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Nanotechnology/Materials / Structural/physical organic chemistry

高分子の結晶構造が現れる臨界長を決定

~結晶構造から高分子と小分子の境界が見えた~

ポイント
・化学的に純粋な単分散ポリケトンの網羅的な結晶構造解析を達成。
・小分子的な結晶化と高分子的結晶化の境界を観測。
・繰り返し単位が5つから高分子的結晶構造が現れることを解明。

概要

 北海道大学創成研究機構化学反応創成研究拠点(WPI-ICReDD)、同大学院工学研究院の猪熊泰英准教授、金沢大学ナノマテリアル研究所(NanoMaRi)・ナノ生命科学研究所(WPI-NanoLSI)の淺川雅准教授らの研究グループは、単分散ポリケトンを用いて小分子化合物と高分子化合物の境界にあたる分子長を結晶構造の面から決定することに成功しました。
 高分子化合物はプラスチックなどに使われる有機化合物で毎年大量に生産されています。一般に高分子化合物は、同じ繰り返し単位を持ちながらも長さの異なる有機化合物の集合体として生産・利用されています。一方、同じ有機物でも、分子量が小さい小分子化合物は長さや分子量が決まった純粋な化合物として薬剤など全く違った用途に使われることが多いです。一つの小分子を繰り返し単位として数多く連結すれば高分子化合物が得られますが、化合物の性質として高分子と小分子の明確な境界が何個小分子を連結した所で現れるのかは多くの高分子化合物において未知です。
 今回、猪熊准教授らはアセチルアセトン誘導体を繰り返し単位に持つポリケトン化合物を用いて、結晶構造の観点から高分子と小分子の境界にあたる長さ(臨界長)を決定することに成功しました。一般に、小分子では僅かな長さの違いであっても異なる結晶構造を取ることが知られていますが、十分に長い高分子化合物では長さに依存せず共通の結晶構造が現れてきます。猪熊准教授らは、精密な有機合成法を用いて繰り返し単位が2~20個までの異なる長さを持つポリケトンを純粋な化合物として作り出し、それぞれの結晶構造を解析しました。そして、繰り返し単位5個という非常に短い領域から長さに依存しない螺旋型の結晶構造が現れることを突き止めました。この臨界長以上の長さをもつ化合物では、異なる長さが混ざっていても同様な結晶構造、すなわち高分子的な結晶構造をとることが分かりました。
 高分子化合物における臨界長は化合物の性質を理解する上で非常に重要です。今回のポリケトンでは、繰り返し単位が2~4個までは融点が不規則な変化をするのに対し、5個以上では繰り返し単位の個数に応じて単調に融点が上昇するという特徴がありました。ここに臨界長の情報を持ち込むことで、不規則な変化が小分子的な結晶構造の違いに由来することが明確に説明されました。

 本研究成果は、2022年7月21日(木)公開のChemical Science誌にオンライン掲載されており、無料で閲覧することが可能です[論文リンク]。また、本論文はOutside front coverに採択されています。 
 This research is published in Chemical Science, the Royal Society of Chemistry’s peer-reviewed flagship journal, and is free to read [link to the article].

 本研究は文部科学省・日本学術振興会科学研究費助成事業[西村1] 「挑戦的研究(萌芽)」(20K21214、 21K18970)、「基盤研究(B)」(22H0205802)、「若手研究」(21K14597)、「新学術領域研究 (ソフトクリスタル)」、「特別研究員奨励費」(21J1122801、 21J20973)、JST 創発的研究支援事業(JPMJFR211H)、化学旭硝子財団「若手継続グラント」、文部科学省世界トップレベル研究拠点プログラム(WPI)の支援のもとで行われたものです。

本研究で決定した結晶構造が変化する臨界長N

本研究で決定した結晶構造が変化する臨界長N

 

プレスリリース資料
本文 PDF(1.3 MB)

論文情報
論文名: Determination of the critical chain length for macromolecular crystallization using structurally flexible polyketones (構造的に柔軟なポリケトンを利用した高分子結晶化における臨界長の決定)
著者名: 井手雄紀 1、眞部夢大 2、稲葉佑哉 2、木下雄介 1、Pirillo Jenny 1、土方 優 1、米田友貴 1、Kilingaru I. Shivakumar 1、田中佐紀 3、淺川 雅 3、猪熊泰英 1、2 (1 北海道大学創成研究機構化学反応創成研究拠点(WPI-ICReDD)、北海道大学大学院工学研究院/総合化学院、金沢大学ナノマテリアル研究所(NanoMaRi)・大学院自然科学研究科・ナノ生命科学研究所(WPI-NanoLSI))
雑誌名: Chemical Science(英国王立化学会誌)
DOI: 10.1039/D2SC03083G
公表日: 2022 年 7 月 21 日(木)(オンライン公開)

お問い合わせ先
北海道大学創成研究機構化学反応創成研究拠点(WPI-ICReDD)・同大学院工学研究院 准教授 猪熊泰英(いのくまやすひで)
TEL 011-706-6556 FAX 011-706-6557 メール inokuma@eng.hokudai.ac.jp
URL https://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/lor/HP/index.html

金沢大学ナノマテリアル研究所(NanoMaRi)・ナノ生命科学研究所(WPI-NanoLSI) 准教授 淺川雅(あさかわひとし)
TEL 076-264-6337 メール hi_asa@staff.kanazawa-u.ac.jp URL https://nanomari-na.w3.kanazawa-.ac.jp/asakawa/

配信元
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金沢大学ナノ生命科学研究所事務室(〒920-1192 金沢市角間町)
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