Development of plastics that selectively decompose in seawater

• Project/Area Number: 22K19868
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 64:Environmental conservation measure and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 齋藤 敬 京都大学, 総合生存学館, 教授 (00386640)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: プラスチック / 分解 / 海洋 / 海洋プラスチック / 動的共有結合 / 可逆ポリマー / 生分解

Outline of Research at the Start

本研究では、近年問題となっている海洋プラスチック問題を踏まえて、海洋という特殊な条件下でのみ分解が促進される海水分解促進性ポリマー(プラスチック)の創成を目的とする。グリーンサステイナブルケミストリーの概念から、一般の使用条件では分解せず安定であるが、塩濃度が高い海水中でのみ「選択的に」急速に分解する一連のポリマーの合成を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

一般的にポリマーの分解速度が遅い一つの要因として、その長い鎖状の構造が挙げられる。ポリマーは化学結合で連続的に繋がった構造を有しているため、分子量の小さいフラグメントに分解しようとすると、数多くの結合を切断する必要が生じる。そこで本研究では、分子量の小さいプラグメントを可逆的な結合で連結し長い鎖状のポリマー構造を形成し、その可逆反応部位を結合・分解させ、ポリマーを分子量の小さいプラグメントに戻すことで、分解速度が速いポリマーを合成することを目的としている。特に、一般の使用条件では分解せず安定であるが、海水等の特殊な条件では「選択的に」急速に分解する一連のポリマーの合成を目指す。
まずは生分解性ポリマーに焦点をあて、分子量の小さい生分解性プラグメントの合成を目指した。具体的には、可逆反応部位を末端に有する生分解可能な短い低分子量体ユニットを合成するため、環状ケテンアセタールの開環重合と、開環重合用のRAFT剤の開発を実施した。特に特殊な構造を有するRAFT剤の合成に関しては、合成条件、分離条件が難しく難航しており、他の方法を検討中である。また海水での分解条件を検討するため、異なる地点の海水の分析も実施した。
さらに海水に含まれる成分以外での分解条件として、光による分解を検討し、光応答性のポリマーに関しては、低分子量体と高分子量体を可逆的に変化させることが可能であることを見出した。具体的には、2+2光環化付加反応部位等の光可逆反応部位を有する直鎖側の鎖に光を照射することにより可逆的にその構造が変化することを明らかとした。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

開環重合用のRAFT剤の開発に遅れが生じているが、その他の方法で分解性ポリマーの合成を進めている。

Strategy for Future Research Activity

引き続き可逆反応部位を有するRAFT剤の開発とそれを用いた環状ケテンアセタールの開環重合を進めていく。同時進行で海水の成分以外でも分解可能な、海洋分解性ポリマーの開発も進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Monash University(オーストラリア)
• [Journal Article] Synthesis and Controlled Cargo Release of Novel Photoresponsive Polysiloxane‐Based Single‐Chain Nanoparticles (2024)
  • Author(s): Alrayyes Abdalrahman、Boga Karteek、Vidallon Mark、Wang Huanting、Saito Kei
  • Journal Title: Macromolecular Chemistry and Physics Volume: - Issue: 14
  • DOI: 10.1002/macp.202300081
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In situ fabrication of photo-responsive PVA composites enabled by doping with coumarin-derived nanoparticles (2023)
  • Author(s): Boga Karteek、Patti Antonio F.、Warner John C.、Simon George P.、Saito Kei
  • Journal Title: Composites Communications Volume: 44 Pages: 101740-101740
  • DOI: 10.1016/j.coco.2023.101740
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Eco-Friendly Photoreversible Adhesives Derived from Coumarin-Functionalized Epoxy Soybean Oil (2023)
  • Author(s): Boga Karteek、Patti Antonio F.、Warner John C.、Simon George P.、Saito Kei
  • Journal Title: ACS Applied Polymer Materials Volume: 5 Issue: 7 Pages: 4644-4653
  • DOI: 10.1021/acsapm.3c00091
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Ocean plastic problem and plastic chemical upcycling based on circular economy (2022)
  • Author(s): Kei Saito
  • Organizer: JpGU 2022
• [Presentation] Research in Green Chemistry and Circular Economy (2022)
  • Author(s): Kei Saito
  • Organizer: 5th G’L’owing Polymer Symposium in KANTO
  • Invited
• [Presentation] グリーンケミストリーから見たサーキュラーマテリアル (2022)
  • Author(s): 齋藤敬
  • Organizer: 高分子学会関東支部第7回神奈川地区講演会
  • Invited
• [Remarks] 京都大学 教育研究活動データベース
  • URL: https://kdb.iimc.kyoto-u.ac.jp/profile_private/ja.e18610b161357d1b.html#display-items_research