JP3598367B2 - 中空繊維状有機ナノチューブ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内孔径１０〜２０ｎｍ、外径４０〜８０ｎｍ、長さ数十μｍ〜数百μｍを有する中空繊維状形態の、ファインケミカル、医薬品、化粧品、電子情報、エネルギー産業、化学品製造などの分野において利用可能な、有機ナノチューブ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ある種の脂質は、自己集積して安定な分子集合体を形成し、ファインケミカル、医療分野において機能性材料として利用されている。このような脂質、例えば天然由来のリン脂質から成る球状の分子集合体、いわゆるリポソームは、薄膜法、熱分散法、溶液注入法、コール酸法、逆層蒸発法などにより製造されているが、これらの方法は、いずれも複雑で、しかも熟練を有する技術を用いなければならないため、実用化が困難であった。しかも、これらの方法により得られる分子集合体はいずれも球状の形態を有しており、繊維幅と繊維長さの比である軸比が大きい中空繊維状の分子集合体は得られないため、その利用分野が制限されるのを免れなかった。
【０００３】
一方、合成両親媒性化合物を水中に分散させることにより、繊維状あるいは棒状の分子集合体が得られることが知られている［「ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ）」，第１０７巻，第５０９〜５１０ページ（１９８５年）］。
しかしながら、この方法によって得られる分子集合体はリボン状あるいはひも状の繊維形態をしているものの、ガス吸蔵や有用生体分子の分離に有効な一次元孤立空孔と大きな表面積を有するナノチューブ構造体を形成することは不可能であり、繊維状分子集合体としては、ほとんど利用できなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、入手容易で安価な天然物資源から簡単な方法で製造可能であり、しかも再生可能で、かつ広い利用範囲をもつ新規な中空繊維状有機ナノチューブを提供することを目的としてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、入手容易な原料から、広い利用範囲を有する機能材料を簡単に製造しうる方法について鋭意研究を重ねた結果、カシューナッツの殻油から分離される長鎖アルキルフェノール又はその誘導体をアグリコンとするＯ‐グリコシド型糖脂質を種々の方法で分子集合し、そのあと疑似結晶化させると、中空繊維状形態の有機ナノチューブが得られることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、アルドース残基をグリコシル基とし、一般式
【化３】

（式中のＲは炭素数１２〜１８の不飽和直鎖状炭化水素基である）
で表わされる基をアグリコンとするＯ‐グリコシド型糖脂質からなり、内孔径１０〜２０ｎｍ、外径４０〜８０ｎｍを有する中空繊維状有機ナノチューブ、及び、このＯ‐グリコシド型糖脂質を、高めた温度の水に飽和濃度まで溶解させたのち、この水溶液を徐冷し、室温下静置することにより自生的な分子集合と疑似結晶化を起こさせることを特徴とする内孔径１０〜２０ｎｍ、外径４０〜８０ｎｍを有する中空繊維状有機ナノチューブを製造する方法を提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の中空繊維状有機ナノチューブは、グリコシル基としてアルドース残基を、またアグリコンとして前記一般式（Ｉ）で表わされる長鎖アルキルフェノール残基を有するＯ‐グリコシド型糖脂質、すなわち一般式
【化４】

（式中のＲは前記と同じ意味をもち、Ｇは還元末端の炭素原子がＯ‐グリコシド結合に関与しているアルドフラノース又はアルドピラノース残基である）
で表わされるＯ‐グリコシド型糖脂質を原料として用い、製造される。
【０００８】
前記一般式（ＩＩ）中のＧ、すなわちグリコシル基としては、例えばグルコピラノース、ガラクトピラノース、マンノピラノース、アロピラノース、アルトロピラノース、グロピラノース、イドピラノース、タロピラノースのようなアルドピラノース及び対応するアルドフラノースの還元末端の水酸基から水素原子を除いた残基を挙げることができる。
【０００９】
次に前記一般式（ＩＩ）中のＲは炭素数１２〜１８、好ましくは１５の脂肪族不飽和直鎖状炭化水素基である。このような炭化水素基としては、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基などに不飽和結合としてモノエン、ジエン、トリエンなどを含むものがあるが、原料の入手が容易であるという点で、８‐ペンタデセニル基、８，１０‐ペンタデカジエニル基、８，１０，１２‐ペンタデカトリエニル基が好ましい。
【００１０】
前記一般式（ＩＩ）で表わされるＯ‐グリコシド型糖脂質は、いずれも文献未載の新規化合物である。
このようなＯ‐グリコシド型糖脂質は、例えば一般式
【化５】

（式中のＲは前記と同じ意味をもつ）
で表わされる長鎖アルキルフェノールに、還元末端水酸基以外の水酸基がすべて保護されたアルドピラノース又はアルドフラノース（以下単に保護されたアルドースという）の還元末端水酸基の反応性官能的誘導体と反応させて、Ｏ‐グリコシド結合を形成させたのち、保護基を脱離させることによって製造することができる。この保護基としては、例えばアセチル基、ベンジル基、１，２‐イソプロピリデン基などが用いられる。
【００１１】
また、還元末端水酸基の反応性官能的誘導体としては、例えば対応するアルドースのトリクロロアセトイミデート、臭素化物（ブロム糖）、フッ素化物（フッ素糖）、チオグリコシド、Ｏ‐アシレートなどを挙げることができる。この中でフッ素化物やトリクロロアセトイミデートは高収率で反応するので好ましい。
【００１２】
前記一般式（ＩＩＩ）で表わされる長鎖アルキルフェノールのうち、炭素数１５の不飽和直鎖状アルキル基をもつものは、カシューナッツ殻油を原料として容易に得ることができる。すなわち、現在、カシューワニスや機械用、自動車用のブレーキパッド、ライニングの原料として汎用されているカシューナッツ殻油を真空蒸留して、沸点２２０〜２３５℃の範囲のカルダノール留分を捕集することにより得られる。この際の真空度としては、２５０〜７００Ｐａの範囲が適当である。
【００１３】
このカシューナッツ殻油はカシューナッツオイルと称され、ウルシ科のカシューナッツツリー（Ａｎａｃａｒｄｉｕｍ ｏｃｃｉｄｅｎｔａｌｅ）の実の殻を溶媒抽出又は加熱分留して得られる油状の液体である。そして、溶媒抽出した場合は、アナカルド酸とカルドールを主成分とする混合物として、また加熱分留した場合は、カルダノールとカルドールを主成分とする混合物として得られる。
【００１４】
本発明の原料として、このカシューナッツ殻油を、さらにｎ‐ヘキサンのような溶媒を用いて抽出操作し、得られるカルダノールを溶媒に溶解させて用いることもできる。
【００１５】
一方、この長鎖アルキルフェノールと反応させる、保護されたアルドースの反応性官能的誘導体は、例えば次のようにして製造することができる。
すなわち、アルドースの還元末端水酸基の臭素化物又はフッ素化物のようなハロゲン化物、いわゆるブロム糖又はフッ素糖は、アルドースをピリジン中でアセチル化したのち、酢酸中で臭化水素又はフッ化水素を作用させることによって得られる。
【００１６】
また、対応するトリクロロアセトイミデートは、前記と同様にしてアルドースをアセチル化したのち、ジメチルホルムアミド中でヒドラジン酢酸塩を作用させて還元末端のみ選択的に脱アセチル化した糖鎖成分を形成させ、次いで塩基触媒の存在下、トリクロロアセトニトリルを反応させることによって得られる。
この時の反応溶媒としては、塩化メチレン、クロロホルムなどのハロゲン化合物が、また塩基触媒としては、水素化ナトリウム、炭酸セシウムなどが好ましい。
【００１７】
アルドースのハロゲン化物を得る反応においては、α体が選択的に得られ、トリクロロアセトイミデートを得る反応においては、室温で２時間以上反応させると、選択的にα体が得られる。このことは、これらの化合物の^１Ｈ−ＮＭＲスペクトル（重クロロホルム中、２５℃）が、δ値で６．４〜６．６ｐｐｍに二重線のシグナル（スピン−スピンカップリング定数＝３．４〜４．０Ｈｚ）を示すことから確認できる。
【００１８】
次に、前記一般式（ＩＩＩ）で表わされる長鎖アルキルフェノールと、保護されたアルドースの反応性官能的誘導体とから、Ｏ‐グリコシド結合を形成させる反応は、以下のようにして行うことができる。
例えば、保護されたアルドースの反応性官能的誘導体が臭素化物である場合には、トリフルオロメタンスルホン酸スズを触媒として、塩基性物質の存在下で反応させる。この際の反応溶媒としては、クロロホルム、トルエンなどが用いられるが、溶解性の点からクロロホルム／トルエン混合溶媒系が好ましい。また塩基性物質としては、２，４，６‐トリメチルピリジンや１，１，３，３‐テトラメチル尿素が用いられる。この際の反応温度としては室温から４０℃、１０〜２０時間が適当である。この反応は、モレキュラーシーブ４Ａを共存させると、さらに良い収率を与える。
【００１９】
次に、保護されたアルドースの反応性官能的誘導体がトリクロロアセトイミデートである場合は、ルイス酸触媒の存在下で行われる。この際の反応溶媒としては、クロロホルム、塩化メチレン、１，２‐ジクロロエタンなどのハロゲン系溶媒、アセトニトリル、ニトロメタンなどが用いられ、特に塩化メチレンが好ましい。この反応のルイス酸触媒としては、トリフルオロメタンスルホン酸トリメチルシリルや三フッ化ホウ素・エーテル錯体が用いられる。ルイス酸触媒の使用量としては、トリクロロアセトイミデートに対し、２〜３当量が好適である。この際の反応温度としては、−５〜０℃が適当である。反応時間は、ルイス酸触媒の種類、反応温度によって左右されるが、通常は２〜３時間である。この反応は、モレキュラーシーブの存在下、かき混ぜながら行うのがよい。
【００２０】
アルドースとしてグルコースを用い、三フッ化ホウ素・エーテル錯体を用いると、グルコースを前もってトリクロロアセトイミデートに変換せずに、還元末端水酸基を含むすべての水酸基をアセチル化したアルドースに直接反応させることができ、収率よくＯ‐グリコシドを得ることができる。特にグルコースを用いる際は、この方法によると高収率で反応するので好都合である。
臭素化物又はトリクロロアセトイミデートを用いた場合は、β体のＯ‐グリコシドが選択的に得られる。このことは、これらの化合物の^１Ｈ−ＮＭＲスペクトル（重ジメチルスルホキシド中、２５℃）が、δ値で４．４〜４．９ｐｐｍに二重線のシグナル（スピン−スピンカップリング定数７．８〜８．０Ｈｚ）を示すことから確認できる。
【００２１】
このようにして得られた、保護されたアルドース残基を含むＯ‐グリコシド型糖脂質は、最後に保護基を脱離させることが必要である。
この保護基、例えばアセチル基の脱離反応は、保護された糖鎖をもつＯ‐グリコシドをナトリウムメトキシド又はカリウムメトキシドのようなアルカリ金属アルコラートで処理したのち、強酸性カチオン交換樹脂で中和することにより行うことができる。また、トリメチルアミンのようなトリアルキルアミンの水溶液を数倍体積の反応溶媒と混合し、前記の保護された糖鎖をもつＯ‐グリコシドと反応させることによって、より簡単に行うことができる。この際のトリアルキルアミン水溶液の濃度は３０〜５０質量％が好ましい。この際の反応溶媒としては、メチルアルコール、エチルアルコールなどのアルコール系溶媒やジエチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒とアルコール系溶媒との混合溶媒が適当である。この際、反応溶液のｐＨを８．０〜８．５に保持することが、エステル加水分解などの副反応を避ける点で望ましい。反応時間は反応条件により左右されるが、通常は１２〜２４時間が適当である。反応が完了したのち、溶媒を留去すれば、前記一般式（Ｉ）で表わされる長鎖アルキルフェノール残基をアグリコンとするＯ‐グリコシド型糖脂質が白色粉末として得られる。このようにして得られた粗生成物はシリカゲルカラムによる分離精製操作によって高純度のものとすることができる。
【００２２】
このようにして得られるＯ‐グリコシド型糖脂質は、実測の元素分析値が誤差範囲内で計算値と一致する。さらにアセチル基で糖鎖が保護された化合物は、
^１Ｈ−ＮＭＲスペクトル（重クロロホルム中、２５℃）において、δ値が２．０３〜２．０８ｐｐｍにアセチル基のメチル基の水素に帰属できる特徴的なシグナルから容易に同定できる。
【００２３】
一方、アセチル基を除去した化合物は、^１Ｈ−ＮＭＲ（重ジメチルスルホキシド中、２５℃）においては、δ値が０．８８ｐｐｍ（長鎖アルキル基のメチル基の水素）、１．２６ｐｐｍ（長鎖アルキル基のメチレン基の水素）、１．５８ｐｐｍ（長鎖アルキル基のうち、芳香族部分から数えて第２番目のメチレン基の水素）、２．５６ｐｐｍ（芳香族に直接連結したメチレン基の水素）、３．１３−３．６９ｐｐｍ（糖鎖のＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６の炭素に連結した水素）、４．８２ｐｐｍ（糖鎖のＣ１炭素に連結したアノマー水素）、５．３４−５．４２ｐｐｍ（ビニル基に連結した水素）、６．７９、６．８０−６．８９ｐｐｍ、７．１９−７．２０ｐｐｍ（芳香族環に連結した水素）などから生成物を同定確認することができる。
【００２４】
次に、このようにして得られたＯ‐グリコシド型糖脂質を用いて中空繊維状有機ナノチューブを製造するには、先ず、原料のＯ‐グリコシドに対し水を加え、加熱することにより飽和水溶液を調製する。この際、水の量が少なすぎると不溶部分が残るし、また多すぎると飽和濃度に達しなくなるので、加える水の量はＯ‐グリコシドの２０〜１０００質量倍の範囲内で選ばれる。この際の加熱温度はできるだけＯ‐グリコシドの溶解量を多くするために沸騰温度まで上げるのが好ましいが、所望ならばそれよりも低い温度を用いることも可能である。
【００２５】
次に、このようにして調製したＯ‐グリコシドの飽和水溶液を徐冷して、室温下静置して自生的に中空繊維状有機ナノチューブを生成させる。この際の冷却速度が大きいと長繊維を生じにくく、短繊維の集合体になるので、冷却速度としては０．５℃／分以下、特に０．２℃／分以下の範囲で選ぶのが好ましい。水溶液を調製する際の溶媒としては、通常、水が単独で用いられるが、所望ならば水とアルコールとの混合溶媒を用いることができる。この際のアルコールとしては、例えばメチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコールなどの水混和性アルコールが用いられる。
【００２６】
このようにして、徐冷１〜２日経過後、水溶液中から繊維状物質が析出してくる。しかし、このように数日の熟成によって得られた繊維状物質は偏光光学顕微鏡や位相差光学顕微鏡観察によると、そのほとんどが、リボン状繊維がコイル状に長軸方向に巻きあがった形態をしている。中空繊維状のナノチューブ構造を得るためには、繊維状物質を水溶液中に放置したまま、さらに２〜３週間、室温下で静置する必要がある。全てのコイル状繊維形態が完全にチューブ状構造に変化するためには、熟成期間として約１か月、水溶液を静置することが有機ナノチューブの収率を上げるために好ましい。このようにして得た繊維状物質を捕集し、風乾又は真空乾燥することにより、空気中で安定な、内孔径１０〜２０ｎｍ、外径４０〜８０ｎｍ、長さ数十μｍ〜数百μｍのサイズを有する中空繊維状有機ナノチューブが得られる。
得られたチューブ状構造体の形態は、通常の光学顕微鏡を用いて容易に観察することができる。チューブ構造はレーザー顕微鏡、原子間力顕微鏡、電子顕微鏡を用いることにより、より詳細に確認することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明方法により得られる中空繊維状有機ナノチューブは、例えば、ファインケミカル工業分野、医薬、化粧品分野などにおいて薬剤や有用生体分子の包接・分離用材料、ドラッグデリバリ材料として、あるいはナノチューブに導電性物質や金属をコーティングすることによりマイクロ電子部品として電子・情報分野において利用可能である。さらには、ガス吸蔵材料としてエネルギー産業分野に、微小なチューブ構造を利用した人工血管、ナノチューブキャピラリ、ナノリアクターとして医療、分析、化学品製造分野などで有用であり、工業的利用価値が高い。
【００２８】
【実施例】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
なお、薄層クロマトグラフィーのＲｆ値としては、ヘキサン／酢酸エチル（容積比６／４）混合溶媒を展開溶媒としたときの値をＲｆ_１とした。
【００２９】
参考例１
カシューナッツオイルを約４００Ｐａで２回真空蒸留し、２２０℃から２３５℃の沸点をもつ成分を集めてカルダノールを得た。そのカルダノール１．５２ｇ（５ミリモル）を無水塩化メチレン（１０ｍｌ）に溶解させ、２ｇのモレキュラーシーブ４Ａの存在下、β‐Ｄ‐グルコースペンタアセテート３．９ｇ（５ミリモル）と三フッ化ホウ素ジエチルエーテル０．６２ｍｌ（５ミリモル）を加えた。反応混合物は室温で２４時間かきまぜたのち、５％−炭酸水素ナトリウム水溶液中に注ぎ込んだ。有機相を分別し、炭酸水素ナトリウム水溶液、続いて水で洗浄したのち、無水硫酸ナトリウム上で乾燥させた。有機溶媒を減圧下で完全に留去し、得られた粗生成物をエタノールから再結晶させた。得られた生成固体をヘキサン／酢酸エチル（容積比７／３）混合溶媒を溶出液としてカラムクロマトグラフィーを行い、白色固体の１‐（Ｏ‐β‐Ｄ‐グルコピラノシドテトラアセテート）カルダノール２．３６ｇ（収率７５％）を得た。
このものの物理的性質は次のとおりである。
薄層クロマトグラフィーのＲｆ値：Ｒｆ_１＝０．４７
融点：６０℃

【００３０】
次に、４５質量％のトリメチルアミン水溶液を４倍体積のメチルアルコールと混合させ、得られた１‐（Ｏ‐β‐Ｄ‐グルコピラノシドテトラアセテート）カルダノール（１．２６ｇ、２ミリモル）と２４時間反応させた。溶媒を減圧下、留去したのち、得られたシロップ状残査をメチルアルコール／アセトニトリル（体積比１／２）混合溶媒から結晶化させ、さらに同一溶媒から再結晶することにより、目的とする脱アセチル化した１‐（Ｏ‐β‐Ｄ‐グルコピラノシド）カルダノールをほぼ定量的に白色固体０．８８ｇ（収率９５％）として得た。
このものの物理的性質は次のとおりである。
融点：１３５．２℃

【００３１】
実施例１
参考例１において得られた１‐（Ｏ‐β‐Ｄ‐グルコピラノシド）カルダノール１００ｍｇをフラスコに秤取し、これに水５ｍｌを加え、マントルヒータを用いて加熱し、沸騰させ、溶解させた。マントルヒータの加熱温度をゆっくりと調節し、０．２℃／分の冷却速度で室温まで降温させたのち、１か月、室温で静置させた。得られた繊維状材料を含む水溶液を採取し、光学顕微鏡で観察すると長さが数十μｍ〜数百μｍの繊維状構造が確認できた。さらに、透過型電子顕微鏡観察を用いて評価すると、内孔径約１０〜１５ｎｍ、外径約４０〜５０ｎｍを有する、中空繊維状の有機ナノチューブ材料を確認することができた。このようにして得られた有機ナノチューブの光学顕微鏡写真の模写図を図１に、透過型電子顕微鏡写真の模写図を図２に示す。
【００３２】
実施例２
実施例１において沸騰水を用いる代わりに、水・エタノール混合溶媒（１０：１、体積比）を用い、約７０℃に加温すること以外は、実施例１と同様な条件で操作することにより中空繊維状の有機ナノチューブを得た。得られた有機ナノチューブは、透過型電子顕微鏡観察を行うことにより内孔径約１０〜２０ｎｍ、外径約４０〜６０ｎｍ、長さ数十μｍ〜数百μｍの中空繊維状の有機ナノチューブ材料であることが確認できた。
【００３３】
実施例３
実施例１において沸騰水を用いる代わりに、水・アセトン混合溶媒（１０：１、体積比）を用い、約７０℃に加温すること以外は、実施例１と同様な条件で操作することにより中空繊維状の有機ナノチューブを得た。得られた有機ナノチューブは、透過型電子顕微鏡観察を行うことにより内孔径約１０〜２０ｎｍ、外径約４０〜６０ｎｍ、長さ数十μｍ〜数百μｍの中空繊維状の有機ナノチューブ材料であることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で得た有機ナノチューブの光学顕微鏡写真の模写図。
【図２】実施例１で得た有機ナノチューブの透過型電子顕微鏡写真の模写図。

Claims (2)

1. アルドース残基をグリコシル基とし、一般式
   

   

   （式中のＲは炭素数１２〜１８の不飽和直鎖状炭化水素基である）
   で表わされる基をアグリコンとするＯ‐グリコシド型糖脂質からなり、内孔径１０〜２０ｎｍ、外径４０〜８０ｎｍを有する中空繊維状有機ナノチューブ。
2. アルドース残基をグリコシル基とし、一般式
   

   

   （式中のＲは炭素数１２〜１８の不飽和直鎖状炭化水素基である）
   で表わされる基をアグリコンとするＯ‐グリコシド型糖脂質を、高めた温度の水に飽和濃度まで溶解させたのち、この水溶液を徐冷し、室温下静置することにより自生的に分子集合と疑似結晶化を起こさせることを特徴とする内孔径１０〜２０ｎｍ、外径４０〜８０ｎｍを有する中空繊維状有機ナノチューブの製造方法。

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