JP4297697B2

JP4297697B2 - 有機ナノチューブの製法

Info

Publication number: JP4297697B2
Application number: JP2003047169A
Authority: JP
Inventors: 宏治由井; 大祐澤田; 昌子神谷; 嗣郎澤田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: JP2004256414A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、脂質分子の自己集合による有機ナノチューブの製法に関し、より詳細には、油／水界面を反応場として用いた脂質分子の自己集合による有機ナノチューブの製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１９８４年以来、合成化学的に有機ナノチューブの構造が報告されている（非特許文献１）。発明者らの研究室では、有機物分子が水中（或は溶媒中）で自己集合（self-assembly）して形成した有機ナノチューブについて研究が行われており、このような有機ナノチューブは簡単に大量合成ができ、しかも、生体由来のものが多いので、新規材料として期待が寄せられている（特許文献１及び２、特願２００２−３５０３５、特願２００２−４９２３８、特願２００２−４９２３９、特願２００２−６１７９７、特願２００３−１３２６６）。
【０００３】
【非特許文献１】
Molecular Crystals and Liquid Crystals vol.106, 271-381 (1984)
【特許文献１】
特開２００２−８０４８９、
【特許文献２】
特開２００２−３２２１９０
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、水中で脂質分子を自己集合させて有機ナノチューブを形成させる方法は、一般的にチューブの生成までに時間がかかり、また生成した有機ナノチューブが水中にランダムに存在するため、液中における集積化は困難であった。
本発明は、有機ナノチューブを迅速に、かつ集積化された形で提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、油／水界面を反応場として用いると有機ナノチューブを迅速に、かつ集積化された形で提供できることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、疎水性の炭化水素基及び親水基から成る界面活性有機化合物を、水相及び油相からなり油／水界面が安定な平面を形成している２相溶媒中で、自己集合させることから成り、該炭化水素基が炭素数が６〜５０の直鎖炭化水素鎖であり、該親水基が糖鎖である、有機ナノチューブの製法である。この界面活性有機化合物を予め水相に溶解させておくことが好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明で用いる界面活性有機化合物は、疎水性の炭化水素基と親水基から成る。この炭化水素基は、炭素数が約６〜５０の直鎖炭化水素鎖であり、飽和でも不飽和でもよい。不飽和の場合には３個以下の二重結合を有することが好ましい。親水基は糖鎖である。これら親水基と疎水基は直接又はアミド結合を介して結合する。
【０００７】
この界面活性有機化合物として、発明者らの研究室で開発された以下のような化合物が挙げられる。
（ａ）一般式Ｒ'−ＮＨＣＯ−(ＣＨ2)n−ＣＯＯＨ（式中、Ｒ'はアルドピラノースの還元末端水酸基を除いた残基、ｎは６〜２０を表す。）で表わされる非対称双頭型脂質（特許文献２）。
【０００８】
（ｂ）下記一般式
Ｇ'−ＮＨＣＯ−Ｒ''
（式中、Ｇ'は糖のアノマー炭素原子に結合するヘミアセタール水酸基を除いた糖残基を表し、Ｒ''は炭素数が１０〜３９の不飽和炭化水素基を表す。）で表わされるＮ−グリコシド型糖脂質（特願２００３−１３２６６）。
【０００９】
次に、このような界面活性有機化合物を用いて有機ナノチューブを製造する方法について述べる。
界面活性有機化合物を予め水相に溶解させる等により、界面活性有機化合物を含む、水相及び油相からなり油／水界面が安定な平面を形成している２相溶媒を用意すると、界面活性有機化合物はその油／水界面で自己集合する。これら２相は、油相の比重が水相の比重よりも小さい場合、又は油相の比重が水相の比重よりも大きい場合のいずれでもよい。これら２相の界面に安定な平面、即ち水平面が形成されていることが必要である。
油は、広範囲の有機物を使用できるが、常温において液体であり、極性が十分に低く、かつ水と混和しにくい溶媒であることを要する。例えば、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、２，２−ジメチルブタン、四塩化炭素などが挙げられる。この油として、界面活性有機化合物の炭化水素鎖部分と類似構造を持つ長鎖炭化水素（例えば、テトラデカン、ペンタデカンなど）は好ましくない。これらは集合化に時間がかかり、油水界面に自己集合体が形成するという効果が顕著でない場合がある。また、エタノールは極性が高く、ジオキサンは極性が低いものの水と任意割合で混和するため好ましくない。
水相には、蒸留水、精製水、超純水等の水、その他各種塩溶液、リン酸などから成るｐＨ緩衝溶液等を用いることができる。
【００１０】
具体的には、例えば、界面活性有機化合物を水に加え攪拌しながら加熱することにより、水中に界面活性有機化合物を分散させる。この際、界面活性有機化合物の濃度は高いことが望ましいが、界面活性有機化合物に対して水の量が少なすぎると十分に分散させることができない。そのため、加える水の量は界面活性有機化合物の１，０００〜４０，０００重量倍の範囲で選ばれる。この際の加熱温度は、ゲル−液晶相転移温度よりも高い温度であり、かつ水相の沸点以下であることが必要であり、界面活性有機化合物を十分に分散させるために、できるだけ高いことが好ましい。
このゲル−液晶相転移温度は示差走査熱量分析により測定することができる。具体的には、界面活性有機化合物１〜５ｍｇを水３０〜５０マイクロリットルと混ぜて完全に化合物を水和させた試料をこの熱分析計にかけ、吸熱ピークとして、ゲル−液晶相転移現象が現れ、その最大ピークを与える位置の温度が相転移温度として求まる。
このゲル−液晶相転移温度は、コロイド化学でいう界面活性剤の水中での融点の意味であり、この温度以上に水分散液を熱すると、チューブ構造は球状の小胞体（ベシクル）に瞬間に形態変化を起こし、チューブ構造が破壊されるため、好ましくない。このゲル−液晶相転移温度は、界面活性有機化合物の種類に依存し、通常約３０〜９０℃である。
【００１１】
このようにして調製した界面活性有機化合物を分散させた水を徐冷して、室温下に静置する。この「徐冷」とは、特に加熱や冷却操作を行なわないで温度を下げるという意味と、加熱や冷却操作を行ない温度をコントロールしながらゆっくり下げるという２つの意味がある。従って、徐冷時の温度は、周囲の温度や装置の熱容量などによって異なる場合と、温度をコントロールする装置の設定に依存する場合がある。また、「室温」とは、試料に対して特に過剰な加熱や冷却が行なわれない温度という意味であり、具体的には０〜４０℃、好ましくは２０℃付近の温度をいう。
次いで、水と油の界面を形成し、界面において中空繊維状有機ナノチューブを生成させる。この時、油相の比重が水相の比重よりも小さい場合は、水相上に油相を静かに注ぎ込むことになり、油層の比重が水相の比重よりも大きい場合は油相上に水相を静かに注ぎ込むことになる。このようにして、界面形成後室温にて静置すると、溶液の水／油界面に繊維状ナノチューブが析出してくる。この際、形成時間は界面活性有機化合物の種類によって異なるが、いずれの場合においても、油水界面を形成すること無く水中においてナノチューブを析出させる場合（１日以上）に比べ遥かに速い。
【００１２】
この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、平均外径が７０〜５００ｎｍ、好ましくは２００〜５００ｎｍ、平均内径（中空の平均径）が４０〜３００ｎｍ、好ましくは５０〜３００ｎｍであり、長さが数百ｎｍ〜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。得られた中空繊維状有機ナノチューブの形態は、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。チューブ構造体はレーザー顕微鏡、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。
【００１３】
【実施例】
以下、実施例にて本発明を例証するが、本発明を限定することを意図するものではない。
合成例１
フラスコに、Ｄ−（＋）−グルコピラノース（Fluka社製、１．０ｇ、５．５５ミリモル）を採り、水５０ｍＬを加えて溶解した。これに炭酸水素アンモニウム（Wako社製）１０ｇをフラスコの底に結晶が析出するまで加えた。これを３〜５日間、３７℃の油浴中で磁気撹拌した。反応中飽和状態を保つために、炭酸水素アンモニウムをときどき加えた。炭酸水素アンモニウムの全体量は４０〜５０ｇであった。反応は薄層クロマトグラフィーにより追跡した（Ｒｆ値＝０．４０、展開溶媒：酢酸エチル／酢酸／メタノール／水（容積比４／３／３／１））。後処理として反応系から未反応の炭酸水素アンモニウムを除くために、冷却して炭酸水素アンモニウムを結晶として析出させた。この方法以外にも、反応系に水を適当量加えて濃縮することで気化させたり、又は脱塩装置を利用して、未反応の炭酸水素アンモニウムを除いてもよい。このようにしてβ−Ｄ−グルコピラノシルアミンを得た。
【００１４】
合成例２
フラスコに、１１−ｃｉｓ−オクタデセノイックアシド（WAKO社製、２８２ｍｇ、１．０ミリモル）をジメチルスルホキシド１ｍＬに溶解させたものを入れて、反応系とした。ＨＯＢｔ（WAKO社製、１５３ｍｇ、１．０ミリモル）及びＢＯＰ（WAKO社製、１．３３ｇ、３．０ミリモル）をジメチルスルホキシド１．５ｍＬに溶解させたものを、反応系に加え２５℃で１０分間磁気撹拌した。
次に、合成例１で得たβ−Ｄ−グルコピラノシルアミン（１．２４ｇ、６．９ミリモル）を反応系に加え、２５℃で５時間以上磁気撹拌して、反応させた。この反応は薄層クロマトグラフィーにより追跡した（Ｒｆ値＝０．５６、展開溶媒：クロロホルム／メタノール（容積比４／１））。
得られた粗生成物をクロロホルム／メタノール（容積比４／１）混合溶媒を溶出液としてシリカゲルカラムクロマトグラフィーを行い、次にメタノールを溶出液としてゲルろ過剤トヨパールＨＷ−４０Ｓカラムクロマトグラフィー（東ソー社製）を行い、白色固体のＮ−（１１−ｃｉｓ−オクタデセノイル）−β−Ｄ−グルコピラノシルアミン（８５ｍｇ、収率１９％）を得た。
この生成物の物理的性質は次のとおりである。
融点：１４８℃
元素分析値（Ｃ₂₄Ｈ₄₅Ｏ₆Ｎ）

【００１５】
合成例３
フラスコに、合成例１で得たβ−Ｄ−グルコピラノシルアミン（４０ｍｇ、０．２２ミリモル）を採り、メタノール１０ｍＬに溶解させ、反応系とした。これにトリエチルアミン（１５４μＬ、１．１０ミリモル）を加え、０℃の氷浴に浸けた。これにオレオイルクロライド（ALDRICH社製、５１４μＬ、１．３２ミリモル）を２回に分けて加え、１９時間磁気撹拌した。反応は薄層クロマトグラフィーにより追跡した（Ｒｆ値＝０．４７、展開溶媒：クロロホルム／メタノール（容積比４／１））。
得られた粗生成物をクロロホルム／メタノール（容積比４／１）混合溶媒を溶出液としてシリカゲルカラムクロマトグラフィーを行い、白色固体のＮ−（９−ｃｉｓ−オクタデセノイル）−β−Ｄ−グルコピラノシルアミン（２４ｍｇ、収率２５％）を得た。
この生成物の物理的性質は次のとおりである。
融点：１４９℃
元素分析値（Ｃ₂₄Ｈ₄₅Ｏ₆Ｎ）

【００１６】
合成例４
フラスコに９−ｃｉｓ，１２−ｃｉｓ−オクタデカジエノイックアシド（SIGMA社製、9-cis, 12- cis -octadecadienoic acid）（２８０ｍｇ、１．０ミリモル）を採り、ジメチルスルホキシド１ｍＬに溶解させ、反応系とした。ＨＯＢｔ（１５３ｍｇ、１．０ミリモル）及びＢＯＰ（５３７ｍｇ、３．０ミリモル）をジメチルスルホキシド１．５ｍＬに溶解したものを、反応系に加え２５℃で１０分間磁気撹拌した。
次に、合成例１で得たβ−Ｄ−グルコピラノシルアミン（５３７ｍｇ、３．０ミリモル）を反応系に加え２５℃で５時間以上磁気撹拌した。得られた粗生成物をクロロホルム／メタノール（容積比４／１）混合溶媒を溶出液としてシリカゲルカラムクロマトグラフィーを行い、次にメタノールを溶出液としてゲルろ過剤トヨパールＨＷ−４０Ｓカラムクロマトグラフィーを行い、Ｎ−（９−ｃｉｓ，１２−ｃｉｓ−オクタデカジエノイル）−β−Ｄ−グルコピラノシルアミンを得た。
【００１７】
実施例１
合成例２で得たＮ−（１１−ｃｉｓ−オクタデセノイル）−β−Ｄ−グルコピラノシルアミン１ｍｇをフラスコに取り、水２０ｍＬを加え、加熱して３０分間沸騰還流させた。室温まで空冷後、この水溶液４ｍｌを四塩化炭素３ｍｌ上に静かに注ぎ、四塩化炭素／水界面を形成し自己集合を行なった。界面形成から６０分後の界面近傍の写真を図１に示す。この時の油水界面、特にガラスと壁面のメニスカス部分に目視で白い多くの自己集合体の生成と集積を確認できた。また、界面部分生成物の透過型電子顕微鏡による写真を図２に示す。生成物はチューブ状構造となっていることがわかる。内径５０〜１００ｎｍ、外径１００〜２００ｎｍ、光学顕微鏡による観察によると長さは１〜数百μｍである。
【００１８】
比較例１
合成例２で得たＮ−（１１−ｃｉｓ−オクタデセノイル）−β−Ｄ−グルコピラノシルアミン１ｍｇをフラスコに取り、水２０ｍＬを加え、加熱して３０分間沸騰還流させた。その後室温まで空冷させた。試料を室温まで到達させてから６０分後では、まだ目視による繊維状ナノチューブの形成は見られなかった。１０時間以上経過後に水溶液を、透過型電子顕微鏡を用いて観察すると、内径が４５〜２００ｎｍ、外径が７５〜５００ｎｍの中空繊維状の有機ナノチューブ材料を確認された。
実施例１と、直接目視および顕微鏡下での生成物個数の比較により、四塩化炭素／水界面を用いることで有機ナノチューブが迅速に得られ、また四塩化炭素／水界面に有機ナノチューブが集積化していることがわかった。
【００１９】
実施例２
合成例３で得たＮ−（９−ｃｉｓ−オクタデセノイル）−β−Ｄ−グルコピラノシルアミン１ｍｇをフラスコに取り、水２０ｍＬを加え、加熱して３０分間沸騰還流させた。室温まで空冷後、この水溶液４ｍｌを四塩化炭素３ｍｌ上に静かに注ぎ、四塩化炭素／水界面を形成し自己集合を行なった。この場合においても、実施例１と同様に、試料を室温まで到達させてから６０分後に内径５０〜１００ｎｍ、外径１００〜２００ｎｍ、長さ１〜数百μｍの有機ナノチューブを四塩化炭素／水界面に得た。
【００２０】
実施例３
合成例４で得たＮ−（９−ｃｉｓ，１２−ｃｉｓ−オクタデカジエノイル）−β−Ｄ−グルコピラノシルアミンについても実施例１と同様にして自己集合を行なった。この場合においても、試料を室温まで到達させてから６０分後に内径５０〜１００ｎｍ、外径１００〜２００ｎｍ、長さ１〜数百μｍの有機ナノチューブを四塩化炭素／水界面に得た。
【００２１】
実施例４
合成例２で得たＮ−（１１−ｃｉｓ−オクタデセノイル）−β−Ｄ−グルコピラノシルアミン１ｍｇをフラスコに取り、水２０ｍＬを加え、加熱して３０分間沸騰還流させた。室温まで空冷後、この水溶液４ｍｌの上にヘキサン３ｍｌを静かに注ぎ、水／ヘキサン界面を形成し自己集合を行なった。この場合においても、実施例１と同様に、試料を室温まで到達させてから６０分後に内径５０〜１００ｎｍ、外径１００〜２００ｎｍ、長さ１〜数百μｍの有機ナノチューブを水／ヘキサン界面に得た。
【００２２】
実施例５
合成例３で得たＮ−（９−ｃｉｓ−オクタデセノイル）−β−Ｄ−グルコピラノシルアミンについても、実施例４と同様に水／ヘキサン界面において自己集合を行なった。この場合においても、実施例２と同様に、試料を室温まで到達させてから６０分後に内径５０〜１００ｎｍ、外径１００〜２００ｎｍ、長さ１〜数百μｍの有機ナノチューブを水／ヘキサン界面に得た。
【００２３】
実施例６
合成例４で得たＮ−（９−ｃｉｓ，１２−ｃｉｓ−オクタデカジエノイル）−β−Ｄ−グルコピラノシルアミンについても、実施例３と同様に水／ヘキサン界面において自己集合を行なった。この場合においても、実施例３と同様に、試料を室温まで到達させてから６０分後に内径５０〜１００ｎｍ、外径１００〜２００ｎｍ、長さ１〜数百μｍの有機ナノチューブを水／ヘキサン界面に得た。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の溶液の、界面形成から６０分後の界面近傍の写真を示す図である。
【図２】実施例１の溶液の、水／油界面に生成した構造体の電子顕微鏡写真を示す図である。右上の白抜き縦線は実寸の２００ｎｍに相当する。

Claims

疎水性の炭化水素基及び親水基から成る界面活性有機化合物を、水相及び油相からなり油／水界面が安定な平面を形成している２相溶媒中で、自己集合させることから成り、該炭化水素基が炭素数が６〜５０の直鎖炭化水素鎖であり、該親水基が糖鎖である、有機ナノチューブの製法。
前記界面活性有機化合物を予め水相に溶解させておく請求項１に記載の製法。