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動的な環状分子が拓く新しい架橋高分子とその機能創出

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ1268
補助金の研究課題番号 21J20689 (2021-2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2021-2022)
応募区分国内
審査区分 小区分35020:高分子材料関連
研究機関東京工業大学

研究代表者

横地 浩義  東京工業大学, 物質理工学院, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワード高分子 / 動的共有結合 / メカノフォア / ロタキサン / 架橋高分子 / 環状高分子 / 動的共有結合化学 / 高分子反応 / 特殊構造ポリマー / エラストマー
研究開始時の研究の概要

これまで様々な分子量の環状ポリエチレングリコールの合成を達成している。一方、異なる化学構造へは未展開であった。そこで、まだ広く普及していないバイオベースポリマー(PIC)に着目した。動的な環状PICを合成できれば、その動的特性を活かした高分子の末端構造制御や異種の環状高分子と連結することが可能となりPICを機能化することができる。まず、これまでと同様に希釈条件下で加熱することで環状トポロジーへと誘導し、NMRやMALSを利用し環状PICの合成を確認した。次に、得られた環状PICと環状PEGを濃厚条件下で加熱することで、PICとPEGを連結した大環状高分子の合成および末端へ機能団を導入した。

研究実績の概要

強靭な機能性高分子材料の創製を目的とし、本研究では、動的共有結合を利用した高分子の一次構造制御に着目した。動的共有結合の一つであるビス(2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-イル)ジスルフィド(BiTEMPS)骨格は、熱によりその動的特性のOn-Offを簡便に制御できる。当研究室では、これまで高分子トポロジー変換を利用し、BiTEMPSを一つのみ有する環状化合物の合成を達成している。昨年度までに、本手法を高分子に拡張し、動的な環状高分子を利用したさらなる高分子合成への展開を達成した。
本年度は、可動領域の狭いロタキサン構造を架橋点に有する架橋高分子(RCP)の強靭化メカニズム解明を目指し、力学的刺激に応答するロタキサン型メカノフォアを見出した。合成した種々のRCPの引張試験および計算化学的な解析によって、ロタキサンの末端構造を適切に設計することでロタキサン構造が空間的な犠牲結合として働き、材料を強靭化することを明らかにした。また、力により解離して桃色ラジカルを生じるジフルオレニルスクシノニトリル(DFSN)骨格を分子プローブとして用いて、力によるロタキサン構造の解離を可視化することに成功した。以上より、ロタキサン構造が力学的刺激に応答して構造変換することでRCPが強靱化されることを見出し、これまで未解明であった可動領域の狭いRCPの強靭化原理を明らかにした。また、本成果は米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載された。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 9件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Self-healing and shape-memory polymers based on cellulose acetate matrix2024

    • 著者名/発表者名
      Jia Han、Jimbo Keiya、Yokochi Hirogi、Otsuka Hideyuki、Michinobu Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Science and Technology of Advanced Materials

      巻: 25 号: 1

    • DOI

      10.1080/14686996.2024.2320082

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Sacrificial Mechanical Bond is as Effective as a Sacrificial Covalent Bond in Increasing Cross-Linked Polymer Toughness2023

    • 著者名/発表者名
      Yokochi Hirogi、O’Neill Robert T.、Abe Takumi、Aoki Daisuke、Boulatov Roman、Otsuka Hideyuki
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 145 号: 43 ページ: 23794-23801

    • DOI

      10.1021/jacs.3c08595

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Topology Transformation toward Cyclic, Figure-Eight-Shaped, and Cross-Linked Polymers Based on the Dynamic Behavior of a Bis(hindered amino)disulfide Linker2021

    • 著者名/発表者名
      Yokochi Hirogi、Ohira Masashi、Oka Minami、Honda Satoshi、Li Xiang、Aoki Daisuke、Otsuka Hideyuki
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 54 号: 21 ページ: 9992-10000

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.1c01437

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Synthesis of Rotaxane Cross-linked Elastomers with a Radical-Type Mechanophore to Visualize Dynamic Behavior of Slide-ring Materials2023

    • 著者名/発表者名
      Hirogi Yokochi, Takumi Abe, Daisuke Aoki, Hideyuki Otsuka
    • 学会等名
      ACS Fall 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Elucidation of Toughening Mechanism of Rotaxane Cross-Linked Polymers by Using Mechanoresponsive Unit2023

    • 著者名/発表者名
      Hirogi Yokochi, Daisuke Aoki, Robert Thomas, Roman Boulatov, Hideyuki Otsuka
    • 学会等名
      ISMSC2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Visualization of Toughing Mechanism of Rotaxane Crosslinked Polymers by a Radical-Type Mechanophore2023

    • 著者名/発表者名
      Hirogi Yokochi, Daisuke Aoki, Robert Thomas, Roman Boulatov, Hideyuki Otsuka
    • 学会等名
      IPC2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of Rotaxane Cross-linked Elastomers with a Radical-Type Mechanophore to Visualize Dynamic Behavior of Slide-ring Materials2023

    • 著者名/発表者名
      Hirogi Yokochi, Daisuke Aoki, Roman Boulatov, Hideyuki Otsuka
    • 学会等名
      ACS Spring 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topology Transformation Toward Cyclic, Figure-eight-shaped, and Cross-linked Polymers Based on Dynamic Covalent Chemistry2022

    • 著者名/発表者名
      Hirogi Yokochi, Daisuke Aoki, Hideyuki Otsuka
    • 学会等名
      2022 Spring Meeting of PSK
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Figure-eight-shaped Polymers with Dynamic Covalent Bonds Build New Polymer Networks via Exchange Reactions2022

    • 著者名/発表者名
      Hirogi Yokochi, Daisuke Aoki, Hideyuki Otsuka
    • 学会等名
      PNG2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of Cyclic Polymers and Functionalization of Polymers via Exchange Reactions of Bis(hindered amino)disulfide Linkages2022

    • 著者名/発表者名
      Hirogi Yokochi, Takumi Abe, Daisuke Aoki, Hideyuki Otsuka
    • 学会等名
      MACRO2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Utility of Dynamic Behavior of Cyclic Monomer with a Bis(hindered amino)disulfide Linker for the Preparation of End-functionalized Polymers2021

    • 著者名/発表者名
      Hirogi Yokochi, Rikito Takashima, Daisuke Aoki, Hideyuki Otsuka
    • 学会等名
      Pacifichem2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of Cyclic and Figure-eight-shaped Polymers with Dynamic Covalent Bonds and Their Conversion to Cross-linked Polymers via Exchange Reactions2021

    • 著者名/発表者名
      Hirogi Yokochi, Daisuke Aoki, Hideyuki Otsuka
    • 学会等名
      ACS Spring 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 動的共有結合を有する8の字型高分子の合成と結合交換反応による架橋高分子への変換2021

    • 著者名/発表者名
      横地浩義・青木大輔・大塚英幸
    • 学会等名
      第70回高分子学会年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 動的な環状高分子のトポロジー変換による3次元網目構造の構築2021

    • 著者名/発表者名
      横地浩義・青木大輔・大塚英幸
    • 学会等名
      第11回CSJ化学フェスタ2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] メカノクロモフォア含有ロタキサン架橋高分子の合成と架橋点可動効果の調査2021

    • 著者名/発表者名
      横地浩義・青木大輔・大塚英幸
    • 学会等名
      第14回超分子若手懇談会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 動的共有結合を利用した環状、8の字型および架橋高分子への新規トポロジー変換の開発2021

    • 著者名/発表者名
      横地浩義・青木大輔・大塚英幸
    • 学会等名
      日本化学会 第102春季年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] ロタキサン架橋高分子の新しい強靭化メカニズムを解明

    • URL

      https://www.titech.ac.jp/news/2023/067652

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] ロタキサン架橋高分子の新しい強靭化メカニズムを解明

    • URL

      https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000766.000015177.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-05-27   更新日: 2024-12-25  

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