hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
レアメタルを用いないカップリング反応による精密合成設計

本研究では、未来に残る持続可能な分子変換の実現を目指し、レアメタルを用いないカップリング反応剤として低毒性かつ安全で天然に豊富に存在するヨウ素を鍵として用いる、有用物質の合成を志向した新規反応システムの設計と開発を行った。実施計画最終年度となる平成27年度は、これまでの基盤計画研究を完遂するとともに、独創的な有機合成手法の確立と有用物質の創生を視野に、我々がすでに有するヘテロ原子等の導入技術や連続的カップリング法等と組み合わせ、天然物や生物活性物質、高分子重合体等への応用研究を推し進めた。また、これまでに開発した革新的メタルフリーヨウ素カップリング法の拡大展開として、それぞれの活性種や活性化法を組み合わせた新しいハイブリッド型カップリング法の開発や炭素ー炭素結合形成以外への応用、カップリングの連続化、カップリング法におけるキラル中心の不斉制御、複雑な天然物合成への応用についての目標を概ね達成した。我々のヨウ素触媒法の有用性を相対的に図る尺度として、慣用的な遷移金属触媒を用いたカップリング法との比較を行い、その優位性や特徴を明らかにするとともに、リサイクル等の実用的な反応剤や有機触媒酸化カップリング法への展開、環境にやさしい無溶媒および水中での反応系を開発することで、未来に残る持続可能な分子変換技術としての質的変換についても前進させた。以上の研究を通じて、新学術各領域研究者間での応用用途に関する共同研究を率先して進め、期間内での研究計画の着実な遂行と新たな研究領域の創造に向けた柔軟な取り組みを行った。特に最終年度は、関係のある物理化学や計算化学の研究者との連携により、本課題についての実験化学的結果と理論化学との整合化を図り、今後の新しい有機合成化学的手法の開発展開へとつながる有益な反応化学的知見を得た。申請者らは環境調和型反応や不斉反応などの物質合成を志向した分子変換の実現を目指し、低毒性かつ安全で天然に豊富なヨウ素を鍵として用いたレアメタルを用いない新規反応の開発を行った。その主な成果として、有機ヨウ素分子触媒を用いる芳香族化合物のクロスカップリングの開発に成功し、有用化合物合成へと展開した。さらに、ヨウ素反応剤を不斉有機分子触媒として用いることで、有用な不斉反応の開発にも成功した。目標とする生物活性天然物の全合成やその立体中心の選択的な構築を目指し、特に希少金属に近い反応性を示す高原子価のヨウ素や硫黄、酸素(オキソニウム)などの性質を利用した新反応や反応剤を開発した。【官能基化スピロ環構築:ラクトナマイシンの改良合成】ヨウ素反応剤を用いる芳香環の酸化とホモフタル酸無水物の環化反応を用い、申請者らは最短となる20工程以下でのラセミ全合成をほぼ達成した。さらに不斉全合成の実現に役立つ、新規官能基化スピロ環構築に成功した。【キノンースピロ型新規抗がん剤を標的とした精密合成】γ-ルブロマイシンのAE環に相当する光学活性なユニットの合成と不斉合成と類縁体の合成を検討した。また、in vivoで活性を示す強力な活性を持つディスコハブディン類の誘導体合成と分子設計を行った。【キラルオキソニウムイオン中間体を利用する有機合成反応】
非晶質ナノシリカのアレルギー性気管支喘息および自己免疫疾患に与える影響

非晶質ナノシリカのアレルギー性気管支喘息を含むアレルギー疾患および自己免疫疾患に対する影響について検討するため、本ナノ粒子のアジュバント作用および経口免疫寛容誘導阻害効果の有無ついて調べた。マウスにANを卵白アルブミン(OVA)とともに皮下投与すると、OVAに対するTh1、Th2およびTh17免疫応答は促進された。また、非晶質ナノシリカをOVAとともに免疫前に経口投与すると、OVA特異的経口免疫寛容誘導は阻害され、またTh1、Th2およびTh17サイトカイン産生抑制も阻害された。したがって、非晶質ナノシリカの暴露によって、アレルギー疾患および自己免疫疾患は誘導あるいは増悪する可能性がある。近年,医薬品分野において薬物動態の改善を目的としたナノ化製剤が注目を集めているが、製剤をナノ化することによる生体への影響は未だ知見が乏しい。そこでナノマテリアルの中で最も汎用されているものの一つである非晶質ナノシリカ(nSP)を用いて免疫系に及ぼす影響を検討した。方法として、マウスへの卵白アルブミン(OVA)免疫時にnSP (粒子径:30 nm)を併用投与(3,30,300 ug/マウス)し、投与21日後の血清中抗原特異的抗体量(IgG, IgG1, IgG2a, IgE)、採取脾臓細胞の培養上清中のサイトカイン量(IFN-gamma,IL-4,IL-5,IL-10,IL-17)、脾臓細胞増殖反応を評価した。その結果、nSPは用量依存的に抗OVA IgG抗体産生を促進することを見出した。またnSPによって抗原特異的脾臓細胞増殖反応も用量依存的に増強された。このことからnSPはアジュバント効果を有することが示唆された。また液性免疫の指標であるTh2型抗OVA IgG1及びIgE抗体、細胞性免疫の指標であるTh1型抗OVA IgG2a抗体を測定した結果、両者においてnSPによる用量依存的な抗体産生増強が認められた。更に培養脾臓細胞によるサイトカインに関しても、今回測定した全てのサブタイプのTh細胞(Th1,Th2及びTh17)由来のサイトカイン産生が促進されていた。このことから、nSPはTh2型を選択的に誘導する一般的な粒子アジュバントとは異なり、免疫応答全般を促進することが示唆された。非晶質ナノシリカ(nSP)の用途は広く、ファンデーションの化粧品基材、食品の固結防止・流動化剤、歯の充填剤などに用いられているが、一方、その細胞毒性の可能性が示唆されている。しかし、自己免疫などの免疫系に与えるnSPの影響に関する研究は少ない。本研究では、nSPの自己免疫系に与える影響について自己抗体産生、免疫細胞増殖およびサイトカイン産生について検討した。自己抗原としては代表的な自己免疫疾患である関節リウマチの実験病態モデルであるコラーゲン関節の発症に用いられるII型コラーゲン(CII)を用いた。実験系としては、マウスへのCII免疫時にnSP(粒子径:30 nm)を併用皮下投与(3, 30, 300 ug/マウス)し、投与後21日に血清中CII特異的抗体(IgG, IgG1, IgG2a)、in vitroでのCIIに対する脾臓増殖反応、その細胞培養上清中のサイトカイン(IL-2, IFN-gamman, IL-4, IL-17)を測定した。その結果、nSPは用量依存的に抗CII IgG, IgG1, IgG2a産生を促進することを見出した。また、nSPによってCII特異的な脾臓細胞の増殖は増強された。さらに、nSPは脾臓細胞によるIL-2, IFN-gamman, IL-4, IL-17産生をすべて促進した。これらの結果は、nSPは自己免疫系に対しアジュバント作用、すなわち自己免疫反応を促進する可能性を示唆している。非晶質ナノシリカ(nSP)は、化粧品基材、食品の凝結防止・流動化剤、歯の充填剤などに用いられているが、その細胞毒性の可能性が示唆されている。本研究では、主要なアレルゲンとして知られている卵白アルブミン(OVA)に対する免疫応答に対するnSPの効果について検討した。方法としては、Balb/cマウスに対するOVA免疫時に種々の用量のnSP(粒子径:30 nm)を併用して皮下注射し、投与後、経時的にOVAに対する血清中のIgG、Th1細胞依存性抗体(IgG2a)およびTh2細胞依存性抗体(IgE、IgG1)を測定した。また、In vitroにおいてOVAに対するT細胞増殖反応、その細胞培養上中のTh1サイトカイン(IL-2、IFN-gamma)、Th2サイトカイン(IL-4、IL-5)およびIL-17を測定した。その結果、nSPは抗OVA抗体産生およびT細胞増殖反応を促進した。また、Th1およびTh2細胞依存性抗体産生は共に促進された。サイトカイン産生においても、nSPはTh1のみならずTh2サイトカイン産生を増強した。以上の結果から、nSPはアレルギーに関与するTh2免疫応答のみならず、Th1免疫応答をも促進し、免疫応答全般を増強することが示唆された。また、nSPはTh17産生も増強させたことから、アレルギー性炎症のみならず、様々な原因によって誘導される炎症反応をも促進する可能性がある。非晶質ナノシリカ(nSP)はそのサイズがきわめて小さいことから、その細胞毒性をはじめとする生体への影響が危惧されている。

本研究によってnSPは代表的アレルゲンである卵白アルブミン(OVA)に対する抗体産生、リンパ球増殖反応、Th1およびTh2免疫応答を促進したことから、本ナノ粒子はアレルギー反応およびアレルギー疾患を促進あるいは増悪する可能性が示唆された。本研究によって、nSPなどのナノ粒子がアレルギー疾患に影響を与えうることが明らかになったため。非晶質ナノシリカは化粧品基材や食品添加物などに汎用されているが、一方、その暴露によってリンパ節、脾臓等の免疫組織への移行が報告され、免疫系へ影響を与える可能性がある。本研究では、食物アレルギー阻止に重要な役割を果たしている経口免疫寛容に与える影響について検討した。実験動物にはBALB/cマウスを使用し、抗原感作のため卵白アルブミン(OVA、0.1 mg)を完全フロントアジュバントと共に皮下投与し免疫を行った(day 0)。経口免疫寛容誘導のため、免疫前に5日間(day -5day -1) 1日1回25 mg OVAを計5回経口投与した。非晶質ナノシリカは各OVA経口投与直前に経口投与した。Day 21に血清および脾臓細胞を回収し、血清中の抗OVA抗体、抗原特異的脾臓細胞増殖反応、本細胞による種々のサイトカインを測定した。その結果、経口免疫寛容誘導によって抑制された抗OVAIgG、IgG2a、IgG1、IgE抗体産生、脾臓細胞増殖反応、およびIFN-gamma、IL-4、IL-17産生はすべて有意に阻害された。本阻害効果はOVAをday -5に1回のみ経口投与した場合にもみられた。したがって非晶質ナノ粒子はTh1、Th2およびTh17経口免疫寛容誘導に対し、非選択的に阻害することが明らかにされ、本ナノシリカ暴露によって食物抗原に対するアレルギーが誘導される可能性は否定できないと思われる。今後、非晶質ナノシリカによる経口免疫寛容誘導阻止の詳細なメカニズムについて検討する必要がある。非晶質ナノシリカのアレルギー性気管支喘息を含むアレルギー疾患および自己免疫疾患に対する影響について検討するため、本ナノ粒子のアジュバント作用および経口免疫寛容誘導阻害効果の有無ついて調べた。マウスにANを卵白アルブミン(OVA)とともに皮下投与すると、OVAに対するTh1、Th2およびTh17免疫応答は促進された。また、非晶質ナノシリカをOVAとともに免疫前に経口投与すると、OVA特異的経口免疫寛容誘導は阻害され、またTh1、Th2およびTh17サイトカイン産生抑制も阻害された。したがって、非晶質ナノシリカの暴露によって、アレルギー疾患および自己免疫疾患は誘導あるいは増悪する可能性がある。ナノ粒子はそのサイズがきわめて小さいことから、その細胞毒性をはじめとする生体への影響が危惧されている。本研究によってnSPは自己抗体産生、脾臓細胞増殖反応、免疫応答に関わるサイトカイン産生を増強することから、本ナノ粒子は自己免疫反応を促進することが明らかとなった。したがって、nSPは自己免疫疾患に対し影響を及ぼす可能性が示唆されたことから、本研究によって新規の重要な知見が得られたと考える。これまでの研究によって、nSPはアレルギー反応における免疫応答を促進することが明らかになったが、これはnSPがアジュバント作用を有することを示唆している。
電磁場つき非線型シュレーディンガー方程式の研究

非線型シュレーディンガー方程式は数学的対象としての重要性のみならず、物理学や工学などでの現象を記述する際にも重要な方程式である。本研究では、特に磁場つき非線型シュレーディンガー方程式の非自明解の多重存在とその性質について研究を行い成果を上げることができた。具体的には、ある種の非線型項と、磁場が有界な零点集合の内点(磁場井戸)を持つ場合に、強磁場極限においては、磁場井戸に集中していく非自明解が複数個存在し、空間的には指数減衰することを示した。本年度は磁場つき非線型シュレーディンガー方程式の解の存在と性質について研究を行った。得られた結果は次の通りである。単純冪型を含む非線型項をもつ磁場つき非線型シュレーディンガー方程式に対して、空間遠方で一様に正の強さを持つ磁場の零点集合が有界でなめらかな内点(磁場井戸)を持つ場合、磁場の強さパラメータを大きくする強磁場極限において、この方程式がいくらでも多くの非自明解をもつこと(多重存在)と、適当な位相において内点集合上のディリクレ問題の解への収束が証明できた。既に研究が多くなされている電場ポテンシャルの場合の、Bartsch-Pankov-WangらによるFountain型定理を利用する方法と、スペクトル理論における、Herbst-Nakamuraらによる強磁場に関するレゾルベント収束に関する結果を組み合わせて証明を行った。電場ポテンシャルのみの場合と異なり、磁場井戸の場合は、磁場自体の零点集合と磁場のベクトルポテンシャルの零点集合が一般には大きく異なり、これら二つの零点集合の位相幾何的な関係によってスペクトル論的性質が大きく異なってくる。また、単純な線型部分の2次形式としての下からの評価ができない。これらの理由が問題解決の困難であったが、測度的な意味で二つの零点集合が殆ど一致している場合には、適切な仮定の下で、上記の結果を得られた。これらの結果は現在、学術論文として投稿中である。また、更に同じ方程式において、零点集合が幾つかの連結成分を持つ場合のMulti-bump解の存在や、それぞれの解の空間遠方での減衰評価についても、概ね満足すべき結果が得られたので、現在結果として纏めているところである本年度は磁場つき非線型シュレーディンガー方程式のmulti-bump解の存在と性質について研究を行った。単純幕型を含む非線型項をもつ磁場つき非線型シュレーディンガー方程式に対して、空間遠方で一様に正の強さを持つ磁場の零点集合が有界でなめらかな内点(磁場井戸)を持つ場合、磁場の強さパラメータを大きくする強磁場極限を考察した。磁場の零点集合が幾つかの空でない有限個の連結成分をもつとき、零点集合の内点の境界に対する適当な条件の下で、磁場の強さを表すパラメータを大きくしてゆくとき、この方程式がそれら連結成分のうち任意の有限個の成分の近くに集中する非自明解の存在を示した。また、その非自明解が適当な位相において内点集合上のディリクレ問題の解への収束が証明できた。さらに、解の空間遠方における指数的減衰評価も導くことが出来た。既に研究が多くなされている電場ポテンシャルの場合の、Ding-TanakaやTangらによるDeformation Flowを用いた変分的な証明方法を用いた。その際、電場ポテンシャルのみの場合と異なり、磁場のベクトルポテンシャルと磁場の強さの2つの零点集合の関係に注意しつつ、磁場の零点集合の連結成分の内点の境界にノイマン条件をつけた磁場つき線形シュレーディンガー作用素に付随する2次形式の下からの評価を工夫し組み合わせることによって結果を得ることが出来た。また、解の空間的指数減衰評価は、Bartsch-Ding-Wangらの論文にある方法とAgmon評価を利用することによって得られた。(なお、以上の結果は現在査読つき論文として投稿中である。)本年度は昨年度までに引き続き、磁場つき非線型シュレーディンガー方程式のmulti-bump解の存在と性質について研究を行った。具体的には、単純冪型を含む非線型項をもつ磁場つき非線型シュレーディンガー方程式に対して、空間遠方で一様に正の強さを持つ磁場の零点集合が有界でなめらかな内点(磁場井戸)を持つ場合、磁場の強さパラメータを大きくする強磁場極限を考察した。磁場の零点集合が幾つかの空でない有限個の連結成分をもつとき、零点集合の内点の境界に対する適当な条件の下で、磁場の強さを表すパラメータを大きくしてゆくとき、この方程式がそれら連結成分のうち任意の有限個の成分の近くに集中する非自明解を持つかどうか、また、それらが上記の磁場井戸(零点の内点集合)におけるディリクレ条件付きの磁場なしの非線型シュレーディンガー方程式の非自明解に何らかの意味で収束するかどうかについて研究を行った。昨年度までの研究において、空間次元が2または3のときには、磁場なしかつ電場ポテンシャルのみの方程式に対して開発されている、対応する汎関数のレベル集合におけるある種のDeformation Flowを用いる手法を用いることにより、結果が得られている。

今年度は、この証明において、高次元の場合は関連する磁場つき線形シュレーディンガー作用素に付随する2次形式の下からの評価を工夫する必要があることが分かり、この点については更に研究を進めているところである。これまでに、磁場井戸をもつ非線型シュレーディンガー方程式の強磁場極限において、非自明解の多重存在、解の磁場の零点集合の周りへの局在化現象、multi-bump解の存在と指数減衰評価について示すことが出来たが、解の減衰評価の精密化、分岐現象の解析については克服すべき技術的困難が多いため、時間的にやや遅れている。24年度が最終年度であるため、記入しない。現在の研究計画に従って研究を更に進める予定である。具体的には、すでに得られた結果において磁場井戸やポテンシャルの条件を弱められないか考察する。解の空間的減衰については、磁場の強さや空間の幾何学的状況を反映した、より精密な指数減衰評価について考察する。解の分岐現象との関係についても明らかにしたい。いずれにおいても、同時に、必要な線形シュレーディンガー方程式のスペクトル論的性質について、これまで知られている結果以上の精密な解析・考察が必要となると思われる。
伝統木造建築物保全のための3次元情報管理システムの開発研究

実際の木造伝統建築の改修工事を事例として、VR(バーチャル・リアリティ)技術をベースとした3次元の部材情報管理システムのプロトタイプを構築した。具体的には、耐震補強部材を含んだ3次元の木造軸組モデルと損傷内容や補修内容を含んだデータベースを連動させ、それらを統合的に閲覧・分析できるシステムである。データベースには写真画像も登録でき、インタラクティブ且つビジュアルな保全活動の支援環境となった。現在改修工事中の伝統木造建築物(寺院1棟)を事例として、3次元情報管理システムの開発に関して以下の作業を進めた。(1)システムの枠組みの検討事例とした寺院の管理者や耐震調査研究委員会、工事関係業者との意見交換を通して、建物の保全に必要な情報項目やその管理に必要なシステムの枠組みや実現すべき機能性の優先順位について整理した。具体的には、改修工事に伴い実施された損傷調査や補修内容を優先的に機能対応することとなった。(2)システム詳細設計のためのデータサンプリングとシステム運用モデルの検討(1)データサンプリングとその分析工事関係業者から、部材単位の調査情報(部材損傷、補修、耐震補強内容)の提供を受け、従来の部材情報の項目も含めてシステム内に蓄積する方法について検討した。(2)システム運用モデルの検討建物の将来的な維持管理や定期点検については建物管理者や耐震調査研究委員会等でまだ十分に議論されていないため、システムの長期運用方法については次年度の確定作業とする。(3)システムの機能設計とプロトタイプの開発(1)3次元部材オブジェクトを介した建物各部の多元的な情報集約機能の仕様設計と開発伝統木造建築物保全に必要な部材の属性情報(基本情報、損傷状況、補修内容など)を整理し、仮想空間内でそれらを3次元の部材モデルに直接入力できるインターフェイスを設計し、開発した。(2)場所の記憶に基づいた情報管理・参照3次元部材モデルのクリックにより(1)で入力された属性情報を閲覧できる機能、特定の属性情報から関連部材を検索してそのモデルに視点を合わせる機能などを設計し、開発した。(3)各種部材情報の存在・種類・内容の可視化属性情報の種類・内容に基づいて、該当する部材モデルを仮想空間内でカラーリングして種類別・ランク別にハイライトする機能を設計し、その基本機能(締め金物の枚数に応じて色分け表示する機能)を開発した。研究の目的は、伝統木造建築物の保全活動を支援するための、(1) 3次元建物モデルの情報集約、(2)場所の記憶に基づいた情報管理・参照、(3) 3次元モデル内での各種情報の可視化等を可能とするシステムの開発である。平成19年度に試作システムを構築し、平成20年度はその試験利用や評価、および若干のシステム改訂を行う予定であった。しかし、初年度は開発したシステムの機能性が当初予定したレベルまで到達できなかったことや、モデルケースとなった東本願寺御影堂の今後の維持管理手法の議論の中で、システムの維持・利用に関する技術や人材の確保といった面で困難な点が多いという意見があった。これらを受け、2年目はシステムの更なる機能向上により、維持管理作業における情報技術活用のイメージを更に具体化し、その可能性を模索するという方向で研究を進めた。まず年度の初めにシステムの詳細な機能設計を行い、システム開発コンサルティング会社との打ち合わせを経て、その仕様を決定した。前年度システムでは部材DBの検索項目や仮想空間内での部材のカラーリング表示などが1つの属性項目に限定されていたのに対し、新しいシステムでは部材の損傷状況や補修内容など複数項目でも検索可能とし、AND/OR検索にも対応するものとした。開発の結果、膨大な数の部材の中から特定の部材を検索することが容易になった。また、検索結果をリスト表示できるようにし、リスト上で任意の部材に任意の色を割り当て、3次元モデル上でハイライト表示する機能も開発した。検索項目は3種の属性項目のみであるが、表示リスト内には他の属性も含まれており、リスト内での柔軟な色設定が行える。これらの機能や、ハイライト時には関係しない部材を半透明表示にする等の補助機能により、部材の損傷状況や補修状況を直感的に検索でき、それらを3次元的に分かりやすく表示可能なシステムが実現した。
ポリマー／分散無機超微粒子界面制御による新しいナノコンポジットデザインと機能創出

シリカ/ポリプロピレン系とシリカ/エポキシ樹脂系ナノコンポジットに注目し,ポリマー/分散無機粒子界面制御に基づいた新規ナノコンポジットの材料設計と機能創出に関する基礎研究を実施した。前者の系では,シリカとPP母材間の界面付着力を制御することで剛性と靭性を兼ね備えたナノコンポジットが創製された。後者の系では,分散ナノシリカの親水性表面の水酸基に由来する界面相互作用によりエポキシ分子鎖の熱運動が拘束されるため,ナノコンポジットの大幅な熱膨張抑制とガラス転移温度上昇が確認された。本研究より,ポリマーと粒子間の界面制御が革新的ナノコンポジット創製に繋がる有用な設計パラメータとなり得ることが示唆された。本研究は、シリカ/ポリプロピレン(PP)系とシリカ/エポキシ樹脂系を対象ナノコンポジット系とし、【第1段階】ナノ分散性が同水準で母相樹脂と分散ナノシリカ界面状態のみを段階的に変化させた有機・無機ナノコンポジットの調製→【第2段階】上記界面性状が各種材料特性に及ぼす影響の解明→【第3段階】上記界面制御により新機能を有するナノコンポジット調製条件の最適化という流れで、3年間の実施を予定している。初年度である本年度は以下の内容で実施した。研究代表者らが開発したナノ粒子表面の疎水化改質処理を用いない簡便な有機・無機ナノコンポジット調製技術を発展させた方法を用い、シリカゾル水溶液中のコロイダルシリカナノ粒子の表面の疎水性の強さ(親・疎水性の程度)を界面活性剤の吸着量や加熱処理条件の制御により段階的に変化させ、母相樹脂成分とのブレンドによる複合化を図った(【第1段階】)。樹脂と複合化するシリカの表面分析および樹脂成分との複合化後の分散シリカ/樹脂母相界面のぬれ性の評価により、界面の性状や物理的・化学的相互作用の強さを任意に制御可能であることを確認した。なお、シリカ/母相樹脂界面制御型ナノコンポジットの調製に際しては、シリカの表面分析に加えて、樹脂成分とのブレンド時の解砕分散性を左右する解砕強度測定等のシリカの特性評価も実施し、ナノ分散技術としての適切な調製条件の検討も行った。さらに、【第1段階】の要素研究が、計画を上回る進捗速度で進展したので、次年度の実施計画としていた【第2段階】の要素研究にも着手した。結果として、シリカ/PP系では、分散シリカ表面の親・疎水性の違いにより、機械的特性や結晶化挙動に影響を及ぼすことを明らかにした。さらにシリカ/エポキシ樹脂系においては分散シリカ表面の水酸基量の違いにより、ナノコンポジットの熱膨張特性や耐熱性に影響を及ぼすことも実証した。研究開始年度である本年度は、本研究遂行の基盤となる対象ナノコンポジット系の調製(【第1段階】)を主とした研究内容で、「研究実績の概要」欄でも記した通り、着実に成果を上げることができ、既に国内外の学会・会議にて発表している。とりわけ、シリカ/樹脂母相界面のぬれ性や相互作用の強さが異なるすべてのコンポジットにおいて同一水準の良好なナノ分散性(一次粒子単位の均一分散状態)を達成した結果については、樹脂母相中での分散性向上を目的とした無機ナノ粒子の表面改質が前提となっている従来型の有機・無機ナノコンポジットの調製技術では実現することが困難な成果であるといえ、本年度の研究は順調に実施されたものと判断される。加えて、分析評価の外部委託や研究室外の設備の貸与等の融通を図ったことにより研究実施の効率化に繋がったことで、当初の計画を上回る進捗速度での遂行が可能となり、次年度実施予定であった【第2段階】の要素研究を繰り上げて着手することができ、こちらの研究成果についてもその一部を学会・会議や書籍にて公表している。以上の理由により、本年度の進捗状況の区分を(1)とした。研究の中間年度である本年度は、当初計画を踏まえ、シリカ/ポリプロピレン(PP)系およびシリカ/エポキシ樹脂系ナノコンポジットを対象とし以下の研究を実施した。前年度【第1段階】として確立した調製法により得られたシリカ/ポリマー間界面相互作用を任意に制御した両コンポジット系について、前年度既に着手している【第2段階】の要素研究を継続し、界面相互作用がナノコンポジット全体の特性に及ぼす影響を調査した。PP系については、分散シリカ表面の親・疎水性制御によりPPとの界面付着力が変化することで、固化成形時のPP相の結晶組織形成挙動や製品としての機械的特性にも多大な影響が及ぼされることがわかった。PP結晶組織への影響としては結晶化速度の解析により、シリカ分散の有無や表面の親・疎水性の違いで結晶の発生頻度や成長速度が大きく変化することがわかった。一方、機械的特性については、PPと濡れ性の悪い状態の親水性シリカを均一ナノ分散させることで、従来型複合材料ではトレードオフの関係となる剛性と靱性の両立に成功した。エポキシ樹脂系については、親水性シリカを樹脂中に均一高充填分散させることで、従来の複合則に基づいた熱膨張率の低減予測を凌駕する高効率な熱膨張抑制を達成した。エポキシ樹脂のポリマー鎖の熱運動性を解析し、熱膨張抑制には親水性シリカとポリマー界面の水酸基由来の相互作用(現状では水素結合と推定)が影響を及ぼす可能性が高いことがわかった。さらに、最終年度実施予定の【第3段階】として、新機能発現に繋がる界面制御型ナノコンポジット調製条件の最適化に関しても検討を開始した。

両コンポジット系とも、ポリマーとの濡れ性の悪い親水性シリカを如何に微細均一高充填分散させるかが鍵となるため、【第1段階】の要素研究に立ち返り、ポリマー中でのシリカ解砕がより進みやすい弱集合体の事前調製条件の最適化に着手した。本年度は、前年度確立した技術により調製したシリカ/ポリマー間界面制御型ナノコンポジットの各種材料特性が界面相互作用によりどのような影響を受けるかという本研究全体の成否を左右する重要な【第2段階】の要素研究の実施期間に充てられてきたが、先掲の「研究実績の概要」欄でも記した通り、交付申請書記載の当初計画に基づいて着実に成果を挙げてきた。既に、これらの成果は国内学会での発表にとどまらず、国際会議を通して海外に向けても発信されている。とりわけ、国際会議(ECCM2017)において発表したシリカ/エポキシ樹脂系ナノコンポジットの調製と熱膨張抑制に関する成果は、複合則に立脚した従来型複合材料の特性を大きく凌駕する本研究で開発したナノコンポジット系ならでは特性であることからポリマー系複合材料の可能性を広げる新たな設計指針となりうることを示唆するものである。さらにこれらの成果は、国内の化学メーカーとの共同研究にも繋がっており、我が国の産業の成長・発展にも貢献する可能性も有していることから、当初の計画を上回る成果が創出されたと判断した。加えて、当初の計画では最終年度で実施予定の【第3段階】の要素研究であるシリカ/ポリマー間界面制御型ナノコンポジットの調製条件の最適化についても、予定を繰り上げて着手済みでありスムーズに最終年度の研究に移行できる準備は整っている。このように当初計画の予想を上回る進捗速度で研究が遂行されていることから、最終年度において研究をまとめるのに十分な時間を確保可能な状況にある。以上の理由より、本年度の進捗状況の区分を(1)とした。最終年度にあたる本年度は、本課題研究のまとめとして、フィラー/ポリマー間界面相互作用を制御しつつ、ポリマー中へのフィラーのナノ分散を達成することができる手法により調製したシリカ/ポリプロピレン(PP)系およびシリカ/エポキシ樹脂系ナノコンポジットの特性評価を中心に実施し、両コンポジット系の実用化のための以下の知見を得た。PP系では、前年度までに、樹脂母相と適度なぬれ性(付着力)を持たせたコロイダルシリカとの複合化により剛性と伸び性・靱性の両立させることができる可能性が見いだされたので、これら機械的特性が最も優れた値を示す最適なPP母相とのぬれ性を明らかにした。なお最適なぬれ性は、分散させるシリカ表面への界面活性剤吸着量を制御することで容易に実現でき、フィラー/ポリマー母相界面制御型ナノコンポジットを簡便に調製可能であることを実証した。エポキシ樹脂系では、コロイダルシリカと樹脂間の界面での水素結合が樹脂母相の熱膨張抑制に寄与するという前年度までに導かれた予想を、分散シリカとの界面近傍でのエポキシ分子鎖の熱運動性を定量的に評価することで実証することを試みた。さらに、この界面相互作用が樹脂母相の耐熱性向上にも寄与することも明らかにした。以上、ナノ分散したシリカフィラーとの界面制御によるポリマー系コンポジットの特性向上を、特性発現メカニズムの観点から実証する基礎データを蓄積することができ、実用化に繋がる知見を得た。
抗がん剤カンプトテシンと複製フォーク

複製開始因子Cdt1が過剰になると複製フォーク進行に関わるMCMの活性を阻害した。フォークを移動できるTipinの遺伝子破壊株で、低濃度カンプトテシン(DNAトポイソメラーゼ阻害剤)暴露により、DNA二重鎖切断が野生型株に比べ増加し、その帰結としてのチェックポイント異常亢進が明らかになった。一方、早老症ウェルナー症候群遺伝子産物WRNと相互作用できるWRNIP1は、UV照射時にTranslesion Synthesis (TLS)に関わるPolηの上流で機能すること、WRINP1の過剰発現がTLSに関わるPriPolの量を低下させることなどを明らかにした。本研究では、真核細胞のDNA複製フォーク進行における「"二本鎖DNAの巻き戻し"と“フォーク前方のtorsional stressの解消"を連動させる制御機構」の解明を目指す。前者の反応はMCMヘリカーゼが、後者はDNAトポイソメラーゼI (Top1)が主にその役割を担うが、その両者の反応を連動させる制御機構についての知見はない。申請者はこれまでに、Tipin (MCM複合体とともに複製フォークと供に移動できるタンパク質)が、MCMのヘリカーゼ反応とTop1のtorsional stress解消反応を連動させる可能性を見いだしている(J. Biol. Chem. 289, 11374-11384, 2014)。従って、TIPIN遺伝子がノックアウトされた脊椎動物細胞の示す抗がん剤カンプトテシン(CPT; Top1阻害剤)への高感受性を指標に、「複製フォークにおけるヘリカーゼ活性とトポイソメラーゼ活性の連動」の分子機構の解明を、より具体的な本研究の目標に掲げる。本年度は、Tipinと同様に複製フォーク因子であるClaspinが、Tipinと同様のヘリカーゼとトポイソメラーゼのカップリングを担うことができるのか?さらにニワトリDT40 Tipin/Claspin二重遺伝子破壊株の作製を試みると同時に、DNAトポイソメラーゼIの条件致死株の作製を試みた。しかしながら、「現在の進捗状況」で述べるように、TipinとClaspinの二重変異株の作製およびTop1条件致死株の作製は、当初目的とは異なり、達成できなかった。なお本年度中に、MCMヘリカーゼの制御という観点から、Cdt1による新規制御機構(Cdt1がMCMヘリカーゼに働きかけて複製フォークの進行を遅延させる)を東邦大学の多田博士との共同研究で、提唱できている。その結果、CPT処理時の細胞において、ClaspinはTipinと異なり、2つの活性を連動させるのに必須ではないことが示唆された。しかしながら、TipinとClaspinの二重変異株の作製は困難を極め、得られたたった一つの二重変異株候補の細胞増殖能は著しく低く、TipinとClaspinは両者で協力して複製フォークの機能を保全していることが予想された。運の悪いことに、唯一得られた1クローンには細胞の継代中に抑制変異が生じているとみえ、今後の詳細な性状解析には適さないことが判明した(むしろ抑制変異があったためクローニング可能になったとも考えられる)。さらに、計画にあげていたTop1遺伝子破壊用ベクターを用いた条件致死株(Top1の破壊は致死になると予想される)の作製が予想外(我々は以前にTop3条件致死株の作製と解析に成功しているにもかかわらず)に困難を極めた。本研究では、真核細胞のDNA複製フォーク進行における「"二本鎖DNAの巻き戻し(MCMヘリカーゼによる反応)"と"フォーク前方のtorsional stressの解消(DNAトポイソメラーゼI [TopI]による反応)"を連動させる制御機構」の解明を目的とする。具体的には、早老症Werner症候群原因遺伝子産物WRNとその相互作用因子に着目して研究を進めた。WRNと相互作用するタンパク質としてDNAトポイソメラーゼI, Werner interacting protein 1(WRNIP1)およびRAD52(相同組換修復に関わる)がある。WRN, WRNIP1, RAD52それぞれの遺伝子破壊株(KO株)がカンプトテシン(DNAトポイソメラーゼIの阻害剤でかつ抗がん剤)に感受性になることが知られている。本年度は、これまで未解析であったWRNIP1, RAD52の機能の関連性を調べることにした。まず、WRNIP1過剰発現ヒト細胞を用いて免疫沈降法を行い、WRNIP1とRAD52の相互作用を調べたところ、両者が結合することがわかった。続いてWRNIP1/RAD52二重破壊株(DKO)を作成し、細胞増殖能を調べると、DKOでは若干の細胞増殖の低下が観察され、WRNIP1とRAD52が正常な細胞増殖に必要であることが示唆された。予想外にDKO株はカンプトテシンに弱い感受性しか示さなかった。一方、過酸化水素に対する感受性を解析したところ、RAD52 KO株は野生株に比べ過酸化水素に対して感受性を示すが、DKO株ではその感受性が若干抑制されていた。このことは、過酸化水素による傷害の処理においてWRNIP1はRAD52の上流で機能し、両者が欠損すると、他の修復ルートが作動する可能性が示唆された。昨年度から引き続き、DNAトポイソメラーゼI (TopI)遺伝子破壊(KO)株の作製にチャレンジした。

KO株は致死であることが予想されたため、TopI遺伝子の発現をon/off可能にするコンストラクトを作製し、そのコンストラクトを導入したニワトリDT40細胞を親株に、TopI遺伝子のKOを試みた。しかしながら、TopIの発現バランスが細胞の生存に重要なためなのか、どうしても目的(交付申請時の)のTopI条件致死株候補を得ることができなかった。約2年の労力をかけたが、これ以上作製できない株に依存した実験計画は中止せざるを得なくなった。一方、「研究実績」の項で記載したが、複製フォークでTopIと相互作用するWRNおよびWRN関連タンパク質に着目した研究は、思いがけないかつ重要な知見をDNA複製フォーク研究にもたらしつつある。本研究では、真核細胞のDNA複製フォーク進行における「"二本鎖DNA巻き戻し(MCMヘリカーゼによる反応)"と"フォーク前方のtrosional stressの解消(DNAトポイソメラーゼI [TopI]による反応)"を連動させる制御機構」の解明を目的とした。具体的には、ニワトリDT40細胞株を用いた条件致死TopI破壊株の作製とその解析、並びにTopIと相互作用するWRN(早老症ウェルナー症候群原因遺伝子産物)及びWRNIP1(WRN相互作用タンパク質)とRad52(組換え酵素:これもWRNに相互作用する)の複製フォーク上での役割解明を目指した。まず、TopI破壊株の作製は予想外に難航したため、上記後者の目標達成に注力せざるをえなかった。後者の課題の中で、未解析であったWRNIP1とRad52との機能的な関連を調べるため、WRNIP1を過剰発現させたヒト細胞で、免疫沈降実験を行いWRNIP1とRad52が物理的に相互作用することを示した。続いて、ニワトリDT40細胞を親株としたWRNIP1/RAD52二重破壊株(DKO)を作製した。DKO株は、若干の増殖能低下を示すため、WRNIP1とRAD52の両方の存在が、正常な細胞増殖に必要なことが示唆された。過酸化水素に対する感受性試験の過程で、RAD52単独破壊株が有する過酸化水素感受性が、DKOでは消失すること、すなわち「過酸化水素によるDNA傷害の処理において、WRNIP1はRad52の上流で機能していること」が示された。さらに、WRNIP1の複製フォークにおける機能解析を行い、WRNIP1がtranslesion synthesis (TLS)において損傷乗越えポリメラーゼPolηの上流で機能することも示唆できた。複製開始因子Cdt1が過剰になると複製フォーク進行に関わるMCMの活性を阻害した。フォークを移動できるTipinの遺伝子破壊株で、低濃度カンプトテシン(DNAトポイソメラーゼ阻害剤)暴露により、DNA二重鎖切断が野生型株に比べ増加し、その帰結としてのチェックポイント異常亢進が明らかになった。一方、早老症ウェルナー症候群遺伝子産物WRNと相互作用できるWRNIP
超精密5軸制御マシニングセンタによる次元マイクロ部品加工

分解能1nmをもつ超精密5軸制御マシニングセンタを自在に稼働させることのできるCAD/CAMソフトウェアを開発し、単独に、あるいは多軸同時制御によってマイクロ加工を実施できる技術を確立することを目的とし、各種のマイクロ部品を製作する基礎技術を研究するものである。得られた研究成果は以下のようにまとめられる。1.各軸を単独に、あるいはいくつか組合せた基本動作をさせながら、マイクロダイヤモンド回転工具を使用してマイクロ溝加工を試みた。その応用として、複雑なセンサを構成する光学要素として今後重要になるマイクロエンコーダ面板とマイクロフレネルレンズの加工を行った。その結果、バリがなく、面精度に優れた各種の溝形状を得ることができた。2.溝加工用の微細回転工具、ならびにボール部の直径0.03mm程度の小径のダイヤモンド疑似ボールエンドミルを試作し、3軸制御加工で微細な曲面形状を製作できた。3.作製したマイクロ溝は非常に良好な形状と面精度をもつので、急峻な溝を形成して溝同士を互いに対抗させて嵌めあわせることにより接着剤の不要なマイクロ接合が可能になることを実証した。また、その本質を解明するための解析も行い、マイクロ溝を利用した微細部品の無接着剤接合の可能性を確認した。4.複雑な形状モデルを3次元CADデータやスキャニングデータを利用して生成し、そこから5軸制御のCLデータを生成するメインプロセッサを開発した。このとき、同時5軸制御だけを使うと機械と工具の干渉を引き起こして加工ができなくなる恐れがあり、3軸制御から5軸制御をダイナミックに組み合わせて使用できるマイクロ加工用CAMソフトウェアを研究した。これにより複雑な形状加工の基礎を確立した。超精密5軸制御マシニングセンタ(分解能=1nm)を自在に稼働させることのできるCAD/CAMソフトウェアを開発し、工作物の取り付け面以外の5面からマイクロ加工を実施できる技術を確立することを最終目的とする。そのため、微細加工用ダイヤモンド疑似ボールエンドミルを開発する。現在まで、半径0.1mmの工具を製作して加工を行っているが、これを0.03mmまでにし、しかも機上で切れ刃形状を修正・成形できる装置を試作する。マイクロ部品としては、微細溝や微細梁のような基礎形状やMRヘッド、大量情報伝送用光ファイバを結合するシリコンの微細曲面部品から始め、各種材料を用いて5軸制御の微細な立体形状の製作を試みる。上記のような計画の下に、1年度の研究成果は以下のようである。(1)溝加工用の微細回転工具、ならびにボール部の直径0.03mm程度の小径のダイヤモンド疑似ボールエンドミルを試作し、マイクロ部品として、微細溝の基礎形状を始めとしてマイクロエンコーダ用の符号板の放射状超精密溝加工に成功し。微細曲面部品など実用的な観点からマイクロフレネルレンズも試作した。(2)5軸制御NCデータは3次元CADデータ、あるいはスキャニングデータを利用して生成することになる。そこで、CADデータからCLデータを生成するメインプロセッサを開発するとともに、CLデータに相当するスキャニングデータも機械構造に適合したNCデータへ変換するポストプロセッサを開発し、蒲鉾型の簡単な形状の5軸制御加工を実施した。(3)アルミ合金、無酸素銅などの金属材料で作成したマイクロ溝を、ごみが付着しない環境であるグローブボックスを用い、接着剤の不要なマイクロ接合を試みた。分解能1nmをもつ超精密5軸制御マシニングセンタを自在に稼動させることのできるCAD/CAMソフトウェアを開発し、工作物の取付け面以外の5面からのマイク口加工を実施できる技術を確立することを最終目的とし、各種のマイクロ部品を製作する基礎技術を研究するものである。1.超精密5軸制御マシニングセンタを同時5軸制御する前に、各軸を単独に、あるいはいくつか組合せた基本動作をさせながら、マイクロダイヤモンド回転工具を使用して溝加工を試み、さらにその応用として、マイクロエンコーダ面板とマイクロフレネルレンズの加工を行った。

マイクロ溝は複雑なセンサを構成する光学要素として今後重要になるからである。その結果、バリがなく、面精度に優れた各種の溝形状を得ることができた。2.アルミ合金、無酸素銅などの金属材料で作製したマイクロ溝は非常に良好な形状と面精度をもつので、急峻な溝を形成して溝同士を互いに対抗させて嵌めあわせることにより接着剤の不要なマイクロ接合が可能になることを実証した。また、その本質を解明するための解析も行い、マイクロ溝を利用した微細部品の無接着剤接合の可能性を確認した。3.人形のような複雑な形状モデルを3次元CADデータやスキャニングデータを利用して生成し、そこから5軸制御のCLデータを生成するメインプロセッサを開発した。このとき、同時5軸制御だけを使うと機械と工具の干渉を引き起こして加工ができなくなる恐れがあり、3軸制御から5軸制御をダイナミックに組み合わせて使用できるマイクロ加工用CAMソフトウェアを研究した。これにより複雑な形状加工の基礎を確立した。
神経生理機構に基づく網膜の視覚情報スパイク符号化の数理モデル

網膜の入力を担う錐体モザイクについて、生理学的及び解剖学的な特性に基づき、約200万個の錐体から構成されるリアリスティックモデルを自動的に生成するアルゴリズムを確立すると共に、錐体サブタイプの空間配置・密度と情報量の関係を解析する技術を確立した。さらに、こうした錐体モザイクと出力を担う神経節細胞を接続したモデル上で、網膜内ニューロン間の結合状態や情報量に関するシミュレーション解析を行った。網膜の出力ニューロンである網膜神経節細胞が発する神経スパイクは,細胞内外の様々なノイズ入力の影響を受けるにもかかわらず,スパイク発生タイミングの時間精度が高く,同一入力に対するスパイクパターンの再現性が非常に高いことが知られている.細胞膜に存在するイオンチャネルのランダムな開閉やシナプスノイズなど,ランダム性をもつ生理機構の上に安定した特性が実現されていることは極めて興味深く,このような応答の性質は,色,形や動きなどの視覚情報の安定した知覚を実現する重要な特性と考えられる.しかしながら,こうした特性がどのような神経生理機構によって実現されるのか,その具体的な仕組みは解明されていない.本研究では,これまでに,イオンチャネルの確率的挙動など,細胞レベルの詳細な特性に基づいた網膜神経細胞,網膜神経回路の数理モデルを構築し,網膜の情報処理特性が細胞膜上のイオンチャネルの特性に起因すること,特に,スパイクの時間的精度は,一般的に予想されるスパイク発生のトリガとなるナトリウムチャネルではなく,カリウムチャネルの挙動によって決定される可能性があること,さらに,高精度なスパイクパターンの発生に適した入力強度が存在することを予測した.さらに,こうした予測を,数理モデルと生理実験を融合したアプローチによって,具体的に実証し,網膜の視覚情報符号化の原理とその特徴を理解することを目的に研究を進めた.今年度は,出力である神経節細胞モデルの拡張と共に,網膜の入力を担う視細胞の数理モデルの構築を進め,生理学及び解剖学的な知見に基づき,約200万個の錐体から構成されるリアリスティックモデルを自動生成する手法を確立した.構築したモデル上で,自然画像に対する応答や色覚に関わる錐体の存在比が変化した際の特性など,網膜内での情報表現についてのシミュレーション解析を行った.網膜の出力ニューロンが発するスパイクは,細胞内外の様々なノイズ入力の影響を受けるにも関わらず,スパイク発生の時間精度が高く,同一入力に対するスパイクパターンの再現性が高いことが知られている.イオンチャネルの確率的開閉など,ランダム性をもつ生理機構の上に安定した特性が実現されていることは興味深く,このような応答の性質は,色,形や動きなどの視覚情報の安定した知覚を実現する重要な特性と考えられる.シミュレーションによって,スパイクの時間的精度は,一般的に予想されるスパイク発生のトリガとなるナトリウムチャネルではなく,カリウムチャネルのランダムな挙動によって決定される可能性があること等が示唆された.本研究では,こうした予測を,数理モデル及び神経生理実験によるアプローチの融合によって実証し,網膜ニューロンの視覚情報符号化の原理とその特徴を情報科学的観点から理解することを目的としている.今年度は,網膜の入力を担う視細胞の数理モデルについて,色情報を担う錐体視細胞の空間的配置と情報量の関係を解析する技術を確立した.すなわち,錐体の網膜上の分布密度,LM錐体の存在比の個人差,波長感度,光応答等の特性を導入した錐体視細胞のリアリスティックモデルを構築し,自然画像を与えた際のシミュレーションを行った.さらに,構築したモデルを用いた情報量解析を行った.その結果,LM錐体の存在比が変化しても情報量が大きく変化しないこと,S錐体は少ない方が情報量が大きいこと等がわかった.これらは,実際の網膜において,LM比の個人差が非常に大きく,S錐体が非常に少ないという特徴を説明するものと考えられる.今後は,こうした網膜の入力を担う視細胞モザイクモデルと出力部の神経節細胞モデルを統合し,網膜全体の情報量解析を進める必要がある.網膜の出力ニューロンが発する神経スパイクは、様々なノイズの影響を受けるにも関わらず、スパイク発生の時間精度が高く、同一入力に対するスパイクパターンの再現性が高い事が知られている。イオンチャネルの確率的開閉など、ランダム性をもつ生理機構の上に安定した特性が実現されている事は興味深く、こうした応答の性質は、色、形や動き等の視覚情報の安定した知覚を実現する重要な特性と考えられる。これまでのシミュレーション解析によって、出力ニューロンである網膜神経節細胞のスパイクの時間精度は、一般的に予想されるスパイク発生のトリガとなるナトリウムチャネルではなく、カリウムチャネルのランダムな挙動によって決定される可能性等が示唆された。本研究では、こうした生理レベルの特性に基づき、網膜ニューロンの視覚情報符号化の原理とその特徴を情報科学的観点から理解することを大きな目的としている。今年度は、過去2年間に進めてきた網膜の入力、出力の各モデルを統合した錐体-神経節細胞間の数理モデルを構築し、スパイク応答データから網膜入出力ニューロン間の機能的結合を推定する手法の研究を進めた。従来、網膜への色彩ランダム刺激に対する神経節細胞の応答からスパイク誘発平均刺激を求め、神経節細胞と機能的に結合している錐体の種類や数を推定する手法が提案されていた。しかし、この手法は線形システムを前提としており、網膜内の様々な時間的及び空間的な非線形性の影響を明らかにする必要がある。

そこで、数理モデル上のシミュレーションによって、非線形性を含んだ神経節細胞サブタイプの特性が錐体との結合の推定に与える影響を解析した。その結果、神経節細胞の受容野が空間的に線形の場合には8割程度の同定精度があるが、非線形性のある場合や受容野境界では同定精度が低下する事がわかると共に、こうした問題は入力刺激の工夫によって解決し得ることが示唆された。網膜の情報量解析について,出力ニューロンレベルの解析については今後の詳細な解析が必要であるが,視細胞モデルの構築やシミュレーション解析は順調に進展し,網膜の情報符号化に関する新しい知見を見出した.24年度が最終年度であるため、記入しない。情報量の解析では自然画像を刺激として使うが,モデルのニューロン数が数100万の規模になると,ある一つのパラメータ条件でも数時間の計算が必要となる.このため,本学に設置されている並列計算機等の資源を最大限に活用することにしたい.さらに,実験データについても長時間の記録が必要になることから,が安定したデータの記録技術の確立を図る必要がある.24年度が最終年度であるため、記入しない。
有機分子機能化金属ナノクラスタ-の動的集合体と界面反応制御

(1)新規BINAP修飾パラジウムナノクラスター(1.9nm)は緩和な反応条件下、オレフィンの不斉ヒドロシリル化反応における優れたキラルナノ触媒として働く。BINAP修飾パラジウムナノクラスターとBINAP-パラジウム錯体との顕著な反応性の違いを見いだした。すなわち、単核のホスフィンパラジウム錯体では進行しない不斉反応がBINAP修飾パラジウムナノクラスターでは触媒反応が起こるといった画期的な結果を得た。(2)イミダゾリウムカチオンとスルホネートアニオンからなるイオン性液体修飾金ナノクラスター(zwitter-Au)を初めて合成した。zwitter-Auは高濃度の電解質水溶液、イオン性液体、およびタンパク質中でも非常に安定である。一般に、金属ナノクラスターは電解質水溶液中では凝集する。すなわち、イオン性液体構造を有するzwitter-Auは、電解質を含む反応においても安定であり、バイオ分析関係および水系の有機化学反応触媒として使用できる。(3)ターピリジン修飾金ナノクラスター(Tpy-Au,2.0nm)は、ターピリジルオクタンチオール存在下、塩化金酸と水素化ホウ素ナトリウムとの還元反応により合成した。ルテニウム・ターピリジル修飾金ナノクラスター(Ru-Tpy-Au,5.5nm)のUV-visスペクトルは、483nmに特徴的なMLCT吸収を、510nmにプラズモン吸収を示した。Ru-Tpy-Auの電気化学的性質はサイクリックボルタンメトリーにより調べた。電解重合部位を有するピロール修飾Ru-Tpy-Auの多重電極酸化を行ったところルテニウム-金ナノコンポジットクラスター膜修飾電極を得ることに成功した。キラルなビスホスフィンである2,2'-Bis(diphenylphosphino)-1,1'-binaphthyl (BINAP)に注目し、BINAPを保護基とする安定なキラルパラジウムナノ粒子の合成と性質および木斉触媒反応について検討した。BINAPを保護基とするパラジウムナノ粒子BINAP-Pdは、BINAP存在下、K_2PdCl_4を還元することにより合成した。ビスホスフィンで保護したBINAP-PdはTEM観察の結果、興味あることに、モノホスフィンを保護基とした場合と異なり、粒子径が2.0±0.5nmと小さく分散性に優れていた。また、キラルな(R)-BINAP-Pdおよび(S)-BINAP-Pdについて、円偏光二色性スペクトルを測定したところ、(R)-BINAP-Pdナノ粒子の円二色性スペクトルにおいては正のコットン効果を示し、(S)-BINAP-Pdナノ粒子の円二色性スペクトルにおいては負のコットン効果を示した。キラルBINAP-Pdナノ粒子の不斉触媒能について検討する目的で、スチレンとトリクロロシランとのヒドロシリル化反応を試みた。本反応は、BINAPのようなビスホスフィンの有機金属錯体では、進行しないことが知られている。一方、驚くべきことに、BINAP-Pdを用いるヒドロシリル化反応は、(R)-BINAP-Pd存在下、0°Cで速やかに起こり、光学活性アルコール(R体、95%ee)を生成する。また、(S)-BINAP-Pdを用いた反応からは、S体のアルコールが得られた。キラルパラジウムナノ粒子が関与する不斉触媒反応は初めての例であり、Pdナノ粒子とPd錯体の大きな差異を見出したことは興味深い。金およびパラジウムを核とする新規ターチオフェン修飾金属ナノクラスター(TP-Au、TP-Pd)は、チオール誘導体存在下、それぞれ3価の金イオン、2価のパラジウムイオンを還元することにより合成した。透過型電子顕微鏡(TEM)観察より、得られた各金属ナノクラスターは、粒子径が約1.8nm(TP-Au)および1.9nm(TP-Pd)の分散性に優れた粒子であることが分かった。

電気化学的性質については、サイクリックボルタンメトリーを用いて調べた。その結果、0.74V(TP-Au)および0.79V(TP-Pd)にターチオフェン骨格に基づく不可逆な酸化ピークが観測され、多重走査によって著しいピーク電流値の増大が確認されたことから、多重電極酸化によって容易にターチオフェンが重合し、電極上に対応する導電性ナノクラスター重合膜を形成することが分かった。さらに、これら異種金属ナノクラスター(TP-Au,TP-Pd)は、0.1 M Bu_4NPF_6_CH_2Cl2>中で混合し、多重電極酸化を行うだけで、容易に電解共重合することが可能であり、電極上に生成したナノクラスター重合膜のXPSスペクトルから、金4f軌道に基づくピークが83.7eVと87.3eV、パラジウム3d軌道に基づくピークが336.6eVと342.0eVに観測され、金およびパラジウムを有する全く新しい異種金属ハイブリッドポリマーの創製が可能であることが判明した。TP-AuとC_<60>-SHとのリガンド交換反応によりターチオフェン-C_<60>フラーレン混合金ナノクラスター(C_<60>TP-Au)を合成した。その結果、得られたC_<60>TP-Auは、粒子径が約1.8nmの分散性に優れた均一な粒子であり、各種スペクトル解析より、新規有機-無機ナノ複合クラスターであるC_<60>-TPの構造を確認した。電解重合を用いた修飾電極界面の構築を試みたところ、C_<60>-TPの電解重合より生成したナノクラスター重合膜からは、C_<60>フラーレンユニットに基づく非常に明瞭で可逆な還元・酸化応答(-0.98V,-1.30V vs.Ag/0.1 M AgNO_3)を観測することができた。チオフェン-C_<60>フラーレン系の電解重合膜に関する報告の中で、このように可逆性の高い電気化学応答を示したものはなく、金ナノクラスターC_<60>TP-Au重合膜によってこのような結果が得られたことは非常に興味深い。