Sequence-regulated Polymerization and Continuously Controlled Polymerization using Hybrid Catalysts

• Project Area: Hybrid Catalysis for Enabling Molecular Synthesis on Demand
• Project/Area Number: 20H04798
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 佐藤 敏文 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80291235)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2020: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: ハイブリッド触媒 / 配列規制重合 / ワンポット合成 / ワンステップ合成 / 連続制御重合

Outline of Research at the Start

本研究では、有機金属触媒や有機分子触媒の各活性サイトが独立に機能するハイブリッド触媒を用いた「新規な配列規制重合法（効率的ドミノ反応法）」と「連鎖重合と逐次重合の連続制御重合法」の創成を期限内に達成する。また、配列規制されたポリ乳酸やポリカプロラクトン、ポリカーボネートやそれらの共重合体は学術的および産業的に重要であることから、高付加価値な配列規制高分子材料の開発も研究期限内に達成することにより、産業界が必要とする極めて高効率な高分子合成反応を提供する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究はハイブリッド触媒を用いた配列規制重合の開発とこの重合法を利用した高付加価値な機能性高分子材料の開発を目的としている。本年度は下記の2つについて重点的に検討を行った。
①ハイブリッド触媒の固定化：昨年度までに、酸・塩基ハイブリッド触媒であるカルボン酸塩をポリスチレン樹脂に結合した固定化触媒の開発と重合反応への応用を行った。本年度は、顕微鏡観察などにより固定化触媒の詳細な構造解析を行った。その結果、樹脂粒子表面だけでなく、粒子内部にも触媒活性サイトが存在することが分かった。重合反応においては、表面の活性サイトのみが触媒反応に関与していると考えられ、このことが対応する均一触媒に比較して触媒回転頻度が低下する原因となったことが判明した。さらに、昨年度はトリメチレンカーボネートの重合しか検討できていなかったが、ラクチドの開環重合やエポキシド/環状酸無水物の開環交互共重合など様々な重合に応用できることを見出した。
②ハイブリッド触媒によるセルフスイッチ重合：昨年度までにカルボン酸塩を触媒とすることで、エポキシド/環状酸無水物/環状エステルの3成分混合系から重合を行うことで、先にエポキシド/環状酸無水物の交互共重合が進行し、環状酸無水物が完全消費された後に環状エステルが進行するセルフスイッチ重合を見出した。本年度は、この重合系をさらに発展させ、モノマー適用範囲の拡大を目指して検討を進めた。その結果、例えば、多種類の環状酸無水物間のセルフスイッチ重合を実現し、最大11セグメントからなるマルチブロックポリマーのワンポット・ワンステップ合成に成功した。また、本重合系を活用することで熱可塑性エラストマーや接着剤として応用可能な材料のワンステップ合成にも成功した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 重慶理工大学(中国)
• [Int'l Joint Research] 国立台湾大学（台湾）/国立台北科技大（台湾）(その他の国・地域)
• [Journal Article] One-step synthesis of sequence-controlled multiblock polymers with up to 11 segments from monomer mixture (2022)
  • Author(s): Xia Xiaochao、Suzuki Ryota、Gao Tianle、Isono Takuya、Satoh Toshifumi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 163-163
  • DOI: 10.1038/s41467-021-27830-3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unimodal and Well-Defined Nanomicelles Assembled by Topology-Controlled Bicyclic Block Copolymers (2022)
  • Author(s): Ree Brian J.、Satoh Yusuke、Jin Kyeong Sik、Isono Takuya、Satoh Toshifumi
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 55 Issue: 3 Pages: 862-872
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.1c01916
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Influence of Topological Confinement on Nanoscale Film Morphologies of Tricyclic Block Copolymers (2021)
  • Author(s): Ree Brian J.、Satoh Yusuke、Isono Takuya、Satoh Toshifumi
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 54 Issue: 9 Pages: 4120-4127
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.1c00214
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Smart Access to Sequentially and Architecturally Controlled Block Polymers via a Simple Catalytic Polymerization System (2021)
  • Author(s): Xia Xiaochao、Suzuki Ryota、Takojima Kaoru、Jiang Dai-Hua、Isono Takuya、Satoh Toshifumi
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 11 Issue: 10 Pages: 5999-6009
  • DOI: 10.1021/acscatal.1c00382
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Highly Ordered Nanoscale Film Morphologies of Block Copolymers Governed by Nonlinear Topologies (2021)
  • Author(s): Ree Brian J.、Satoh Yusuke、Isono Takuya、Satoh Toshifumi
  • Journal Title: ACS Macro Letters Volume: 10 Issue: 7 Pages: 811-818
  • DOI: 10.1021/acsmacrolett.1c00204
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Densely Arrayed Cage-Shaped Polymer Topologies Synthesized via Cyclopolymerization of Star-Shaped Macromonomers (2021)
  • Author(s): Mato Yoshinobu、Sudo Maho、Marubayashi Hironori、Ree Brian J.、Tajima Kenji、Yamamoto Takuya、Jinnai Hiroshi、Isono Takuya、Satoh Toshifumi
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 54 Issue: 19 Pages: 9079-9090
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.1c01230
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Suzuki?Miyaura Catalyst-Transfer Polycondensation of Triolborate-Type Carbazole Monomers (2021)
  • Author(s): Kobayashi Saburo、Ashiya Mayoh、Yamamoto Takuya、Tajima Kenji、Yamamoto Yasunori、Isono Takuya、Satoh Toshifumi
  • Journal Title: Polymers Volume: 13 Issue: 23 Pages: 4168-4168
  • DOI: 10.3390/polym13234168
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Facile one-pot synthesis of rod-coil bio-block copolymers and uncovering their role in forming the efficient stretchable touch-responsive light emitting diodes (2021)
  • Author(s): Jiang Dai-Hua、Ree Brian J.、Isono Takuya、Xia Xiao-Chao、Hsu Li-Che、Kobayashi Saburo、Hoon Ngoi Kuan、Chen Wei-Cheng、Jao Chih-Chun、Veeramuthu Loganathan、Satoh Toshifumi、Huang Tung Shih、Kuo Chi-Ching
  • Journal Title: Chemical Engineering Journal Volume: 418 Pages: 129421-129421
  • DOI: 10.1016/j.cej.2021.129421
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stretchable OFET Memories: Tuning the Morphology and the Charge-Trapping Ability of Conjugated Block Copolymers through Soft Segment Branching (2021)
  • Author(s): Hsu Li-Che、Isono Takuya、Lin Yan-Cheng、Kobayashi Saburo、Chiang Yun-Chi、Jiang Dai-Hua、Hung Chih-Chien、Ercan Ender、Yang Wei-Chen、Hsieh Hui-Ching、Tajima Kenji、Satoh Toshifumi、Chen Wen-Chang
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 13 Issue: 2 Pages: 2932-2943
  • DOI: 10.1021/acsami.0c18820
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Highly Stretchable Semiconducting Polymers for Field-Effect Transistors through Branched Soft-Hard-Soft Type Triblock Copolymers (2020)
  • Author(s): Hsu Li-Che、Kobayashi Saburo、Isono Takuya、Chiang Yun-Chi、Ree Brian J.、Satoh Toshifumi、Chen Wen-Chang
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 53 Issue: 17 Pages: 7496-7510
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00381
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An organocatalytic ring-opening polymerization approach to highly alternating copolymers of lactic acid and glycolic acid (2020)
  • Author(s): Takojima Kaoru、Makino Hiroshi、Saito Tatsuya、Yamamoto Takuya、Tajima Kenji、Isono Takuya、Satoh Toshifumi
  • Journal Title: Polymer Chemistry Volume: 11 Issue: 39 Pages: 6365-6373
  • DOI: 10.1039/d0py01082k
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Suzuki-Miyaura catalyst-transfer polycondensation of triolborate-type fluorene monomer: toward rapid access to polyfluorene-containing block and graft copolymers from various macroinitiators (2020)
  • Author(s): Kobayashi Saburo、Fujiwara Kaiyu、Jiang Dai-Hua、Yamamoto Takuya、Tajima Kenji、Yamamoto Yasunori、Isono Takuya、Satoh Toshifumi
  • Journal Title: Polymer Chemistry Volume: 11 Issue: 42 Pages: 6832-6839
  • DOI: 10.1039/d0py01127d
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 再利用可能な高分子支持型カルボン酸アルカリ金属塩触媒による環状エステル類の開環重合 (2022)
  • Author(s): 高橋逸貴・髙木理・磯野拓也・山本拓矢・田島健次・佐藤敏文
  • Organizer: 化学系学協会北海道支部 2022年冬季研究発表会
• [Presentation] 脂肪族ポリエステル系ブロックポリマーのワンステップ精密合成法の開発 (2022)
  • Author(s): 佐藤敏文
  • Organizer: 日本接着学会第180回粘着研究会例会
  • Invited
• [Presentation] 配列制御ブロックポリマーのワンステップ精密合成法 (2022)
  • Author(s): 佐藤敏文
  • Organizer: 日本接着学会東北・北海道地区合同セミナー
  • Invited
• [Presentation] Alkali Metal Carboxylate as an Efficient and Simple Catalyst for Ring- Opening Polymerization of Epoxides (2021)
  • Author(s): Tianle Gao, Xiaochao Xia, Takuya Isono, Kenji Tajima, Toshifumi Satoh
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] 環状酸無水物とエポキシドの開環交互共重合によるハイパーブランチポリマーの合成 (2021)
  • Author(s): 鈴木涼太・夏小超・山本拓矢・Brian J. Ree ・磯野拓也・田島健次・佐藤敏文
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] 第四級アンモニウム塩を触媒に用いた環状エステル類の開環重合 (2021)
  • Author(s): 髙木理・蛸島薫・Brian J. Ree・磯野拓也・田島健次・佐藤敏文
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] 高分子担持型カルボン酸アルカリ金属塩を触媒に用いた 環状カーボネートの開環重合 (2021)
  • Author(s): 高橋逸貴 ・髙木理 ・磯野拓也 ・山本拓矢 ・田島健次 ・佐藤敏文
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] 第四級アンモニウム塩を触媒に用いた環状エステル類の開環重合 (2021)
  • Author(s): ○髙木理・蛸島薫・Brian J. Ree・磯野拓也・山本拓矢・田島健次・佐藤敏文
  • Organizer: 日本化学会北海道支部2021年夏季研究発表会
• [Presentation] 高分子支持型カルボン酸アルカリ金属塩触媒を用いた環状エステル類の開環重合 (2021)
  • Author(s): 高橋逸貴・髙木理・磯野拓也・山本拓矢・田島健次・佐藤敏文
  • Organizer: 日本化学会北海道支部2021年夏季研究発表会
• [Presentation] 環状酸無水物とエポキシドによる開環交互共重合体を用いた多分岐ポリマーの合成法開発 (2021)
  • Author(s): 鈴木涼太・夏小 超・山本拓矢・磯野拓也・田島健 次・佐藤敏文
  • Organizer: 第11回CSJ化学フェスタ
• [Presentation] ポリスチレン樹脂担持型アルカリ金属塩触媒を用いた環状エステルの開環重合 (2021)
  • Author(s): 高橋逸貴・髙木理・磯野拓也・山本拓矢・田島健次・佐藤敏文
  • Organizer: 第11回CSJ化学フェスタ
• [Presentation] 環状酸無水物とエポキシドの開環交互共重合によるハイパーブランチポリマーの合成 (2021)
  • Author(s): 鈴木涼太・夏小 超・山本拓矢・磯野拓也・田島健 次・佐藤敏文
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] 高分子担持型カルボン酸アルカリ金属塩触媒を用いた環状カーボネートの開環重合 (2021)
  • Author(s): 高橋逸貴、髙木理、磯野拓也、山本拓矢、田島健次、佐藤敏文
  • Organizer: 2020年度 第55回北海道支部研究発表会
• [Presentation] 開環交互共重合によるハイパーブランチポリエステルの新規合成法開発 (2021)
  • Author(s): 鈴木涼太、夏小超、磯野拓也、山本拓矢、田島健次、Brian J. Ree、佐藤敏文
  • Organizer: 2020年度 第55回北海道支部研究発表会
• [Presentation] Alkali Metal Carboxylate-Catalyzed Ring-opening Polymerization of Epoxides (2021)
  • Author(s): Tianle GAO, Xiaochao XIA, Takuya ISONO, Kenji TAJIMA, Toshifumi SATOH
  • Organizer: 2020年度 第55回北海道支部研究発表会
• [Presentation] 第四級アンモニウム塩を触媒に用いた環状エステルのバルク重合 (2021)
  • Author(s): 高木理・蛸島薫・Brian J. Ree・磯野拓也・山本拓矢・田島健次・佐藤敏文
  • Organizer: 化学系学協会北海道支部2021年冬季研究発表会
• [Presentation] メタルフリー触媒を基軸とする高分子化学 (2021)
  • Author(s): 佐藤敏文
  • Organizer: 第69回高分子討論会
  • Invited
• [Presentation] Synthesis of Amino-functionalized Polyesters by t-Bu-P4-catalyzed Ring-Opening Polymerization of ε-Decalactone (2020)
  • Author(s): Tianle GAO, Elwakil MAHMOUD, Takuya ISONO, Kenji TAJIMA, Toshifumi SATOH
  • Organizer: 第69回高分子学会年次大会
• [Presentation] 第四級アンモニウム塩を触媒に用いた トリメチレンカーボネートの開環重合 (2020)
  • Author(s): 髙木理・蛸島薫・Brian J. Ree・磯野拓也・山本拓矢・田島健次・佐藤敏文
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ2020
• [Presentation] 反応性側鎖を有するポリエステル系ブロック共重合体のワンステップ合成 (2020)
  • Author(s): 鈴木涼太・夏小超・山本拓矢・Brian J. Ree・磯野拓也・田島健次・佐藤敏文
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ2020
• [Remarks] 高分子化学研究室
  • URL: http://poly-ac.eng.hokudai.ac.jp/index.html
• [Remarks] 高分子化学研究室
  • URL: https://poly-ac.eng.hokudai.ac.jp/