JP3933979B2 - Surface-modified porous silica and method for producing the same - Google Patents

Description

【０００８】
式（１）中、ａは１〜３の整数、ｂはａ＋ｂ＝３を満たす整数であり、Ｚは炭素数１〜４のアルキル基を表わし、Ｘはカチオン性または非イオン性の親水性官能基または原子団を表わし、Ａは下記の式（２）で表わされるアミノ酸残基またはその修飾体を表わす。
【０００９】
【化７】

【００１０】
式（２）中、Ｒは−ＮＨ−ＣＨ−ＣＯ−とともにアミノ酸残基を構成する官能基または原子団を表わし、ｍは１から１０の整数である。
【００１１】
本発明に従えば、さらに、上記の多孔性シリカを製造する方法であって、（ｉ）下記の式（３）で表わされる界面活性物質、シリカ源、ゾルゲル反応触媒および水を含む反応溶液を調製してゾルゲル反応を行い、生じた固体をろ過した後、乾燥して粉末にする工程、および（ii）加水分解触媒を加えた有機溶媒中に前記粉末を分散させて還流する工程、を含むことを特徴とする方法が提供される。
【００１２】
【化８】

【００１３】
式（３）中、Ｚ₁、Ｚ₂およびＺ₃の少なくとも１つは炭素数１〜４のアルコキシ基またはハロゲン原子を表わし、該アルコキシ基またはハロゲン原子でないＺ₁、Ｚ₂およびＺ₃はそれぞれ独立して炭素数１〜４のアルキル基を表わし、Ｙは脂肪族炭化水素または芳香族炭化水素から成る疎水性の官能基または原子団を表わし、Ａ’は下記の式（４）で表わされるアミノ酸残基またはその修飾体を表わし、Ｘは上記式（１）に関して定義したものと同じである。
【００１４】
【化９】

【００１５】
式（４）中、Ｒは−ＮＨ−ＣＨ−ＣＯ−とともにアミノ酸残基を構成する官能基または原子団を表わし、ｍは１から１０の整数である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に従う多孔性シリカの製造方法は、既述の式（３）で表わされる新規な界面活性物質（界面活性剤）を用いることによって実施される。以下の記述から明らかなように、本発明で用いられるこの界面活性物質は、シリカ形成時の鋳型と成ると同時に、シリカの内表面を修飾するという二つの役割を果たすことになる。
【００１７】
式（３）から理解されるように、本発明において用いられる界面活性物質は、親水部（親水頭部）Ｘと疎水部（疎水尾部）Ｙとの間にアミノ酸関連残基Ａ’が導入され、且つ、その親水部側の末端にアルコキシシリル基またはハロゲン化シリル基が存在するような構造から成る。
【００１８】
すなわち、式（３）中、Ｚ₁、Ｚ₂およびＺ₃の少なくとも１つは炭素数１〜４のアルコキシ基またはハロゲン原子を表わし、該アルコキシ基またはハロゲン原子でないＺ₁、Ｚ₂およびＺ₃はそれぞれ独立して炭素数１〜４のアルキル基を表わしている。また、式（３）において、Ｘは、カチオン性または非イオン（ノニオン）性の親水性官能基または原子団を表わすが、安定な構造体を得る点からはカチオン性の官能基または原子団から成るものが好ましい。図１に、式（３）で表わされる本発明で用いられる界面活性物質の親水部を構成するのに好ましい官能基または原子団の例を示しているが、これらに限定されるものではない。さらに、本発明で用いられる式（３）の界面活性物質において、Ｙは、界面活性物質の構成成分として従来より知られた各種の脂肪族炭化水素基または芳香族炭化水素基から成る疎水部を表わす。図２に、本発明で使用される界面活性物質の疎水部を構成するのに好ましい官能基または原子団の例を示しているが、これらに限定されるものではない。
【００１９】
本発明で用いられる式（３）の界面活性物質においてＡ’で表わされるアミノ酸関連残基とは、式（４）から明らかなようにアミノ酸残基、またはその修飾体である。修飾体とは、生体内でよく見られるようなタンパク質の変化を引き起こすような各種の反応に因りアミノ酸が変化したものであり、例えば、リン酸化、メチル化、アセチル化等に因るものが挙げられる。本発明に従えば、目的とする生体モデルに応じて、（１）式で表わされる界面活性物質に導入されているアミノ酸としてそのような修飾体を用いることもできる。
【００２０】
式（４）において、Ｒは、以上の説明からも既に明らかなように、式（４）に示す−ＮＨ−ＣＨ−ＣＯ−とともにアミノ酸残基を構成する官能基または原子団を表わす。すなわち、Ｒは、例えば、ＣＨ₃（アラニンの場合）、ＣＨ₂Ｐｈ（フェニルアラニンの場合：Ｐｈはフェニル基）、(ＣＨ₃)₂ＣＨ（バリンの場合）、(ＣＨ₃)₂ＣＨＣＨ₂（ロイシンの場合）、ＣＨ₂−ＯＨ（セリンの場合）、ＣＨ₃(ＯＨ)ＣＨ（トレオニンの場合）、ＣＨ₂−ＳＨ（システインの場合）等を表わす。アミノ酸（アミノ酸残基）の数を定めるｍは、原理的には特に制限はないが、得られるシリカの安定性の点から、一般に１〜１０が好ましく、１〜６が特に好ましい。なお、導入されるアミノ酸（アミノ酸残基）は、必ずしも同一のアミノ酸でなく、複数種のアミノ酸であってもよく、式（４）はそのような態様も含むものとして表現している。さらに、導入するアミノ酸は、目的に応じてＬ体またはＤ体のいずれでもよく、Ｌ体およびＤ体を混合して導入してもよい。
【００２１】
いずれの場合においても、式（３）に示されるように、アミノ酸残基またはその修飾体Ａ’のＣ末端は、酸素原子（Ｏ）を介して疎水性の官能基または原子団（Ｙ）に結合、すなわち、エステル結合を介してＹに結合している。このエステル結合は、後述する還流工程により加水分解を受けることになる。
【００２２】
本発明で用いられる如上の界面活性物質は、既知の合成反応を工夫することにより得られる。すなわち、概説すれば、式（３）の界面活性物質は、一般に、次のように合成される。まず、所望のアミノ酸（またはその修飾体）のＣ末端を脂肪族（または芳香族）アルコールとの反応で対応する脂肪族炭化水素（または芳香族炭化水素）基を持つエステルとする（Ｏ−Ｙ部の導入）。次に、このアミノ酸のＮ末端に所望のアミノ酸を定法のペプチド伸張反応によって逐次的にアミノ酸を縮合してゆくこの反応により、所望の長さと組み合わせのペプチド鎖が形成される（Ａ’部の形成）。さらにペプチド鎖のＮ末端を例えばブロモ酢酸ブロミドのような試薬との反応でアミド化しブロモ基を導入する。最後に、ジエトキシメチルシリルプロピルジメチルアミンなどの適当なアミンによる四級化反応を行い、親水部（Ｘ）とシリル部を導入して、式（３）の界面活性物質を合成することができる。ただし、界面活性物質の合成法はこれに限定されるものではなく、組み合わせに応じた手法がとられる。図３には、本発明において用いられる界面活性物質として好ましい例を式（３）の表現形式に沿って示しているが、界面活性物質はこれらに限定されるものではない。
【００２３】
本発明に従い表面修飾された多孔性シリカを製造するには、先ず、如上の式（３）で表わされる界面活性物質、シリカ源、ゾルゲル反応触媒および水を含む反応溶液を調製してゾルゲル反応を行わせる。シリカ源としては、アルコキシド、水溶性珪酸塩、コロイダルシリカなどの種々のものが使用可能であるが、好ましいのは、テトラエトキシシラン（オルト珪酸テトラエチル：ＴＥＯＳ）、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）、メチルトリエトキシシランなどのアルコキシドである。ゾルゲル反応触媒とは、アルコキシド等のシリカ源を加水分解し、重縮合させる反応の触媒であり、塩酸のような酸、水酸化ナトリウムのようなアルカリ、アミン等を使用することができる。
【００２４】
ゾルゲル反応溶液には、必要に応じて混合を円滑にするため有機溶媒を添加してもよい。また、ゾルゲル反応は、軽く加熱した後、冷却してゲル生成を促進するように行ってもよいが、一般的には、２０〜３０℃の常温下に実施することができる。反応時間は、一般に、２〜１０時間程度である。
【００２５】
以上のような工程により、界面活性物質（界面活性剤）を鋳型として、その周囲（表面）でゾルゲル反応が進行してシリカが生成するとともに、界面活性物質がシリカの表面と反応し共有結合を作る。つまり、界面活性物質は鋳型を形成すると同時にシリカ内面を修飾するという二つの役割を同時に果たしていることになる。この界面活性物質はミセルを形成しているので、シリカ骨格自体に侵入していくことはなく表面にのみ結合するので、シリカの内部骨格は壊さない。また、シリカ内面からの修飾であるので、多孔性シリカ内表面を事実上100％覆い尽くすことができる。かくして、下記の一般式（５）で表わされる修飾基によりシリカの細孔内表面が共有結合を介して修飾されている多孔性シリカが得られる。
【００２６】
【化１０】

【００２７】
式（５）中、ａ、ｂ、ＺおよびＸは既述の式（１）に関して定義したものと同じであり、Ａ’およびＹは既述の式（３）に関して定義したものと同じである。図４には、図３の（１）に属する界面活性物質を用いた場合を例に、シリカ骨格の細孔内表面に界面活性物質が共有結合を介して固定されている構造が模式的に示されている（図４のII）。
【００２８】
ゾルゲル反応により得られる多孔性シリカ（メソポーラスシリカ）の構造は、使用する界面活性物質、シリカ源およびゾルゲル反応触媒の種類を含む反応条件の相違によって異なる。本発明に従えば、界面活性物質として式（３）のＸが第４級アンモニウムイオンを含むカチオン性官能基または原子団であり、Ｙが炭素数１２〜１８のアルキル鎖であるものを用い、シリカ源としてアルコキシドを用い、ゾルゲル反応触媒として水酸化ナトリウムのようなアルカリを用いるゾルゲル反応により、安定なキュービック相の多孔性シリカ（図５参照）が得られることが見出される。一方、同様の界面活性物質およびシリカ源を用いても、ゾルゲル反応触媒として塩酸のような酸を用いると、ヘキサゴナル相の多孔性シリカ（シリンダー状態の細胞が蜂の巣に配列したシリカ）が形成される。また、触媒によらず界面活性剤とシリカ源の量比を変えることによって、キュービック相とヘキサゴナル相を作り分けることもできる。ゾルゲル反応により生成されるこのような多孔性シリカの構造は、後述する還流工程の後も安定に保持されている（実施例参照）。
【００２９】
本発明に従い表面修飾された多孔性シリカを製造するには、如上のゾルゲル反応によって得られた粉末を、次の工程として、加水分解触媒を加えた有機溶媒中に分散させて還流する。この工程により、式（３）で表わされる界面活性物質においてＡ’のＣ末端とＹとを結合しているエステル結合が加水分解され、Ｙ（疎水部を構成している脂肪族炭化水素または芳香族炭化水素）が選択的に除去されて、シリカ内の細孔が拡大される。
【００３０】
かくして、本発明に従えば、既述の式（１）で表わされる修飾基によりシリカの細孔内表面が共有結合を介して修飾されている多孔性シリカが得られる。式（１）のＡ（アミノ酸残基）のＣ末端は、式（２）に示されるように、加水分解によりカルボキシル基となっている。図４には、図３の（１）に属する界面活性物質を用いた場合を例に、シリカ骨格の細孔内表面に、加水分解により疎水部（長鎖アルキル鎖）が選択除去された界面活性物質が共有結合を介して固定されている構造が模式的に示されている（図４のIII）。
【００３１】
本発明に従い界面活性物質の疎水部を選択除去するための還流工程に用いられる加水分解触媒としては、有機化合物の加水分解の触媒作用をする酸、塩基または酵素が使用できるが、好ましいのは塩酸である。また、還流工程において用いられる有機溶媒は、加水分解触媒を溶解し、且つ、加水分解後に生じる脂肪族炭化水素または芳香族炭化水素（式（３）のＹに由来する）に対する溶解性も良好なものが好ましい。この点から好適な有機溶媒としてＴＨＦ（テトラヒドロフラン）が挙げられる。この還流工程に要する時間は、一般に、６〜１２時間程度である。還流終了後は、常法に従い、得られた固体をろ取し、乾燥することにより白色粉末として生成物を得ることができる。
【００３２】
以上のようにして本発明に従えば、ナノメートルのオーダーから数十ナノメートルのオーダー（一般に１〜５０ｎｍ）の直径の細孔を有する多孔性シリカ（メソポーラスシリカ）の細孔内表面の全体にわたって、式（１）で一般的に表わされ、また、図４の（III）に具体的に例示されるように、外側にアミノ酸またはペプチド構造を有する修飾基が共有結合を介して強固に固定されたシリカ構造体が得られる。特に、本発明によれば、図５に示されるような、従来のシリカ構造体では珍しいキュービック相から成る表面修飾された多孔性シリカを得ることもできる。このような構造や特性は、Ｘ線回折分析（ＸＲＤ）、赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）、電子顕微鏡、ＮＭＲなどの手段を用いて解析することにより確認することができる（後述の実施例参照）。
【００３３】
かくして、既述の式（１）であらわされる修飾基により細孔内表面が修飾された多孔性シリカ（メソポーラスシリカ）は、該修飾基を構成している特定のアミノ酸またはペプチドと特異的に反応する物質を細孔内に取り込み吸着させることにより、それらの物質を検出するセンサー、またはそれらの物質を分離する分離剤等としての用途が期待される。
【００３４】
さらに、本発明は、以上のような還流による加水分解後の最終生成物としての多孔性シリカのみならず、加水分解により疎水部を除去する前の中間体としても有用な多孔性シリカを提供するものである。すなわち、既述の式（５）で表わされる修飾基によりシリカの細孔内表面が共有結合を介して修飾されている多孔性シリカ（メソポーラスシリカ）も、従来の界面活性物質（界面活性剤）を鋳型とするメソポーラスシリカとは異なる有用な特性を示す。従来得られているメソポーラスシリカでは、鋳型となっている界面活性剤はシリカ骨格に静電的な相互作用で、固定化されているだけであるので、この界面活性剤／シリカのハイブリッドは、安定性の高いものではない。例えば、薄い酸を含むエタノールなどで洗浄すると界面活性剤は除去される。一方、本発明により得られるメソポーラスシリカでは、界面活性剤がシリカ壁に共有結合を介して固定化されるため、このような処理では界面活性剤成分は全く除かれない。つまり、本発明に従い中間体として得られるメソポーラスシリカと界面活性剤のハイブリッドは、極めて安定に界面活性剤の集合構造を保持したものである。界面活性剤の作る集合構造は、疎水的な生体関連物質を吸着させるのに適当な場であり、このような構造を極めて安定に保持したメソポーラスシリカは、疎水性の生体関連物質や毒物などを選択的に認識、あるいは、除去し得る材料となり得る。
【００３５】
【実施例】
以下に、本発明の特徴をさらに具体的に明らかにするため実施例を示すが、本発明はこれらの実施例によって制限されるものではない。
なお、本明細書および図面中の化学構造式においては、慣用的な表現法に従い、炭素原子や水素原子を省略して示していることもある。
実施例１：キュービック相メソポーラスシリカの製造
界面活性物質（界面活性剤）として図３の（１）においてｍ＝１、Ｒ＝ＣＨ₃、ｎ＝１６に相当する界面活性剤を用いた。
界面活性剤、水、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）、0.5Ｎ ＮａＯＨを重量比（0.041／1.0／0.076／0.27ｇ）すなわち、モル比（界面活性剤／水／ＴＭＯＳ／ＮａＯＨ＝0.12／141／1／0.27）で混合し、室温下で約4時間ゾルゲル反応させ、生じた固体をろ過によって分離した。このゾルゲル反応の後にろ過によって得られた固体のＸＲＤパターンを図６（ａ）に示すが、典型的なキュービック相のパターンを示している。また、この固体のＦＴ−ＩＲデータを図７（ａ）に示すが、界面活性剤に由来するピークが、2925ｃｍ^-1（ν_as(CH₂)、アルキル鎖）、1742ｃｍ^-1（ν(ＣＯ)、エステル）、1685ｃｍ^-1（ν(ＣＯ)、アミド）に見られる。したがって、この固体は、界面活性剤がシリカ骨格に共有結合で固定化されたメソポーラスシリカと界面活性剤のハイブリッドである（図４のII）ことが確認された。
【００３６】
次に、上記のゾルゲル反応後の固体（粉末）をＴＨＦ（20ｍｌ）中に分散させ、濃塩酸0.5ｇを加えて8時間還流させ加水分解に供した。得られた固体をろ取し乾燥して白色粉末とした。この加水分解後の固体（白色粉末）のＸＲＤパターンを図６（ｂ）に示すが、キュービック相のパターンは保持されていることが理解される。また、この固体のＦＴ−ＩＲデータを図７（ｂ）に示すが、アルキル鎖に由来する2925ν_as(CH₂)）付近のピークが消失しているが、1681ｃｍ^-1（ν(ＣＯ)）にアミド結合に由来するピークは保持されている。このことは、加水分解操作によってアルキル鎖部分のみが除去されていることを意味している。また、1742ｃｍ^-1のピークが1734ｃｍ^-1にシフトしたことも、加水分解によりエステル部がカルボン酸に変換されたことを意味している。なお、窒素吸着法によると、如上の加水分解後の固体生成物は、約1.0 〜 2.0ｎｍの細孔を有していることが示された。このように、還流による加水分解工程で、界面活性剤のエステル部分が選択的に加水分解し、アルキル鎖がシリカ骨格外に洗い流され、その結果、メソポーラスシリカ表面には、共有結合で固定化されたアミノ酸残基が残り、内表面がアミノ酸残基で密に修飾されたメソポーラスシリカが得られることが確認された。
なお、シリカ骨格自体の安定性を検討するために、この固体を500℃で６時間焼成した。それらの結果を図６（ｃ）と図７（ｃ）に示した。焼成操作によって、界面活性剤の有機成分は除かれたが、キュービック相のＸＲＤパターンは保持されていた。したがって、得られたシリカの骨格自体も充分な強度を持つものであることが確認できた。
【００３７】
実施例２：ヘキサゴナル相メソポーラスシリカの製造
基本的な操作は、実施例１のキュービック相のメソポーラスシリカを作製する場合と同様であるが、ゾルゲル反応の条件を変えることにより、ヘキサゴナル相メソポーラスシリカとそれを修飾したものを得ることができた。まず、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、水、エタノール、ＨＣｌをモル比（1／4／3／0.01）で混合し、70℃で2時間反応させることにより、ゾル液を得た。このゾル液と、界面活性剤、水、濃塩酸を重量比（0.20／0.042／0.82／0.43ｇ）すなわち、最終的なモル比（界面活性剤／水／ＴＭＯＳ／ＨＣｌ／エタノール＝1／0.13／127／9／3）で混合し、室温下で約4時間ゾルゲル反応させ、界面活性剤がシリカ骨格に共有結合で固定化されたメソポーラスシリカと界面活性剤のハイブリッドを得た。還流条件下の加水分解によるアルキル鎖（疎水部）の除去は、実施例１に示したキュービック相の場合と同様にして行った。ＸＲＤパターン（図８）とＦＴ−ＩＲデータ（図９）から、キュービック相と同様なメソポーラスシリカの修飾がなされていることが確かめられた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いられる界面活性物質の親水部を構成するのに好ましい官能基または原子団の例の化学構造式を示す。
【図２】本発明で使用される界面活性物質の疎水部を構成するのに好ましい官能基または原子団の例の化学構造式を示す。
【図３】本発明で使用される界面活性物質として好適な例の化学構造式を示す。
【図４】本発明に従い、表面修飾された多孔性シリカ（メソポーラスシリカ）を作製する過程を界面活性物質の１例に沿って模式的に示す。
【図５】本発明によって得られるキュービック相の多孔性シリカの構造を模式的に示す。
【図６】本発明に従い表面修飾されたキュービック相の多孔性シリカを作製する各過程において測定したＸ線回折パターンを示す。
【図７】本発明に従い表面修飾されたキュービック相の多孔性シリカを作製する各過程において測定したＦＴ−ＩＲスペクトルを示す。
【図８】本発明に従い表面修飾されたヘキサゴナル相の多孔性シリカを作製する各過程において測定したＸ線回折パターンを示す。
【図９】本発明に従い表面修飾されたヘキサゴナル相の多孔性シリカを作製する各過程において測定したＦＴ−ＩＲスペクトルを示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to porous silica, and more particularly to a new technique for producing surface-modified porous silica.
[0002]
[Prior art]
A silica is synthesized by performing a sol-gel reaction using an appropriate silica source as a raw material around the surface (surface) of the aggregate structure (for example, rod-like micelles) of a surfactant (surfactant) as a template, and then removing the template. It is known that porous silica having so-called nanometer-sized diameters regularly arranged, that is, so-called mesoporous silica can be produced. The structure of such porous silica forms a highly anisotropic field with controlled directionality, so nanoscience and nanotechnology as a new environment for carrying out specific physical phenomena and chemical reactions It attracts attention from these fields and is expected to have various uses in academic and practical aspects. In particular, in recent years, instead of using porous silica as it is, attempts to dramatically improve the functionality of porous silica by immobilizing functional groups such as catalysts on the inner surface of the pores have become active. Has been made. Conventionally, the following methods are known as methods for modifying the inner surface of porous silica with functional functional groups, but there are many problems.
[0003]
a) Method for immobilizing the desired functional groups in the same manner during silica synthesis:
For the synthesis of porous silica, a tetrafunctional compound such as Si (OEt) ₄ (abbreviation TEOS) or Si (OMe) ₄ (abbreviation TMOS) is used as a silica source. A method of introducing a functional group R by mixing a silica compound (RSi (OEt) ₃ ) containing is performed. In this case, the functional groups are dispersed throughout the silica, and increasing the RSi (OEt) ₃ content weakens the silica skeleton. This method has a drawback that only about 20 to 30% of functional groups can be introduced.
[0004]
b) Method of modifying the surface after producing porous silica After producing porous silica, there is a method of modifying only the surface by adding a reagent from the outside. However, in this case, it is known that only the vicinity of the entrance of the pore structure can be modified, and the modification becomes heterogeneous.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a new technique capable of uniformly modifying the pore inner surface of porous silica with high density.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has achieved the above object by designing and utilizing a new type of surface active material that becomes a template for the synthesis of silica.
Thus, the present invention provides a porous silica characterized in that the pore inner surface of the silica is modified through a covalent bond with the modifying group represented by the following general formula (1).
[0007]
[Chemical 6]

[0008]
In the formula (1), a represents an integer of 1 to 3, b represents an integer satisfying a + b = 3, Z represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and X represents a cationic or nonionic hydrophilic functional group. Represents a group or an atomic group, and A represents an amino acid residue represented by the following formula (2) or a modified form thereof.
[0009]
[Chemical 7]

[0010]
In formula (2), R represents a functional group or an atomic group constituting an amino acid residue together with —NH—CH—CO—, and m is an integer of 1 to 10.
[0011]
According to the present invention, there is further provided a method for producing the above porous silica, comprising: (i) a reaction solution containing a surfactant represented by the following formula (3), a silica source, a sol-gel reaction catalyst, and water. Preparing and performing a sol-gel reaction, filtering the resulting solid and then drying to powder, and (ii) dispersing and refluxing the powder in an organic solvent to which a hydrolysis catalyst has been added. A method characterized by this is provided.
[0012]
[Chemical 8]

[0013]
In the formula (3), at least one of Z ₁ , Z ₂ and Z ₃ represents an alkoxy group having 1 to 4 carbon atoms or a halogen atom, and Z ₁ , Z ₂ and Z _{3 which} are not the alkoxy group or halogen atom are each Independently represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, Y represents a hydrophobic functional group or atomic group composed of an aliphatic hydrocarbon or an aromatic hydrocarbon, and A ′ is represented by the following formula (4): Represents an amino acid residue or a modified form thereof, and X is the same as defined in relation to the above formula (1).
[0014]
[Chemical 9]

[0015]
In formula (4), R represents a functional group or an atomic group constituting an amino acid residue together with —NH—CH—CO—, and m is an integer of 1 to 10.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The method for producing porous silica according to the present invention is carried out by using a novel surfactant (surfactant) represented by the aforementioned formula (3). As will be apparent from the following description, the surfactant used in the present invention serves as a template for forming silica, and at the same time, serves to modify the inner surface of silica.
[0017]
As understood from the formula (3), the surfactant used in the present invention has an amino acid-related residue A ′ introduced between the hydrophilic part (hydrophilic head) X and the hydrophobic part (hydrophobic tail) Y. And a structure in which an alkoxysilyl group or a halogenated silyl group is present at the end of the hydrophilic portion.
[0018]
That is, in the formula (3), at least one of Z ₁ , Z ₂ and Z ₃ represents an alkoxy group having 1 to 4 carbon atoms or a halogen atom, and Z ₁ , Z ₂ and Z ₃ which are not the alkoxy group or halogen atom. Each independently represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. In the formula (3), X represents a cationic or nonionic hydrophilic functional group or atomic group. From the viewpoint of obtaining a stable structure, X represents a cationic functional group or atomic group. Is preferred. Although the example of a preferable functional group or atomic group for comprising the hydrophilic part of the surface active substance used by this invention represented by Formula (3) by FIG. 1 is shown, it is not limited to these. Furthermore, in the surfactant of the formula (3) used in the present invention, Y represents a hydrophobic part composed of various aliphatic hydrocarbon groups or aromatic hydrocarbon groups conventionally known as constituents of the surfactant. Represent. FIG. 2 shows examples of functional groups or atomic groups that are preferable for constituting the hydrophobic portion of the surfactant used in the present invention, but the invention is not limited thereto.
[0019]
In the surfactant of the formula (3) used in the present invention, the amino acid-related residue represented by A ′ is an amino acid residue or a modified form thereof as is clear from the formula (4). Modified forms are those in which amino acids have changed due to various reactions that cause protein changes that are often seen in vivo, such as those due to phosphorylation, methylation, acetylation, etc. It is done. According to the present invention, such a modified substance can be used as an amino acid introduced into the surfactant represented by the formula (1) according to the target biological model.
[0020]
In the formula (4), R represents a functional group or an atomic group constituting an amino acid residue together with —NH—CH—CO— shown in the formula (4), as is apparent from the above description. That is, R is, for example, CH ₃ (in the case of alanine), CH ₂ Ph (in the case of phenylalanine: Ph is a phenyl group), (CH ₃ ) ₂ CH (in the case of valine), (CH ₃ ) ₂ CHCH ₂ (leucine) ), CH ₂ —OH (in the case of serine), CH ₃ (OH) CH (in the case of threonine), CH ₂ —SH (in the case of cysteine) and the like. M which determines the number of amino acids (amino acid residues) is not particularly limited in principle, but is generally preferably 1 to 10 and particularly preferably 1 to 6 from the viewpoint of the stability of the silica obtained. The introduced amino acid (amino acid residue) is not necessarily the same amino acid but may be a plurality of types of amino acids, and Formula (4) is expressed as including such an embodiment. Furthermore, the amino acid to be introduced may be either L-form or D-form depending on the purpose, and may be introduced by mixing L-form and D-form.
[0021]
In any case, as shown in the formula (3), the C-terminus of the amino acid residue or its modified A ′ is bound to the hydrophobic functional group or atomic group (Y) through the oxygen atom (O). It is bonded to Y through a bond, that is, an ester bond. This ester bond is subject to hydrolysis by a reflux process described later.
[0022]
The above surface-active substance used in the present invention can be obtained by devising a known synthetic reaction. That is, generally speaking, the surfactant of formula (3) is generally synthesized as follows. First, an ester having a corresponding aliphatic hydrocarbon (or aromatic hydrocarbon) group is obtained by reacting the C-terminus of a desired amino acid (or a modified product thereof) with an aliphatic (or aromatic) alcohol (O—Y Part introduction). Next, a peptide chain having a desired length and combination is formed by this reaction in which a desired amino acid is sequentially condensed to the N-terminus of this amino acid by a conventional peptide extension reaction (formation of A ′ portion). ). Furthermore, the N-terminus of the peptide chain is amidated by reaction with a reagent such as bromoacetic acid bromide to introduce a bromo group. Finally, a quaternization reaction with a suitable amine such as diethoxymethylsilylpropyldimethylamine can be performed to introduce a hydrophilic part (X) and a silyl part to synthesize a surfactant of formula (3). . However, the method for synthesizing the surface-active substance is not limited to this, and a method corresponding to the combination is taken. FIG. 3 shows a preferable example of the surfactant used in the present invention along the expression form of the formula (3), but the surfactant is not limited to these.
[0023]
In order to produce a surface-modified porous silica according to the present invention, first, a reaction solution containing the surfactant represented by the above formula (3), a silica source, a sol-gel reaction catalyst and water is prepared to carry out a sol-gel reaction. Let it be done. As the silica source, various materials such as alkoxide, water-soluble silicate, colloidal silica, and the like can be used, but tetraethoxysilane (tetraethylorthosilicate: TEOS), tetramethoxysilane (TMOS), methyltrimethyl is preferable. Alkoxides such as ethoxysilane. The sol-gel reaction catalyst is a catalyst for a reaction in which a silica source such as alkoxide is hydrolyzed and polycondensed, and an acid such as hydrochloric acid, an alkali such as sodium hydroxide, an amine, or the like can be used.
[0024]
An organic solvent may be added to the sol-gel reaction solution as necessary to facilitate mixing. In addition, the sol-gel reaction may be performed by heating lightly and then cooling to promote gel formation. However, in general, the sol-gel reaction can be performed at a room temperature of 20 to 30 ° C. The reaction time is generally about 2 to 10 hours.
[0025]
Through the above steps, a surface active substance (surfactant) is used as a template and a sol-gel reaction proceeds around the surface (surface) to produce silica, and the surface active substance reacts with the silica surface to form a covalent bond. create. In other words, the surface active substance plays two roles of forming the template and modifying the silica inner surface at the same time. Since this surface-active substance forms micelles, it does not penetrate into the silica skeleton itself and bonds only to the surface, so the internal skeleton of silica is not broken. Further, since the modification is from the inner surface of the silica, the inner surface of the porous silica can be substantially covered 100%. Thus, porous silica is obtained in which the pore inner surface of the silica is modified through a covalent bond with the modifying group represented by the following general formula (5).
[0026]
[Chemical Formula 10]

[0027]
In the formula (5), a, b, Z and X are the same as those defined for the above-described formula (1), and A ′ and Y are the same as those defined for the above-described formula (3). . FIG. 4 schematically shows a structure in which the surface active substance is fixed to the inner surface of the pores of the silica skeleton through a covalent bond, using the case where the surface active substance belonging to (1) in FIG. 3 is used as an example. It is shown (II in FIG. 4).
[0028]
The structure of the porous silica (mesoporous silica) obtained by the sol-gel reaction differs depending on the reaction conditions including the surfactant used, the silica source, and the type of the sol-gel reaction catalyst. According to the present invention, as the surface active substance, X is a cationic functional group or atomic group containing a quaternary ammonium ion, and Y is an alkyl chain having 12 to 18 carbon atoms. It is found that a sol-gel reaction using an alkoxide as the silica source and an alkali such as sodium hydroxide as the sol-gel reaction catalyst provides a stable cubic phase porous silica (see FIG. 5). On the other hand, even when the same surfactant and silica source are used, porous silica (silica in which cells in a cylinder state are arranged in a honeycomb) is formed when an acid such as hydrochloric acid is used as a sol-gel reaction catalyst. . In addition, the cubic phase and the hexagonal phase can be formed separately by changing the quantity ratio of the surfactant and the silica source regardless of the catalyst. The structure of such porous silica produced by the sol-gel reaction is stably maintained even after the reflux step described later (see Examples).
[0029]
In order to produce the surface-modified porous silica according to the present invention, the powder obtained by the sol-gel reaction as described above is dispersed in an organic solvent to which a hydrolysis catalyst has been added and refluxed. By this step, the ester bond that bonds the C-terminal of A ′ and Y in the surfactant represented by the formula (3) is hydrolyzed, and Y (aliphatic hydrocarbon or aromatic composing the hydrophobic part). Group hydrocarbons) are selectively removed to enlarge the pores in the silica.
[0030]
Thus, according to the present invention, porous silica in which the pore inner surface of silica is modified through a covalent bond with the modifying group represented by the above-described formula (1) can be obtained. The C terminal of A (amino acid residue) in formula (1) is converted to a carboxyl group by hydrolysis as shown in formula (2). FIG. 4 shows an example in which a hydrophobic substance (long-chain alkyl chain) is selectively removed by hydrolysis on the inner surface of the pores of the silica skeleton, using the surfactant belonging to (1) of FIG. 3 as an example. The structure in which the active substance is immobilized via a covalent bond is schematically shown (III in FIG. 4).
[0031]
As the hydrolysis catalyst used in the refluxing step for selectively removing the hydrophobic portion of the surfactant according to the present invention, an acid, base or enzyme that catalyzes the hydrolysis of an organic compound can be used, but hydrochloric acid is preferred. It is. In addition, the organic solvent used in the refluxing step dissolves the hydrolysis catalyst, and also has good solubility in aliphatic hydrocarbons or aromatic hydrocarbons (derived from Y in formula (3)) generated after hydrolysis. Those are preferred. From this point, THF (tetrahydrofuran) is mentioned as a suitable organic solvent. The time required for this refluxing process is generally about 6 to 12 hours. After completion of the reflux, the obtained solid can be collected by filtration and dried according to a conventional method to obtain the product as a white powder.
[0032]
As described above, according to the present invention, the entire inner surface of the pores of porous silica (mesoporous silica) having pores having a diameter of nanometer order to several tens nanometer order (generally 1 to 50 nm) is obtained. As generally represented by the formula (1) and specifically exemplified in FIG. 4 (III), a modifying group having an amino acid or peptide structure on the outside is firmly fixed via a covalent bond. A silica structure is obtained. In particular, according to the present invention, it is possible to obtain a surface-modified porous silica having a cubic phase, which is rare in the conventional silica structure, as shown in FIG. Such structure and characteristics can be confirmed by analyzing using means such as X-ray diffraction analysis (XRD), infrared spectroscopy (FT-IR), electron microscope, NMR (examples described later). reference).
[0033]
Thus, the porous silica (mesoporous silica) whose surface in the pores is modified by the modifying group represented by the above-described formula (1) specifically reacts with a specific amino acid or peptide constituting the modifying group. It is expected to be used as a sensor for detecting these substances by separating them into the pores and adsorbing them, or as a separating agent for separating these substances.
[0034]
Furthermore, the present invention provides not only porous silica as a final product after hydrolysis by reflux as described above, but also porous silica useful as an intermediate before removing the hydrophobic portion by hydrolysis. Is. That is, porous silica (mesoporous silica) in which the surface of the pores of silica is modified through a covalent bond with the modifying group represented by the above-described formula (5) is also a conventional surfactant (surfactant). It exhibits useful properties different from those of mesoporous silica using as a template. In the conventionally obtained mesoporous silica, the surfactant used as a template is only immobilized on the silica skeleton by electrostatic interaction, so this surfactant / silica hybrid is stable. It is not a high quality thing. For example, the surfactant is removed by washing with ethanol containing a thin acid. On the other hand, in the mesoporous silica obtained by the present invention, the surfactant is immobilized on the silica wall via a covalent bond, and thus the surfactant component is not removed at all by such treatment. In other words, the mesoporous silica / surfactant hybrid obtained as an intermediate according to the present invention retains the surfactant aggregate structure very stably. The aggregate structure created by the surfactant is a suitable place for adsorbing hydrophobic biological substances, and mesoporous silica that maintains such a structure in a very stable manner can absorb hydrophobic biological substances and poisons. It can be a material that can be selectively recognized or removed.
[0035]
【Example】
Examples are given below to clarify the features of the present invention more specifically, but the present invention is not limited to these examples.
In the chemical structural formulas in the present specification and drawings, carbon atoms and hydrogen atoms may be omitted in accordance with conventional expressions.
Example 1: use the surfactant corresponding to _{m = 1, R = CH 3} , n = 16 in the cubic phase mesoporous silica manufacturing <br/> surfactant in FIG. 3 as (surfactant) (1) It was.
Surfactant, water, tetramethoxysilane (TMOS), 0.5N NaOH in weight ratio (0.041 / 1.0 / 0.076 / 0.27 g), that is, molar ratio (surfactant / water / TMOS / NaOH = 0.12 / 141/1 / 0.27), sol-gel reaction was performed at room temperature for about 4 hours, and the resulting solid was separated by filtration. The XRD pattern of the solid obtained by filtration after this sol-gel reaction is shown in FIG. 6 (a), which shows a typical cubic phase pattern. Further, FT-IR data of this solid is shown in FIG. 7 (a), and peaks derived from the surfactant are 2925 cm ⁻¹ (ν _as (CH ₂ ), alkyl chain), 1742 cm ⁻¹ (ν (CO ), Ester), 1685 cm ⁻¹ (ν (CO), amide). Therefore, it was confirmed that this solid was a hybrid of mesoporous silica and surfactant in which the surfactant was covalently fixed to the silica skeleton (II in FIG. 4).
[0036]
Next, the solid (powder) after the sol-gel reaction was dispersed in THF (20 ml), 0.5 g of concentrated hydrochloric acid was added, and the mixture was refluxed for 8 hours for hydrolysis. The obtained solid was collected by filtration and dried to give a white powder. The XRD pattern of the solid (white powder) after the hydrolysis is shown in FIG. 6B, and it is understood that the pattern of the cubic phase is retained. Further, FT-IR data of this solid is shown in FIG. 7 (b). The peak near 2925ν _as (CH ₂ )) derived from the alkyl chain disappears, but 1681 cm ⁻¹ (ν (CO)) The peak derived from the amide bond is retained. This means that only the alkyl chain portion has been removed by the hydrolysis operation. Also, the peak of 1742 cm ^-1 is shifted to 1734 cm ^-1, ester portion has means that has been converted to a carboxylic acid by hydrolysis. In addition, according to the nitrogen adsorption method, it was shown that the solid product after the above hydrolysis has pores of about 1.0 to 2.0 nm. Thus, in the hydrolysis step by reflux, the ester portion of the surfactant is selectively hydrolyzed, and the alkyl chain is washed out of the silica skeleton, and as a result, the mesoporous silica surface is immobilized by a covalent bond. As a result, it was confirmed that mesoporous silica in which the inner surface remained and the inner surface was closely modified with the amino acid residue was obtained.
In order to examine the stability of the silica skeleton itself, this solid was calcined at 500 ° C. for 6 hours. The results are shown in FIGS. 6 (c) and 7 (c). The organic component of the surfactant was removed by the baking operation, but the XRD pattern of the cubic phase was retained. Therefore, it was confirmed that the obtained silica skeleton itself has sufficient strength.
[0037]
Example 2: Production of hexagonal phase mesoporous silica The basic operation is the same as that for producing cubic mesoporous silica of Example 1, but the hexagonal phase is changed by changing the conditions of the sol-gel reaction. Mesoporous silica and modified ones could be obtained. First, tetraethoxysilane (TEOS), water, ethanol, and HCl were mixed at a molar ratio (1/4/3 / 0.01) and reacted at 70 ° C. for 2 hours to obtain a sol solution. This sol solution, surfactant, water, and concentrated hydrochloric acid are in a weight ratio (0.20 / 0.042 / 0.82 / 0.43 g), that is, a final molar ratio (surfactant / water / TMOS / HCl / ethanol = 1 / 0.13 / 127/9/3), and a sol-gel reaction was carried out at room temperature for about 4 hours to obtain a hybrid of mesoporous silica and surfactant in which the surfactant was covalently fixed to the silica skeleton. Removal of the alkyl chain (hydrophobic part) by hydrolysis under reflux conditions was carried out in the same manner as in the cubic phase shown in Example 1. From the XRD pattern (FIG. 8) and FT-IR data (FIG. 9), it was confirmed that the mesoporous silica was modified similarly to the cubic phase.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a chemical structural formula of an example of a functional group or an atomic group preferable for constituting a hydrophilic portion of a surfactant used in the present invention.
FIG. 2 shows a chemical structural formula of an example of a functional group or atomic group preferable for constituting the hydrophobic portion of the surfactant used in the present invention.
FIG. 3 shows a chemical structural formula of an example suitable as a surfactant used in the present invention.
FIG. 4 schematically shows a process of producing a surface-modified porous silica (mesoporous silica) according to the present invention along one example of a surfactant.
FIG. 5 schematically shows the structure of cubic silica in the cubic phase obtained by the present invention.
FIG. 6 shows an X-ray diffraction pattern measured in each process for producing a cubic silica having a surface modification according to the present invention.
FIG. 7 shows FT-IR spectra measured in each process for producing cubic silica having a surface modification according to the present invention.
FIG. 8 shows X-ray diffraction patterns measured in each process of producing surface-modified hexagonal-phase porous silica according to the present invention.
FIG. 9 shows FT-IR spectra measured in each process for producing surface-modified hexagonal-phase porous silica according to the present invention.

Claims (7)

A porous silica, wherein the pore inner surface of silica is modified through a covalent bond with a modifying group represented by the following general formula (1).

[In Formula (1), a is an integer of 1 to 3, b is an integer satisfying a + b = 3, Z represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and X is a cationic or nonionic hydrophilic property. A functional group or an atomic group is represented, and A represents an amino acid residue represented by the following formula (2) or a modified form thereof. ]

[In Formula (2), R represents the functional group or atomic group which comprises an amino acid residue with -NH-CH-CO-, and m is an integer of 1-10. ] The porous silica according to claim 1, wherein the porous silica exhibits a cubic phase. The porous silica according to claim 1 or 2, wherein X is a cationic functional group or an atomic group containing a quaternary ammonium ion. A method for producing porous silica according to claim 1, wherein (i) a reaction solution containing a surfactant represented by the following formula (3), a silica source, a sol-gel reaction catalyst and water is prepared to carry out the sol-gel reaction. And a step of filtering the resulting solid and drying to powder, and (ii) dispersing and refluxing the powder in an organic solvent to which a hydrolysis catalyst has been added. .

[In the formula (3), at least one of Z ₁ , Z ₂ and Z ₃ represents an alkoxy group having 1 to 4 carbon atoms or a halogen atom, and Z ₁ , Z ₂ and Z _{3 which} are not the alkoxy group or halogen atom are Each independently represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, Y represents a hydrophobic functional group or atomic group composed of an aliphatic hydrocarbon or an aromatic hydrocarbon, and A ′ is represented by the following formula (4): Wherein X is the same as defined for formula (1) above. ]

[In Formula (4), R represents the functional group or atomic group which comprises an amino acid residue with -NH-CH-CO-, and m is an integer of 1-10. ] In step (i), a surface active substance having a formula (3) in which X is a cationic functional group or atomic group containing a quaternary ammonium ion and Y is an alkyl chain having 12 to 18 carbon atoms is used. The method for producing porous silica according to claim 4, wherein alkoxide is used as a source, and sodium hydroxide or hydrochloric acid is used as a sol-gel reaction catalyst. 6. The method for producing porous silica according to claim 4, wherein hydrochloric acid is used as a hydrolysis catalyst in the step (ii) and tetrahydrofuran is used as an organic solvent. A porous silica, wherein the pore inner surface of silica is modified through a covalent bond with a modifying group represented by the following general formula (5).

[In the formula (5), a, b, Z and X are the same as those defined for the above formula (1), and A ′ and Y are the same as those defined for the above formula (3). ]

Images