広報活動

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2015年2月6日

独立行政法人理化学研究所
東京大学
大阪大学

誰でも、どこでも、高分子を精密合成できる新手法を開発

-高分子材料の製造プロセス簡素化とリサイクルの実現に向けて-

模式図

連結反応開始剤を用いた精密高分子合成の模式図

台所用品から自動車まで、身の回りにあふれているプラスチックやゴムなどの素材は、高分子(ポリマー)という物質が絡み合ってできています。高分子は小分子(モノマー)が鎖や数珠のようにつながった長大な分子で、小分子のつなぎ方を精密に制御することで、素材としての機能を発揮しています。従来、高分子は、共有結合という、原子同士の間で電子を共有することで生じる化学結合による強い力で結びついています。しかし、求める長さの高分子を精密に合成するには、水や酸素などの反応を阻害する物質を除去や反応温度の長時間維持など、高度な技術やそれを実現する設備が必要です。

こうした中、1980年代後半に、常温・常圧下で原料を混ぜるだけでできる「超分子ポリマー」の合成法が報告されました。超分子ポリマーは、小分子を化学反応で連結させるのではなく、水素結合や分子間相互作用など、小分子間に働く物理的な「引力」を利用して、お互いを連結させることでつくる高分子です。化学結合ではないので、力を加えると連結は簡単に解除できます。新時代の高分子合成法として期待が寄せられていますが、この合成法では、従来の高分子のように鎖の長さを自由に変えたり、分子をつなぐ順番を制御したりすることができません。そこで、理研の研究者を中心とした共同研究グループは「超分子ポリマー」を精密に合成する手法の開発に挑みました。

共同研究グループは、まず、小分子が持つ2つの連結点をあらかじめ分子内で連結することで環状にして、勝手に他の分子と連結できなくしてみました。そこに、連結反応をうながす小分子(連結反応開始剤)を混ぜたところ、鎖状の2量体ができました。さらに、これが3量体、4量体と連結反応を繰り返し鎖の長いポリマーに成長しました。これは、例えば、連結反応開始剤に対して1,000倍の環状の小分子を加えれば、1,000回の連結反応が繰り返されることを意味します。つまり、環状分子の数を制御すれば希望する鎖の長さの高分子が得られることになります。

今回開発した合成法は、誰でも、どこでも「望んだ数の小分子をつなぐ」ことのできる精密な高分子合成法です。さまざまな設備や、高度な技術と経験の伝承が必要であった精密な高分子合成反応を、試験管さえあれば誰でもできる身近なものにします。また、分子同士が化学結合していないため、簡単な操作で原料まで分解でき、環境に負荷をかけない高分子合成法でもあります。ただ、高分子の性質はつなげる小分子の種類で大きく異なります。既存の高分子を超高分子に置き換えるには、超分子ポリマーで従来の高分子ポリマーに近い性質を実現しなければなりません。今後の研究の進展に期待がかかります。

理化学研究所
創発物性科学研究センター 超分子機能化学部門 創発ソフトマター機能研究グループ
基礎科学特別研究員 宮島 大吾 (みやじま だいご)
グループディレクター 相田 卓三 (あいだ たくぞう)
(東京大学大学院工学系研究科教授)