己組織化を利用すいることから、効率的な反応進行により、目的のP3HTることで、高効率かつ伸縮負荷に耐えうる新規有機エレ

鎖を中央ユニットに有するABC型トリブロック共重合

クトロニクス材料の創出を目的とした。

体の精密合成に成功したことが明らかとなった。
得られたポリマーの分子量、分子量分布、組成比、及び収率をTable 1にまとめた。いずれも設計通りの分子量、極めて狭い分子量分布、及び設計通りの組成を有す― 130 ―

Figure 1．SEC UV curves of the studied polymers：（a）2,（b） 3, （c） crude TBSO-P3HT-b-PS before
precipitation,（d）4,（e）7,（f）PMMA-b-P3HT-bPS before precipitation, and（g）8.

Scheme 1．Synthetic routes for ABC type triblock
copolymer.
Table 1Synthetic results for homopolymers and block copolymers.
Composition（wt%）
PMMA/P3HT/PS

Yield
（%）

Mn
（Calcd）

Mn
（SEC）

Mn
（1H NMR）

ÐM（SEC）

1 ： TBSO-P3HT-Br

5,400

b

8,400

5,600

1.07

0 /100/ 0

0 /100/ 088

2 ：TBSO-P3HT-N3

5,400

b

8,400

6,000

1.08

0 /100/ 0

0 /100/ 0

92

3 ：PS-Alkyne

5,300b

5,000

6,100

1.04

0 / 0 /100

0 / 0 /100

95

4 ：TBSO-P3HT-b-PS

13,000c

13,000−1.07

d0 /49/51

0 /46/54

89

5 ： HO-P3HT-b-PS

13,000c

13,000−1.07

0 /49/51d

0 /49/51

95

6 ：N3-P3HT-b-PSc

13,00013,000−

7 ：Alkyne-PMMA

5,300b

6,600

8,600

8 ：PMMA-b-P3HT-b-PS

20,000c

18,000−

Polymer

H NMRa

Calcd

1

1.08

d

0 /49/51

0 /47/53

96

1.03

100/ 0 /0100/ 0 / 0

83

1.10

42/28/30d

42/28/30

96

Determined by 1H NMR by the equation：Weight composition of A：B：C =［（Integration value for the methoxy protons in
PMMA units）/ 3 ］ ×（molecular weight of the monomer unit for PMMA）：［（Integration value for the methylene protons
next to the thiophene rings in P3HT units）/ 2 ］×（molecular weight of the monomer unit for P3HT）：［（Integration value forthe aromatic protons at ortho positions in PS units）/ 2 ］×（molecular weight of the monomer unit for PS）. b Mn（Calcd）=
molecular weight（ α,ω-chain-end unit）+［（monomer/initiator ratio） × molecular weight（monomer unit）］. c Calculated
based on the Mn values of precursory polymers determined by SEC. d Calculated based on the Mn values of precursory
homopolymers determined by 1H NMR.
a

― 131 ―

Scheme 2．Synthetic routes for ABCBA-type miktoarm
H-shaped copolymers.

Figure 2．Tapping mode AFM phase image of the thinfilm of 8.

したα,ω鎖末端にアジド基を有するポリ（n-ブチルアク
リレート）（N3-PnBA-N3）と過剰量PS-Alkyne-P3HTとのCuAAC反応により、P3HT鎖を有するABCBA型/ミクるポリマーが得られたことが分かった。
Figure 2に 8 の薄膜表面のAFM位相像を示す。 3 成

トアームH型ブロック共重合体（H-CP）を合成した。

分に相当する明確な相分離構造は確認できなかったもの

得られたポリマーの分子量、分子量分布、及び組成比の、ナノオーダーの均一なナノフィブリル構造が得られをTable 2にまとめた。いずれも設計通りの分子量、極た。

めて狭い分子量分布、及び設計通りの組成を有するポリ

以上、本節では、これまで合成が困難であった半導体

マーが得られたことが分かった。今回、PS/P3HTの組高分子鎖を中央にもつ新規ABC型トリブロック共重合

成は固定して、PnBAのMn値が11 K、23 K、及び94 K

体の精密合成に成功した。本手法は原理的には任意のと異なるサンプルを得た。

シーケンスのブロック共重合体の合成に展開可能であ得られた 3 種のサンプル（H-CP-39k/H-CP-56k/H-CP-

り、今後、ACB型やCAB型トリブロック共重合体の合140k）を用い、Figure 3aに示す光トランジスタメモリ素

成と電子特性や力学特性の評価を行う。

子を作製した。ホール輸送層にp型半導体のペンタセン
を、その下層の電荷トラップ用の電極層に今回合成した

3 ．ポリ（3-ヘキシルチオフェン）鎖を有するABCBA型/

H-CPをそれぞれ起用した。Figure 3bに、メモリ素子のミクトアームH型ブロック共重合体の精密合成と伸電気的書き込み（Vg= -100 V； 2 s）及び光消去（450 nm；

縮性光トランジスタメモリ材料への応用［8］5 mW cm -2； 5 s）後の伝達特性を示した。なお、Vdは

熊田-玉尾触媒移動型重縮合法により合成したω鎖末-100 Vであり、Vgの掃引は10～-100 Vとした。得られた

端にブロモブチル基を有するP3HT（P3HT-Br）とリビン

結果より、PnBAの組成が最も大きいH-CPが最も大きグアニオン重合法により合成したω鎖末端にTBSO基をなメモリウィンドウ
（ΔVg）を示したことが分かった。

有するPS（PS-OTBS）との高分子間反応により、鎖中になお、窒素雰囲気下では、メモリのON/OFF比が60日

TBSO基 を 有 す るABジ ブ ロ ッ ク 共 重 合 体（PS-OTBS-

間ほぼ一定で推移し、安定したメモリ特性を示した

P3HT）を 合 成 し た（Scheme 2）。TBAFに よ り、PS-（Figure 3c）。

OTBS-P3HTのTBSO基を水酸基に変換した後、5-ヘキ

Figure 4に、ポリジメチルシロキサン（PDMS）
支持膜

シン酸クロリドとの反応により、鎖中にアルキニル基をを用いた転写法［9］により作製した100％伸長薄膜の光学有するABジブロック共重合体（PS-Alkyne-P3HT）を得

顕微鏡像とAFM位相像を示す。いずれのサンプルにおた。次に、原子移動ラジカル重合（ATRP）法により合成

いても、100％伸長負荷後もマイクロ/ナノオーダーでの― 132 ―

Table 2

Synthetic results for homopolymers and block copolymers.
Composition（wt%）
PS：P3HT：PnBA

Polymer

Mn（Calcd）

Mw
（SEC）

Mn
（1H NMR）

ÐM

PS-OTBS

5,400

7,500

−

1.07

P3HT-Br5,300 f

6,700

5,300

1.09

0 /100/ 0

0 /100/ 0

PS-OTBS-P3HT

14,000 g

14,000−1.15

59/41/ 056/44/ 0

PS-OH-P3HT

14,000 g

14,000−1.13

59/41/ 058/42/ 0PS-alkyne-P3HT b

14,000 g

14,000−1.13

59/41/ 058/42/ 0nN3-P BA-N3-11k

20,000h

11,00011,0001.11

0 / 0 /100

0 / 0 /100

H-CP-39k c

39,000 g

39,000−1.06

41/28/31

39/27/34

N3-P BA-N3-23k

23,000h

23,00030,0001.13

0 / 0 /100

0 / 0 /100

H-CP-56k

51,000g

56,000−1.07

26/18/56

25/18/57

N3-PnBA-N3-94k

72,000 h

94,00091,0001.15

0 / 0 /100

0 / 0 /100

H-CP-140k

125,000

140,000−

1.16

12/ 9 /79

7 / 5 /88

n

d

e

f

g

Calcd a100/ 0 / 0

H NMR

1

100/ 0 / 0

Calculated based on the Mn values for P3HT/PBA determined using 1H NMR and the Mn values of PS determined using
SEC. b The same PS-Alkyne-P3HT sample was used to synthesize all the H-CPs. c A 1.9-fold excess of PS-Alkyne-P3HT wasused with N3-PnBA-N3-11k. d A 2.7-fold excess of PS-Alkyne-P3HT was used with N3-PnBA-N3-23k. e A 2.4-fold excess of PS［I］0 × molecular
Alkyne-P3HT was used with N3-PnBA-N3-94k. f Mn（calcd）= molecular weight（α,ω-chain-end unit）+［M］0 /weight（monomer unit）. g Calculated based on the Mn values of the precursory polymers determined using SEC. h Mn（calcd）.
= molecular weight（monomer）×［M］0 /［I］0 × conversion（based on gravimetry）+ molecular weight（initiator）
a

Figure 3．
（a）Device architecture of the photomemory.（b）Transfer characteristics of the memory devices with the H-CPs as. Noteelectrets after applying electrical writing（Vg = −100 V； 2 s）or photoerasing（450 nm； 5 mW cm −2； 5 s）
that Vd was −100 V, and the sweeping of Vg was from 10 to −100 V.（c）Stability of the memory device stored
over 60 days under nitrogen atmosphere.

― 133 ―

謝辞
本研究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。財団及び関係者の皆様に厚く御礼申し上げます。また、ポリマー合成及び解析は山形大学・稲垣伸氏、電子特性及び機械特性解
析は台湾・国立成功大学のYan-Cheng Lin助教にご協力をいただきました。心より御礼申し上げます。

Figure 4．
（ a）OM morphologies and（b）AFM phase
images of the stretched H-CP-39k（left）, H-CP56k（middle）, and H-CP-140k（right）films on a
PDMS support or on a wafer substrate at a 100%
strain. Note that the scale bars in（a）and（b）are
50 μm and 200 nm, respectively.

参考文献
1 ．Sun, Y.； Choi, W. M.； Jiang, H.； Huang, Y. Y.；
Rogers, J. A. Nature Nanotech. 2006, 1, 201–207.
2 ．J.； Wang, S.； Wang, G.-J. N.； Zhu, C.； Luo, S.；
Jin, L.； Gu, X.； Chen, S.； Feig, V. R.； To, J. W. F.；
Rondeau-Gagné, S.； Park, J.； Schroeder, B. C.；

クラックが全く観察されていないことから、伸縮負荷にLu, C.；Oh, J. Y.；Wang, Y.；Kim, Y.-H.；Yan, H.；

耐えうる半導体材料であることが分かる。これは、低Sinclair, R.； Zhou, D.； Xue, G.； Murmann, B.；

TgのPnBAセグメントの導入によるものと考えられる。

Linder, C.； Cai, W.； Tok, J. B.-H., Chung, J. W.；

AFM位相像からは、PnBAの組成比の最も小さなサン

Bao, Z. Science 2017, 335, 59-64.

プルは大きなナノドメインを形成しており、おそらく

3 ．Ashizawa, M.； Zheng, Y.； Tran, H.； Bao Z. Prog
Polym Sci. 2020, 100, 101181.

P3HTドメインの結晶化が促進されたためと考えられる。一方、PnBAセグメントの組成比を大きくすると、

4 ．Higashihara, T. Polym. J. 2021, 53, 1061-1071.

大きな結晶ドメインは観察されず、代わりにナノレベル

5 ．Peng, R.； Pang, B.； Hu, D.； Chen, M.； Zhang, G.；の相分離構造と思われる周期構造が出現することが分Wang, X.； Lu, H.； Cho, K.； Qiu, L. J. Mater.

かった。このナノ相分離構造が、膜全体に安定な電荷ト

Chem. C 2015, 3, 3599−3606.

ラップサイトを供与し、その結果、高いメモリ特性（高6 ．Higashihara, T.； Fukuta, S.； Ochiai, Y.； Sekine, T.；

ΔVg）に寄与したと推定している。以上、P3HT鎖を有Chino, K.； Koganezawa, T.； Osaka, I. ACS Appl.

する新規ABCBA型/ミクトアームH型ブロック共重合体

Polym. Mater. 2019, 1, 315-320.

の精密合成に初めて成功し、光トランジスタメモリ材料

7 ．Inagaki, S.； Higashihara, T. Polym. Chem.
2022,13, 3613-3618.

（電荷トラップ用電極材料）としての機能発現及び100%の伸長負荷に耐えられる高い機械特性を確認した。今後、

8 ．Inagaki, S.；Sung, C.-Y.；Chang, A.-C.；Lin, Y.-C.；

各セグメントの組成の効果に加え、ブロックシーケン

Chen, W.-C.； Higashihara, T. J. Mater. Chem. C

ス・分岐の効果をさらに検証して行く。

2023, 11, 6306-6316.
9 ．O’Connor, B.；Kline, R. J.；Conrad, B. R.；Richter,
L. J.；Gundlach, D.；Toney, M. F.；DeLongchamp,
D. M. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 3697−3705.

― 134 ―

申請者

大阪工業大学平郡諭

超分子ポリマーからなる超イオン伝導体の創成
大阪工業大学工学部

平郡諭

All-solid state batteries have emerged as very

エネルギー利用には機器の電気駆動化が必要不可欠であattractive alternatives to conventional liquid electrolyte

り、次世代 2 次電池が地球環境と経済に果たす役割は重cells, because of their enhanced safety and higher

要性を増している。現在最も利用されているリチウムイ

energy densities. The high ionic conductivity of solid

オン電池は性能だけでなくコスト面からも限界を迎えてelectrolyte plays a key role in the performance of allいる。リチウム資源は 8 割以上が南米に偏在しており、

solid-state batteries. To date, however, there have

現在日本はリチウム原料の100％を輸入に依存している。

been very few reports published on replacing lithium

その価格は南米各国の経済状況に大きく依存するため安ion by other ions, especially sodium ion, in the solid ion

定していない。また近年のリチウム需要の高まりによっconductors. Recently, the sodium ion conductors haveて価格が高騰している。リチウムイオン電池系の性能限been reported in inorganic material chalcogenide and界となるエネルギー密度や従来から懸念されている安全

metal organic framework, which are still insufficient性についても指摘されており、リチウムイオン電池を含

for use. The low ionic conductivity seems to be mainly

む既存の電池系を超えるエネルギー密度を有する新たなdue to the strong electrostatic interaction between the

革新電池、ポストリチウムイオン伝導性固体電解質の開carrier ions and the host framework. In order to

発が求められている。

develop the highly ion conducting materials, a deep

そこで我々は現行の電池系では到達しえないような高understanding of such materials should be necessary.

い性能を達成しえる可能性がある電池系として金属負極

As for organic materials, they have not been focused

電池に属するナトリウムイオン電池に着目した。ナトリ

on ionic conductors in spite of a large vacancies in

ウムは 1 ）地殻存在量がリチウムと比較して圧倒的に豊their lattice due to problems of chemical and富であること、 2 ）リチウムに次ぐ高い作動電圧があり

thermodynamic stability. Fullerene molecule has an

自動車の電動化に適していること、の有利性がある。本

ultimate zero-dimensional structure without hydrogen

研究課題では、脱レアメタル・遷移金属・有害物質を実

among other organic molecules. Especially, fullerene

現し、低コスト、高エネルギー密度を有するだけでなく、

based polymers indicate the higher structural stability

安全性の向上と地球と人類に優しい究極の電池となりえ

derived from neighboring bond. Therefore, we try to

るナトリウムイオン伝導性分子性固体電解質材料の開発

develop a new sodium ion conducting solid stateを目的とする。

electrolyte using molecular based polymers. They canbe expected to open a new class of ion conductive2 ．結果
分子性物質は無機系物質と比較して大きな結晶格子を

solids.

持ち、その格子中に比較的大きな空隙を有するためイオ
1 ．研究背景と目的

ン伝導体として有望でありながら、一般的な有機系物質

温室効果ガス削減とカーボンゼロ社会の実現に向けたは無機系物質と比較して構造が不安定であるという理由

世界的取り組みが急加速している。クリーンで高効率なからイオン伝導体としては注目されてこなかった。フ― 135 ―

図 1 ．ナトリウムドープフラーレン 2 次元ポリマー格子におけるマグネシウムイオンのホッピング伝導モデル

ラーレン化合物も同様にイオン伝導体の候補物質として

図 2 ．次世代 2 次電池における固体電解質の候補物質において期待される特性

注目を集めることはなかった。一方で、フラーレンポリ
マーはモノマー状態と比較して化学・熱力学的安定性に優れておりフラーレン 2 次元ポリマー中のファンデル
ワールスギャップを用いてイオン伝導が実現させられれば学術的にも極めて興味深い。そこで申請者は分子性固体におけるファンデルワールスギャップ中でのイオン伝導機構を提案する（図 1 ）。一般的に超イオン伝導を実現させるためには、 1 ） イオン拡散経路の大きさが可動イオンに適した大きさを有すること、 2 ） ホッピングサイ
トのポテンシャルエネルギー差が小さいこと、 3 ） 可動
イオンと副格子が大きな分極率を有すること、が挙げられる。本研究課題で提案するフラーレン 2 次元ポリマー
は分子性固体特有の大きな格子空隙と多くの空のイオン
サイトを有する（図 1 ）。イオンはフラーレン分子の六員環に面したサイトで安定位置となると考えられる。フ
ラーレン化合物においてドーパントイオンの分極率は大きいことが知られており、イオン伝導経路におけるホッ
図 3 ．合成した試料のX線回折プロファイル

ピングサイト間のポテンシャルエネルギーには差がない。これらを考慮すると金属がドープされたフラーレン
2 次元ポリマーは一般的に求められる超イオン伝導を実

昇華精製純度99.9%のC 60フラーレン（BBS chemicals）

現させるための条件を満たしている。Metal Organic

と純度99.9%のナトリウム金属（添川化学）を用いた。フ

Framework（MOF）や一般的な分子性物質と比較してラーレンは使用前に研究室にて繰り返し昇華精製し不純フラーレン 2 次元ポリマーは熱力学・化学的に安定であ物や吸着酸素、及び有機溶媒を取り除いた。研究室で保り骨格構造が無機系物質と同程度に丈夫であると考えら有しているアルゴングローブボックス内でナトリウム金れる（図 2 ）［ 1 ］。

属の酸化膜を除去し、昇華精製されたフラーレンと一緒

フラーレン 2 次元ポリマー格子中には炭素と可動イオンしか存在せず、有毒・遷移金属を全く含まないため他に石英管に導入した後真空封入して電気炉で一定時間熱処理した。

の固体電解質としての候補物質と比較して圧倒的な優位性を有している。

図 3 に合成した試料のX線回折プロファイルを示す。
組成は仕込み値である。出発物質であるフラーレンから― 136 ―

図 4 ．フラーレン 2 次元ポリマー骨格の構造モデル

図 6 ．Na12C60のLeBail解析

ドープフラーレンはナトリウムのドープ量に依存してモ
ノマー相 → 二次元ポリマー相 → モノマー相へと構造
相転移を起こすことが明らかとなった。
独自に測定セルを作製し交流インピーダンス法を用いて電気伝導度とその活性化エネルギーを調べた。交流イ
ンピーダンスでは典型的なNyquistプロットが得られ、温度に依存して電気伝導度は系統的に変化した。室温における電気伝導度は4.8×10-5 Scm-1と見積もられ、交流
インピーダンスの温度依存性から活性化エネルギーは
0.36 eVと見積られた。測定には粉末状試料を室温で加図 5 ．Na4C60のLeBail解析

圧成形し焼結せずにそのまま測定した。電気伝導度はよ仕込み値に依存してX線回折プロファイルが変化していり純良な試料を合成し、加圧成型後の焼結条件の最適化る。それぞれのX線回折プロファイルにおいてフラーレや電極と試料間の接触抵抗の低減を実現すればさらに向ン由来ではない新たなX線回折ピークが観測されてお上させることが可能であると考えている。373 Kにおい

り、ナトリウムがフラーレン格子に系統的にドープされて電気伝導度が7.0×10-2 Scm-1を示した。現在報告があていることがわかる。ナトリウムをドープしたNa4C60はる無機系固体電解質には及ばないまでも比較的高い電気

隣り合う 4 つのフラーレン分子同士が結合した二次元構

伝導度を有していることは大変興味深い結果と言える造を示すフラーレン二次元ポリマー相であることを提案［4, 5］。分子性物質が固体電解質になりえることを示しする（図 4 ）。その構造についてはLe Bail解析とフーリている。

エ変換赤外分光法を用いて調べた。図 5 はNa4C60におけ本研究成果は次世代全固体電池がレアメタルや重金

るX線回折プロファイルのLeBail解析の結果である。空属、有毒元素を用いずに分子性物質で実現可能であるこ間群P12/m1、格子定数a=9.97、b=14.36、c =10.27Å、とを強く示唆した結果である。一方で試料中のキャリア

β =112.5°と見積もられた。一方、ナトリウムドープフの詳細については慎重に調べ検討する必要があり、再現

ラーレンナトリウム飽和相と考えられるNa12C60はその性の確認を含め今後のさらなる研究の発展させねばなら

Le Bail解析から空間群P12/m1、格子定数a = 11.15、bない。

=10.11、c=8.43Å、β=104.9°と見積もられモノマー相であることが示唆された（図 6 ）［2, 3］。ナトリウム― 137 ―

3 ．謝辞

Ricco, Li 12C 60： A lithium clusters intercalated

本研究に対し多大なご支援を賜り心よりお礼申し上げ

fulleride, Chemical Physics Letters 609, 155-160

ます。ご厚意は私にとって大きな栄誉であり今後の研究
活動の励みとなりました。公益財団法人松籟科学技術振（2014）.
［ 3 ］T. Yildirim, O. Zhou, J. E. Fischer, N. Bykovetz, R.

興財団に深く感謝申し上げます。

A. Strongin, M. A. Cichy, A. B. Smith, C. L. Lin, R.
Jelinek, Intercalation of sodium heteroclusters

4 ．参考文献

into C60 lattice, Nature 360, 568-571（1992）.

［ 1 ］Y. Iawasa, T. Arima, R. M. Fleming, T. Siegrist, O.

［ 4 ］N. Kamaya, K. Homma, Y. Yamakawa, M.

Zhou, R. C. Haddon, L. J. Rothberg, K. B. Lyons, H.

Hirayama, R. Kanno, Nature Materials 10, 682–686

L. Cart er Jr., A. F. Hebard, R. Tycko, G.

（2011）.

Dabbagh, J. J. Krajewski, G. A. Thomas, T. Yagi,［ 5 ］Z. Zhang, E. Ramos, F. Lalere, A. Assoud, K.

New phases of C60 synthesized at high pressure,Kaup, P. Hartman, L. F. Nazar, Na11Sn2PS12： a

Science 264, 1570-1572（1994）.

new solid state sodium superionic conductor,［ 2 ］F. Giglio, D. Pontiroli, M. Gaboardi, M. Aramini, C.
Cavallari, M. Brunelli, P. Galinetto, C. Milanese, M.

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Energy Environmental Science 11, 87（2018）.

研究報告集第 35 集 （非売品）

2024年 3 月 1 日発行
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