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2012 Fiscal Year Annual Research Report

親媒質性イオンの創製と機能性高分子電解質への応用

Research Project

Project/Area Number 23350048
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

佐田 和己  北海道大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (80225911)

Project Period (FY) 2011-04-01 – 2014-03-31
Keywordsイオン対 / ラジカル重合 / 高分子電解質 / 刺激応答性高分子 / 静電斥力 / 有機溶媒 / テトラフェニルボレート
Research Abstract

疎水性の高いイオン対(テトラアルキルアンモニウム テトラフェニルボレート塩)を親油性の高い高分子鎖(ポリ(オクタデシルアクリレート))に導入することにより、低極性有機溶媒中(クロロホルムやTHFなど)でイオン解離し、この高分子が高分子電解質として機能するを電気伝導度測定や溶液粘度測定などによって立証した。これは媒質中で解離できるイオン対を自在にデザインできれば、その解離を利用し、同符号間の静電斥力をその媒質で用いることができることを示しており、これまで水のみであった静電斥力を一般的な媒質まで拡張することができた。複数のテトラフェニルボレートイオンを持つ分子を設計することで、非極性有機溶媒中でのイオン解離の促進を試みたところ、複数のイオンペアーの解離が観測され、より活量の大きい電解質がデザインできることを明らかにした。さらに疎水性の高いイオン対を液晶高分子または液晶高分子ゲルに導入し、イオン解離によるゲルの膨潤の効果と液晶の異方性を同時に発現する系を検討した。その結果、大きな膨潤特性を持ちかつ異方的に膨潤するゲルの合成に成功した。
また、親媒質性イオン対を含む高分子電解質に、その媒質中で分子間引力を発生する官能基を導入し、静電斥力と分子間引力を均衡させることで、高分子の溶解・分散状態の制御および高分子鎖の凝集・伸張を制御する方法論の確立を目指した。わずかなイオン対の導入が高分子の溶解性が劇的に変化させてしまうことを発見した。この知見を基にして、非プロトン性非極性有機溶媒中でのアミド・尿素などの水素結合部位を有する高分子に第3成分として、水素結合性の低分子を共存させることで、高温での低分子と高分子間の水素結合の切断を起させ、溶解性を著しく低下させることに成功した。これはこれまで分子設計が困難とされてきた下限臨界共溶温度をもつ高分子を人工的に設計したことになる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

疎水性の高いイオン対を液晶高分子へ組み込むことに成功し、液晶中で挙動する高分子電解質としての新しい機能発現に成功した。また当初の目的である様々な媒質でイオン解離可能な”親媒質性イオン”の創製に向けて、これまでのアプローチとは異なり、嵩高いアニオンに重合開始点を組み込むこと成功し、実際にスチレンの重合に成功し、”親媒質性イオン”の合成の一歩が進んでいる。
また動的機能高分子材料のde novo設計として、強い水素結合性官能基である尿素を用いた親油性高分子電解質の合成に成功した。それらの結果から、温度応答性についてはイオン性官能基間で静電斥力が強く働きすぎ、刺激応答性の実現という点からは難しいことが明らかになった。その結果を考察することにより、これまで分子設計が困難とされてきた下限臨界共溶温度をもつ高分子を人工的に再現できるシステムの開発に成功し、その分子デザインを明確にすることができた点は大変興味深く、今後の展開が期待できるため。

Strategy for Future Research Activity

重合開始点を組み込んだ嵩高いアニオンを用いて、様々なモノマーを用いた重合を行い、数nmの半径をもつ大きなアニオンを合成する。さらの同様な手法で重合開始点を組み込んだ嵩高いカチオンを合成し、そのイオン対を用いて、重合を行い、”親媒質性イオン”の合成を行う。さらのそのイオン解離の挙動を検討する。それと平行して、動的機能高分子材料のde novo設計として、水素結合や電荷移動錯体などの弱い引力を用いて、外部からその分子間引力を弱める添加剤を加えることで、様々な動的機能高分子材料の分子デザインを明らかにする。またより強い分子間力で会合しているような高分子に親媒質性イオンを導入し、溶解性の向上と刺激応答性の付与を検討する。親媒質性イオン対を含む高分子電解質に、その媒質中で分子間引力を発生する官能基を導入し、静電斥力と分子間引力を均衡させることで、高分子の溶解・分散状態の制御および高分子鎖の凝集・伸張を制御する方法論の確立を目指す。また、静電斥力を利用した難溶性高分子の分散・可溶化について、検討を行う。特に疎水性の残基をもつポリペプチドは水への難溶性からこれまで研究がほとんど進んでいない。そこで疎水性の高いイオン対をポリペプチド鎖に導入し、非極性溶媒中へのポリペプチド鎖の分散化・可溶化を検討し、疎水性ペプチドのHPLCを用いた精製法の確立について検討を行う。また親媒質性イオン対をカーボンナノチューブやグラフェンなどのナノカーボン類や共役高分子などの難溶性の高分子に導入し、与えられた環境下での分散性・溶解性の向上を行う。

  • Research Products

    (34 results)

All 2013 2012 Other

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results) Presentation (27 results) (of which Invited: 2 results)

  • [Journal Article] LCST Behavior Driven by Charge-Transfer Interaction2013

    • Author(s)
      S. Amemori, K. Kokado, K. Sada
    • Journal Title

      Angew. Chem. Int. Ed.

      Volume: 52 Pages: 4174-4178

    • DOI

      DOI: 10.1002/anie.201301704

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Transformation of Metal-Organic Framework to Polymer Gel by Cross-Linking the Organic Ligands Pre-organized in Metal-Organic Framework2013

    • Author(s)
      T. Ishiwata, Y. Furukawa, K. Sugikawa, K. Kokado, K. Sada
    • Journal Title

      J. Am. Chem. Soc.

      Volume: 135 Pages: 5427-5432

    • DOI

      DOI: 10.1021/ja3125614

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Visualization of the Complexation between Chloride and Anion Receptors using Volume Change of Ionomer Gels in Organic Solvents2012

    • Author(s)
      K. Iseda, Y. Haketa, K. Kokado, H. Maeda, H. Furuta, K. Sada
    • Journal Title

      Soft Matter

      Volume: 8 Pages: 7490-7494

    • DOI

      10.1039/C2SM25994J

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] T. Ono, M. Ohta, K. Sada2012

    • Author(s)
      Ionic Polymers Act as Polyelectrolytes in Nonpolar Media
    • Journal Title

      ACS Macro Lett.

      Volume: 1 Pages: 1270-1273

    • DOI

      doi:10.1021/mz3002879

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nano- and Microsized Cubic Gel Particles from Cyclodextrin Metal–Organic Frameworks2012

    • Author(s)
      Y. Furukawa, T. Ishiwata, K. Sugikawa, K. Kokado, K. Sada
    • Journal Title

      Angew. Chem. Int. Ed.

      Volume: 51 Pages: 10566-10569

    • DOI

      http://dx.doi.org/doi:10.1002/anie.201204919

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Toward the design of superabsorbent materials for non-polar organic solvents and oils: Ionic content dependent swelling behaviour of cross-linked poly(octadecyl acrylate)-based lipophilic polyelectrolytes2012

    • Author(s)
      T. Ono, K. Sada
    • Journal Title

      J. Mater. Chem.

      Volume: 22 Pages: 20962-20967

    • DOI

      doi:10.1039/C2JM32747C

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Preparation of lipophilic anionic polymer networks based on tetraphenylborates2012

    • Author(s)
      Y. Furukawa, K. Kokado, K. Sada
    • Journal Title

      Chem. Lett.

      Volume: 41 Pages: 667-668

    • DOI

      doi:10.1246/cl.2012.667

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 低極性有機溶媒中で伸長する親油性高分子電解質ブラシの作製2013

    • Author(s)
      山田泰平・檜垣勇次・高原淳・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第62回高分子学会年次大会
    • Place of Presentation
      京都国際会館(京都市)
    • Year and Date
      20130529-20130531
  • [Presentation] Metal-Organic Frameworkの晶癖を反映した高分子ゲルの作製2013

    • Author(s)
      石渡拓己・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      日本化学会第93春季年会
    • Place of Presentation
      立命館大学びわこ・くさつキャンパス(草津市)
    • Year and Date
      20130322-20130325
  • [Presentation] 官能基変換反応に連動した高分子溶液の相転移2013

    • Author(s)
      濱野芳美・雨森翔悟・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      日本化学会第93春季年会
    • Place of Presentation
      立命館大学びわこ・くさつキャンパス(草津市)
    • Year and Date
      20130322-20130325
  • [Presentation] 高分子と低分子間の超分子形成を利用したLCST型温度応答性の分子設計2013

    • Author(s)
      雨森翔悟・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      日本化学会第93春季年会
    • Place of Presentation
      立命館大学びわこ・くさつキャンパス(草津市)
    • Year and Date
      20130322-20130325
  • [Presentation] ナノ多孔質性配位高分子を用いたナノ・マイクロ立方体ゲルの作製2013

    • Author(s)
      古川雄基・石渡拓己・杉川幸太・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      高分子学会第47回北海道支部研究発表会
    • Place of Presentation
      北海道大学(札幌市)
    • Year and Date
      20130129-20130129
  • [Presentation] De Novo Design of Thermo-Responisve Polymer Systems via Supramolecular Interaction2013

    • Author(s)
      Kazuki Sada
    • Organizer
      The 6th Japan-China Joint Symposium on Functional Supramolecular Architectures
    • Place of Presentation
      IMS(岡崎)
    • Year and Date
      20130118-20130121
    • Invited
  • [Presentation] ナノ多孔質性配位高分子を鋳型とした立方体ゲルの作製2013

    • Author(s)
      古川雄基・石渡拓己・杉川幸太・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第24回高分子ゲル研究討論会
    • Place of Presentation
      東京大学(東京)
    • Year and Date
      20130116-20130117
  • [Presentation] Lipophilic Ionomers with Bulky Ion-pairs and the Effect on Compatibility of Ionomer Blends2012

    • Author(s)
      Masahiko Ohta, Kenta Kokado, Kazuki Sada
    • Organizer
      2012 MRS Fall Meeting
    • Place of Presentation
      Hynes Convention Center (Boston, USA)
    • Year and Date
      20121125-20121130
  • [Presentation] Visualization of Molecular Recognition Between Anions and Anion-Receptors Using Volume Change of Ionic Polymer Gels2012

    • Author(s)
      Kazuya Iseda, Yohei Haketa, Kenta Kokado, Hiromitsu Maeda, Hiroyuki Furuta, Kazuki Sada
    • Organizer
      9th International Gel Symposium -Gelsympo 2012-
    • Place of Presentation
      Tsukuba International Congress Center (Tsukuba)
    • Year and Date
      20121009-20121012
  • [Presentation] Synthesis of Thermoresponisve Polymer Gels Using Donor-Acceptor Interaction2012

    • Author(s)
      Gharib Desi Hamed, Shogo Amemori, Kenta Kokado, Kazuki Sada
    • Organizer
      9th International Gel Symposium -Gelsympo 2012-
    • Place of Presentation
      Tsukuba International Congress Center (Tsukuba)
    • Year and Date
      20121009-20121012
  • [Presentation] Polyhedral Polymer Gels from Metal Organic Frameworks2012

    • Author(s)
      Kazuki Sada
    • Organizer
      9th International Gel Symposium -Gelsympo 2012-
    • Place of Presentation
      Tsukuba International Congress Center (Tsukuba)
    • Year and Date
      20121009-20121012
    • Invited
  • [Presentation] ピレン部位を有する高分子とアクセプター低分子との相互作用を利用した温度応答性の発現2012

    • Author(s)
      雨森翔悟・Gharib Desi Hamed・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第61回高分子討論会
    • Place of Presentation
      名古屋工業大学(名古屋市)
    • Year and Date
      20120919-20120921
  • [Presentation] アイオノマーブレンドの相溶性に及ぼすイオン部位の疎水性の効果2012

    • Author(s)
      太田匡彦・小野利和・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第61回高分子討論会
    • Place of Presentation
      名古屋工業大学(名古屋市)
    • Year and Date
      20120919-20120921
  • [Presentation] 多孔性金属錯体を鋳型とした高分子ゲルの構築2012

    • Author(s)
      石渡拓己・古川雄基・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第61回高分子討論会
    • Place of Presentation
      名古屋工業大学(名古屋市)
    • Year and Date
      20120919-20120921
  • [Presentation] 非極性環境下で機能する親油性イオンを導入した液晶性高分子ゲル2012

    • Author(s)
      錦織祐介・伊勢田一也・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第61回高分子討論会
    • Place of Presentation
      名古屋工業大学(名古屋市)
    • Year and Date
      20120919-20120921
  • [Presentation] 正四面体型5価アニオンの合成とイオン解離能の評価2012

    • Author(s)
      坂本伸仁・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第23回基礎有機化学討論会
    • Place of Presentation
      京都テルサ(京都市)
    • Year and Date
      20120919-20120921
  • [Presentation] 親油性イオンを有する重合開始剤の合成2012

    • Author(s)
      山田泰平・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      2012年度北海道高分子若手研究会
    • Place of Presentation
      定山渓観光ホテル 山渓苑(札幌市)
    • Year and Date
      20120831-20120831
  • [Presentation] クリックケミストリーを用いた正四面体5価ボレート塩の合成2012

    • Author(s)
      坂本伸仁・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      日本化学会北海道支部 2012年 夏期研究発表会
    • Place of Presentation
      旭川工業高等専門学校(旭川市)
    • Year and Date
      20120804-20120804
  • [Presentation] 非極性環境下で機能する親油性イオンを導入した高分子液晶の合成2012

    • Author(s)
      錦織祐介・伊勢田一也・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第61回高分子学会年次大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(横浜市)
    • Year and Date
      20120529-20120531
  • [Presentation] アニオン応答性ゲルの巨視的物性変化を用いた分子認識の可視化2012

    • Author(s)
      伊勢田一也・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第61回高分子学会年次大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(横浜市)
    • Year and Date
      20120529-20120531
  • [Presentation] ピレン部位を有する高分子の電荷移動錯体形成を利用した温度応答性の発現2012

    • Author(s)
      雨森翔悟・Gharib Desi Hamed・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第61回高分子学会年次大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(横浜市)
    • Year and Date
      20120529-20120531
  • [Presentation] 多孔性配位高分子結晶を用いたナノ・マイクロサイズの立方体形状をもつ高分子ゲルの作製2012

    • Author(s)
      古川雄基・石渡拓己・杉川幸太・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第61回高分子学会年次大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(横浜市)
    • Year and Date
      20120529-20120531
  • [Presentation] ドナーアクセプター相互作用を利用したピレン部位を有する高分子のLCST型温度応答性の発現と制御2012

    • Author(s)
      雨森翔悟・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第9回ホスト・ゲスト化学シンポジウム
    • Place of Presentation
      北海道大学(札幌市)
    • Year and Date
      20120526-20120527
  • [Presentation] シクロデキストリンを用いた多孔性配位高分子による立方体形状ゲルの作製2012

    • Author(s)
      古川雄基・石渡拓己・杉川幸太・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第9回ホスト・ゲスト化学シンポジウム
    • Place of Presentation
      北海道大学(札幌市)
    • Year and Date
      20120526-20120527
  • [Presentation] 高分子ゲル界面におけるアニオン・アニオンレセプター間の分子認識2012

    • Author(s)
      伊勢田一也・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第9回ホスト・ゲスト化学シンポジウム
    • Place of Presentation
      北海道大学(札幌市)
    • Year and Date
      20120526-20120527
  • [Presentation] 官能基変換反応に共役した高分子溶液の相分離

    • Author(s)
      濱野芳美・雨森翔悟・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第10回ホスト・ゲスト化学シンポジウム
    • Place of Presentation
      和歌山大学栄谷キャンパス(和歌山市)
  • [Presentation] シクロデキストリンによるマイクロサイズ立方体ゲル粒子の機能性部位修飾

    • Author(s)
      古川雄基・石渡拓己・小門憲太・佐田和己
    • Organizer
      第62回高分子学会年次大会
    • Place of Presentation
      京都国際会館(京都市)

URL: 

Published: 2014-07-24  

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