2018 Fiscal Year Research-status Report
セルロース系分子の溶解性の分子シミュレーションによる定量化と溶解機構の解明
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17K07873
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
上田 一義 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 名誉教授 (40223458)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 溶媒和自由エネルギー / セルロース / セルロース誘導体 / 分子動力学シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、セルロースおよびセルロース誘導体の、水や有機溶媒への溶解性を分子シミュレーションにより定量化する方法の確立を目的としたもので、溶解の機構を分子レベルで明らかにすることにより、溶解の制御の基礎知見を得ようとするものである。セルロースは分子構造中に水酸基を多く持つにも関わらず水への溶解性が低いが、その理由については多くの定性的説明がなされているものの定量的な考察はない。セルロースはエネルギー源・原料としての期待が高いが、難溶解性であることが利用に向けての最大の問題点である。セルロースとその誘導体の溶解性を定量的に明らかにすることは、セルロース科学の基礎知見としても重要であるのみならず、新規のセルロース溶剤の開発にも寄与する。平成３０年度は、平成29年度に行った、セルロースのオリゴマーのermod法を基礎とした自由エネルギー計算での溶解性の定量化方法の確立と、分子レベルでの溶媒和構造の検討に引き続き、その溶解のメカニズムについての検討を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２９年度は、セルロースのオリゴマーを用いて、セルロース溶解性の定量的評価法を確立することが出来た。さらに、これらの方法を適用することにより、セルロースオリゴマーの２、４、６、８，１０量体について溶解自由エネルギーを求めることが出来た。しかし、溶解性の定量的評価が可能になっても、なぜ、このオリゴマーの長さで、溶解から不溶に変化するのか、そのメカニズムについては明らかにはならない。そこで、平成３０年度は、自由エネルギーの△F=△H-T△Sの関係式から、Ｏ度付近から100度付近までいくつかの温度で、溶解自由エネルギーを求め、セルロースの溶解におけるエンタルピーとエントロピーの寄与を明らかにした。その結果、セルロースは重合度が大きくなると、解離のエンタルピーの寄与が大きくなり、そのため、溶解性が低下することが明らかになった。このような情報はこれまで精度よく求められたことはなく、今後のセルロース化学の基盤情報として霞重な情報を与えるものと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２９年度、30年度の検討で、セルロースのオリゴマーを用いたセルロース溶解性の定量的評価法を確立、これらの方法を適用することによるセルロースオリゴマーの２、４、６、８，１０量体について溶解自由エネルギーの評価、さらには、自由エネルギーの温度変化を行い、溶解におけるエンタルピーとエントロピーの寄与を個別に明らかにすることができた。今後は、最終年度として、セルロースの水和の原子レベルでの機構の検討を進めたい。予定としては、研究協力者である、米国・Bradley大学のSchnｕpf准教授の協力を仰ぐ。研究協力者は、セルロース鎖の周りに溶媒和している水分子の微細な配向を配向角分布を求めることで、その溶媒和状態がエントロピー的であるか、エンタルピー的であるかを判定する方法の確立を進めている。今年度は訪米して、溶媒和機構の詳細について議論し協働研究の推進を図る予定である。さらに、Cornell大学のBrady教授も訪問して、本研究のまとめとしての論文作成を共同で進める予定である。また、セルロース以外のセルロース誘導体への展開として、セルロースアセテートのアセトン溶媒中における溶解性の検討も進める予定である。
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| Causes of Carryover |
今年度の予算については、解析用コンピューターの購人、およびデーター保存用のハードディスク等の購入、さらに得られた結果についての米国での学会発表等を行い、ほぼ計画通りの予算執行を行った。そのため、昨年度の時点で留保していた残余の予算についてはそのまま本年度に繰り越すことが可能になった。本年度は、本申請の最終年度であり、結果の詳細な検討のため、米国の共同研究者訪問をおこなう予定であるが、当初の計画では14日間の滞在であったが、繰越の予算を使用して少し長期に滞在することで、結果の検討のみでなく共同での論文作成等を行うことを計画している。
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Research Products
(7 results)
