2019 Fiscal Year Annual Research Report
Understanding and quantification of the solubility of cellulose investigated by molecular dynamics simulation
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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 / 溶解自由エネルギー |
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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したものである。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。
研究では、セルロースオリゴマーの４、６、８，１０量体を用いた分子シミュレーション法により溶解自由エネルギーを求め、セルロースの水への溶解性の定量的評価を行った。その結果、計算では６量体以上の長さになるとセルロースオリゴマーは水に溶解できないことが自由エネルギー計算の結果から推測された。実験では、セルロースオリゴマーは６～８量体付近から水に不溶となることが言われており、実験と計算との一致は良い。
さらに、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
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行った。
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