JP2014084436A - キラル超分子結晶及びそれからなる固体触媒、並びにキラル超分子結晶の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直鎖状ポリエチレンイミン骨格を備えたポリマーと、ジカルボン酸であり5以上の炭素原子を備えたキラル糖酸化合物と、を含んでなる酸塩基型錯体のキラル超分子結晶を用いる。この酸塩基型のキラル超分子結晶は、ナノシート状等といった反応場として付加価値の高い特異な形状となる。
【選択図】図1
Description
本発明に係る酸塩基型錯体のキラル超分子結晶は、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を備えたポリマーと、ジカルボン酸であり5以上の炭素原子を備えたキラル糖酸化合物と、を含んでなる。まずは、これらの化合物について説明する。
本発明で用いられる直鎖状ポリエチレンイミン骨格を備えたポリマー(以下、単に「ポリマー」とも呼ぶ。)は、下記化学式で表される構造を分子内に備える。下記化学式で表される構造には二級のアミノ基が含まれ、このアミノ基の窒素原子が後述する糖酸化合物に含まれるカルボキシル基と相互作用して酸塩基型の錯体を形成する。上記糖酸化合物は、二個のカルボキシル基を備えた二塩基酸であり、二分子のポリマーに含まれるアミノ基のそれぞれと錯体を形成することができるので、ポリマーは、糖酸化合物によって架橋される。その結果、複数のポリマーと複数の糖酸化合物とが自己組織化した構造を備えた酸塩基型錯体型の超分子結晶が形成される。この超分子結晶の特性については後述する。
本発明で用いられる糖酸化合物は、炭素数が5以上のジカルボン酸化合物であり、キラルである。糖酸化合物はD−体であってもL−体であってもよい。糖酸化合物がこうしたキラリティーを備えることにより、得られる超分子結晶がナノシート状等といった反応場として付加価値の高い特異な形状となることは、既に述べた通りである。なお、糖酸化合物の光学純度は、必ずしも100%eeである必要はなく、90%ee以上であることが好ましく、95%ee以上であることがより好ましく、98%ee以上であることがさらに好ましい。
本発明のキラル超分子結晶は、ナノサイズのシート状等といった特異な形状のナノ構造体となる。ナノ構造体の形状は、用いる糖酸化合物の種類によって異なるが、例えば、糖酸化合物としてD−グルカル酸やD−ガラクタル酸を用いた場合には、ナノ構造体が厚さ1〜100nmのシート状として形成される。これらのナノ構造体は、互いに複合してナノ複合体を形成させる。
上記のキラル超分子結晶からなり、当該超分子結晶に含まれるカルボキシル基及び塩基性窒素原子により、酸又は塩基の存在下で促進される化学反応を触媒とすることが可能な固体触媒も本発明の一つである。この固体触媒は、上述のナノ複合体からなり、その内部構造に基づいた大きな表面積を備える。そのため、触媒として高い活性を発現することができる。
上述のキラル超分子結晶の製造方法も本発明の一つである。本発明のキラル超分子結晶の製造方法は、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を備えたポリマーの水溶液を調製するポリマー水溶液調製工程と、ジカルボン酸であり5以上の炭素原子を備えたキラル糖酸化合物の水溶液を調製する糖酸水溶液調製工程と、上記ポリマーの水溶液と前記キラル糖酸化合物の水溶液とを混合させて混合水溶液を得る混合工程と、上記混合水溶液を放置して、当該水溶液中に上記ポリマーと上記キラル糖酸化合物との酸塩基型錯体を析出させる析出工程と、を備える。次に、上記各工程を説明しながら、キラル超分子結晶の製造方法の一実施態様について説明する。なお、以下の説明では、上述のキラル超分子結晶での説明と重複する部分を適宜省略する。
本発明の製造方法では、まず、ポリマー水溶液調製工程を行う。この工程では、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を備えたポリマーの水溶液が調製される。このとき、水溶液を調製するのに用いる水は、加温されることにより、80℃以上の熱水となっていることが好ましい。また、このとき用いられる直鎖状ポリエチレンイミン骨格を備えたポリマーについては、既に述べた通りである。
上記のポリマー水溶液調製工程と並行して、糖酸水溶液調製工程を行う。この工程では、ジカルボン酸であり5以上の炭素原子を備えた糖酸化合物の水溶液を調製する。ここで用いられる糖酸化合物はキラル(光学活性体)である。なお、水溶液を調製するのに用いる水は、加温されることにより、80℃以上の熱水となっていることが好ましい。また、このとき用いられる糖酸化合物については、既に述べた通りである。
混合工程では、上述の、ポリマーの水溶液と糖酸化合物の水溶液とを混合させて混合水溶液を得る。このとき、混合される2つの水溶液は、いずれも80℃以上程度の温度に加温されていることが好ましい。
析出工程では、混合工程で得られた混合水溶液を放置して、当該水溶液中にポリマーと糖酸化合物との酸塩基型錯体を析出させる。
市販のポリエチルオキサゾリン(質量平均分子量50,000、平均重合度約500、Aldrich社製)30gを5Mの塩酸水溶液(150mL)に溶解させた。その溶液をオイルバスにて90℃に加温し、その温度で10時間撹拌した。反応溶液にアセトン(500mL)を加えてポリマーを完全に沈殿させ、それを濾別し、メタノールで3回洗浄して白色のポリエチレンイミンの粉末を得た。得られた粉末を1H−NMR(重水)にて分析したところ、ポリエチルオキサゾリンの側鎖のエチル基に由来した1.2ppmのピーク(CH3)と2.3ppmのピーク(CH2)とが完全に消失していることが確認された。したがって、得られたポリマーでは、ポリエチルオキサゾリンが完全に加水分解され、ポリエチレンイミンに変換されたことが示された。
L−PEI粉末(含水率46質量%)158mg(2級アミノ基2mmolに相当)を蒸留水(40mL)に加え、それを約100℃になるまで加熱して、L−PEIが完全に溶解したポリマー水溶液を調製した。一方、D−グルカル酸カルシウム(別名:D−サッカリン酸カルシウム)・四水和物(シグマアルドリッチ社製)320mg(1mmol)を1mol/Lの塩酸水溶液(2mL)と蒸留水(38mL)との混合溶液に加え、それを約100℃になるまで加熱して溶解させ、糖酸水溶液を調製した。その後、約100℃の水温を維持したまま、糖酸水溶液をポリマー水溶液中に注ぎ、混合水溶液を調製した。この混合水溶液を室温まで自然放冷した後、さらに4℃にて一晩静置した。その後、混合水溶液中に生じた固体を遠心分離にて洗浄、回収し、乾燥後、L−PEIとD−グルカル酸とからなる複合体を得た。収量は203mg(収率69%)だった。
L−PEI粉末(含水率46質量%)158mg(2級アミノ基2mmolに相当)を蒸留水(40mL)に加え、それを約100℃になるまで加熱して、L−PEIが完全に溶解したポリマー水溶液を調製した。一方、D−グルカル酸カルシウム・四水和物320mg(1mmol)を1mol/Lの塩酸水溶液(2mL)と蒸留水(38mL)との混合溶液に加え、それを約100℃になるまで加熱して溶解させ、糖酸水溶液を調製した。その後、約100℃の水温を維持したまま、糖酸水溶液をポリマー水溶液中に注ぎ、混合水溶液を調製した。この混合水溶液を室温まで自然放冷した後、室温にて1mol/Lの塩酸水溶液を滴下し、混合水溶液のpHを3.0に調整した。その後、4℃にて一晩静置し、混合水溶液中に生じた固体を遠心分離にて洗浄、回収し、乾燥後、L−PEIとD−グルカル酸とからなる複合体を得た。収量は24mg(収率8%)だった。
実施例1の方法に従い、L−PEI粉末(含水率46質量%)158mg(2級アミノ基2mmolに相当)を蒸留水(40mL)に加え、それを約100℃になるまで加熱して、L−PEIが完全に溶解したポリマー水溶液を調製した。一方、D−グルカル酸カルシウム・四水和物320mg(1mmol)を1mol/Lの塩酸水溶液(2mL)と蒸留水(38mL)との混合溶液に加え、それを約100℃になるまで加熱して溶解させ、糖酸水溶液を調製した。その後、約100℃の水温を維持したまま、糖酸水溶液をポリマー水溶液中に注ぎ、混合水溶液を調製した。この混合水溶液を室温まで自然放冷した後、さらに4℃にて一晩静置した。翌日、混合水溶液中に生じたポリマーと糖酸との複合体を遠心分離にて洗浄した後、蒸留水(10mL)を加え、白色懸濁液を調製した。一方、オルトケイ酸テトラエチル(3mL)を蒸留水(10mL)に加え、激しく撹拌し、シリカソース分散液を調製した。このシリカソース分散液に上記白色懸濁液を滴下し、室温で約2時間撹拌した。その後、固体を遠心分離により回収し、蒸留水、次いでアセトンで洗浄した。乾燥後、シリカで表面が覆われた、L−PEIとD−グルカル酸との複合体598mgを得た。
実施例2の方法に従い、L−PEI粉末(含水率46質量%)158mg(2級アミノ基2mmolに相当)を蒸留水(40mL)に加え、それを約100℃になるまで加熱して、L−PEIが完全に溶解したポリマー水溶液を調製した。一方、D−グルカル酸カルシウム・四水和物320mg(1mmol)を1mol/Lの塩酸水溶液(2mL)と蒸留水(38mL)との混合溶液に加え、それを約100℃になるまで加熱して溶解させ、糖酸水溶液を調製した。その後、約100℃の水温を維持したまま、糖酸水溶液をポリマー水溶液中に注ぎ、混合水溶液を調製した。この混合水溶液を室温まで自然放冷した後、室温にて1mol/Lの塩酸水溶液を滴下し、混合水溶液のpHを3.0に調整した。その後、4℃にて一晩静置し、翌日、混合水溶液中に生じたポリマーと糖酸との複合体を遠心分離にて洗浄した後、蒸留水(10mL)を加え、白色懸濁液を調製した。一方、オルトケイ酸テトラエチル(3mL)を蒸留水(10mL)に加え、激しく撹拌し、シリカソース分散液を調製した。このシリカソース分散液に上記白色懸濁液を滴下し、室温で約2時間撹拌した。その後、固体を遠心分離により回収し、蒸留水、次いでアセトンで洗浄した。乾燥後、シリカで表面が覆われた、L−PEIとD−グルカル酸との複合体137mgを得た。
L−PEI(含水率46質量%)粉末197.5mg(2級アミノ基2.5mmolに相当)を蒸留水(3mL)中に加え、それを95℃になるまで加熱して、L−PEIが完全に溶解したポリマー水溶液を調製した。一方、D−酒石酸(東京化成株式会社製;炭素数4)187.7mg(1.25mmol)を蒸留水(2mL)に溶解させ、その溶液を95℃になるまで加熱してD−酒石酸水溶液を調製した。その後、約95℃の水温を維持したまま、D−酒石酸水溶液をポリマー水溶液中に注ぎ、混合水溶液を調製した。この混合水溶液を室温まで自然放冷する過程で生じる沈殿物を遠心分離にて洗浄、回収し、大気中で乾燥させて、L−PEIとD−酒石酸とからなる複合体を得た。収量は290mgだった。
L−PEI(含水率46質量%)粉末197.5mg(2級アミノ基2.5mmolに相当)を蒸留水(3mL)中に加え、それを95℃になるまで加熱して、L−PEIが完全に溶解したポリマー水溶液を調製した。一方、DL−酒石酸(東京化成工業株式会社製;D−酒石酸とL−酒石酸との等モル混合品)187.7mg(1.25mmol)を蒸留水(2mL)に溶解させ、その溶液を95℃になるまで加熱して酒石酸溶液を調製した。その後、約95℃の水温を維持したまま、酒石酸水溶液をポリマー水溶液中に注ぎ、混合水溶液を調製した。この混合水溶液を室温まで自然放冷する過程で生じた沈殿物を遠心分離にて洗浄、回収し、大気中で乾燥させて、L−PEIとDL−酒石酸とからなる複合体を得た。収量は290mgだった。
Claims (6)
- 直鎖状ポリエチレンイミン骨格を備えたポリマーと、ジカルボン酸であり5以上の炭素原子を備えたキラル糖酸化合物と、を含んでなる酸塩基型錯体のキラル超分子結晶。
- 前記糖酸化合物として、アルトラル酸、グルカル酸、マンナル酸、グルロン酸、イダル酸、ガラクタル酸及びタルロン酸からなる群より選択される少なくとも一つを含む請求項1記載のキラル超分子結晶。
- シート状のナノ構造体であり、
前記ナノ構造体と、複数の前記ナノ構造体同士で形成される空間と、を内部に備え、径が5〜50μmの粒子であるナノ複合体を形成している請求項1又は2記載のキラル超分子結晶。 - 請求項1〜3のいずれか1項記載のキラル超分子結晶からなり、当該超分子結晶に含まれるカルボキシル基及び塩基性窒素原子により、酸又は塩基の存在下で促進される化学反応を触媒することが可能な固体触媒。
- 直鎖状ポリエチレンイミン骨格を備えたポリマーの水溶液を調製するポリマー水溶液調製工程と、
ジカルボン酸であり5以上の炭素原子を備えたキラル糖酸化合物の水溶液を調製する糖酸水溶液調製工程と、
前記ポリマーの水溶液と前記キラル糖酸化合物の水溶液とを混合させて混合水溶液を得る混合工程と、
前記混合水溶液を放置して、当該水溶液中に前記ポリマーと前記キラル糖酸化合物との酸塩基型錯体を析出させる析出工程と、を備えたキラル超分子結晶の製造方法。 - 前記混合工程にて混合される2つの水溶液が加温されており、加温された水溶液同士から調製された混合水溶液を前記析出工程にて冷却放置する、請求項5記載のキラル超分子結晶の製造方法。
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