Tshozoです。最近エポキシ系材料を使うことになり色々勉強しておりましたところ、これまで関連記事を何個か書いておりましたJSR㈱からエポキシと反応性を奇妙に高める論文が出ておりましたので筆者の勉強も含めちょっと採り上げたいと思う次第です。お付き合いください。
エポキシ基とは
個人的にはクリックケミストリーぽいな、と思う程度に反応性の非常に高い(求核攻撃を受けやすい)分子構造です。塩基、酸、熱、どれに対してもなにかしら反応し、条件次第で室温でも進行するため様々な用途があります。その多様性については各種論文にも説明が書かれておりますが、個人的には関係者が昔からお世話になっているナガセケムテックスさんのこちらのページがグラフィカルかつ使う人の立場に立ったコンテンツが多く一番わかりやすい。様々な官能基と反応することを示す下図は個人的には永久保存版だと思っています。
ナガセケムテックス殿のページの図(リンク)を筆者が再構成して引用
実際にはこれにエナンチオマーとか触媒とかが関わってくるのでもっとややこしい
特に3級以外のアミンは結合と反応促進の2通りの役割を果たすので面倒かつ便利な存在
しかしこの反応性の裏を返すと長期保管がしにくいということでもあり…この点、筆者にはエポキシ系硬化樹脂に関して忌まわしい思い出があります。一斗缶で購入したが想定条件が実は間違っていて使えないとなり存在を記憶から消したまではよかった。約1年後気づいたところ缶内でバキバキに硬化し、そのまま捨てようとしたら廃棄物担当からメチャクチャ怒られ、結局グラインダーで缶に切り込みをいれペンチとプライヤーで金属をひっぺがし樹脂塊を分別してようやく廃棄できまして。そう、エポキシ基は条件や分子構造によってエポキシ基同士で反応してしまうので夏場温度が上がる保管庫に樹脂原料を(硬化剤と混ぜなくても)放置したりするとえらいことになったりするのです。
というわけで、使いどころは注意すべきですがDIY、実験室、各種化学業界、産業の現場、半導体業界などで試薬原料、接着剤、成形品、コーティング材、絶縁材、、、、等多種多様に使用されるエポキシ基を含む化学材料。筆者も業界に入って初めてその多様性と重要性を認識したのですが、外から眺めてると意外と全体像がわかりづらい材料でもあるのでは、という気もしております。
エポキシ系材料の簡単な歴史(特に熱硬化樹脂用途)
この項は上記の缶の中で固まったようなエポキシ基を含む熱硬化性樹脂にポイントを置いた歴史的流れをみます(エポキシ化合物の世界初合成例が見つからなかったという理由もあります)。まず、エポキシ基を用いた樹脂を世界で初めて開発したのはIG Farbenに所属していたPaul Schlackというシュツットガルト工科大学出身の化学者でした。この時代からどうやってこんな機能性の高い材料を開発できたのか不思議なのですが、どうもアメリカのベークライトが開発した熱硬化性樹脂と、あともう一つはそれから発展させた接着剤の機能向上にターゲットを絞っていたようで。ブルーバックスの名著「接着の科学」の中である先生がおっしゃられていた「接着剤の本質とは畢竟、くっつけるものの間に置いた状態で固まればいいのである」という言葉を振り返るに、エポキシは非常に硬い状態でしかも体積がほとんど変わらずに固まりますので本質通りの応用がこの1930年前後に始まっていた、といえます。
ただ工業的に接着剤として最初に材料構成を磨き上げたのはスイス バーゼルに本拠地を置いていたチバ社(Chemische Industrie BaselからCIBAと命名)が先でした。もっともチバ社がその源流を開発したわけではなく、同じスイスのDe Trey AGという小さな会社に所属していたPierre Castanというフランス人技術者によるもの。Ciba社がこの関連特許を固めて買い上げ、米国含む他社をけん制しながらクロスライセンスで巻き込み、応用先を広げていったというのがエポキシ樹脂関連産業の起こりとのことです。この時にできた接着剤ブランド”アラルダイト“は非常に有名で、プラモデルとか作ってる人にはおなじみの硬化樹脂になってますね。
んでIG Farbenが手掛けていたということは戦争用にももちろん使われてしまっていて(文献1)によりますと下図のような流れで市場が広がっていった。これはあくまでエポキシ樹脂の流れで、実際には製薬や化学合成の中間体としても使われているのですがさすがに細かすぎて追いきれないので今回は勘弁してください。
(文献1)の図をもとに筆者が加筆・再構成して作成
なお半導体への適用は1990年から既に始まっていたが
用途が相当に拡大したのは2010年以降の印象があるためそのように記載
で、「温めても/常温でも固まる、しかもめっちゃ硬く(ほぼ鈍器)/組合せによってはゴムのように柔軟にもなる」バリエーションの広さとその特性が重宝され各種用途で使われるエポキシ系樹脂ですが、最近の傾向で言うと下記の用途が目立っているように思います。一番最後の「機能性樹脂」としては、下記のような用途が含まれているとお考えください。
・絶縁系材料、特に機能性絶縁材料 ・超高強度樹脂 ・超耐食性コーティング
・半導体封止パッケージ用樹脂 ・現場重合樹脂 ・表面/樹脂改質剤
どれもこれも今後の産業の発展に重要なものばかり。もちろん競合にフェノール系樹脂などはありますが、反応温度や特性範囲の広さからその使用量は圧倒的な差がついており誕生からおよそ100年に至る現在、存在意義は益々高まり活躍の場は産み出され続けています。しかも改良要求(常温で反応してほしいけど保存性はよくなきゃいけない、収率が悪いのを何とかしてほしい、均一に反応してほしい、温度をかけたくない、、、、など)は常に出てくるので開発余地は十分にあるという、あまり例を見ない材料なのではという気がしてきております。
その中でも反応性と保管性のバランスは難しく、筆者が扱う範疇でも低温保管からのプロファイルチェックとかのめんどくさい手順が必要だったりする。また別用途だと紫外線や熱を加えるにも特定の条件や温度から急峻に反応してくれる都合のよい組み合わせがうれしい。その意味で反応性制御は使用者の声と直結している大事な部分でもあり、今回の論文はそのうちより高速にエポキシ基を開環・エポキシ基と反応してくれる機能を持たせた官能基の開発と、それを生かした材料系の例になりますです。
今回の一連の研究成果の深堀り
前置きが長くなりましたが今回の論文は下の2編。実は(1)(2)のうち(2)はここまで述べていた内容には含まれない新規の用途、”バイオ系機能材料”にターゲットを当てたものになります(一応医療用構造部材は図示しましたがあくまで構造的なものが中心です/生体適合という大事な特性は必須ですが)。筆者もあちこちの分野の情報をつまみ食いしていますがそれでもあまり見たことが無い。
(1) “Efficient linking of two epoxides using potassium thioacetate in water and its use in polymerization”,
Chem. Commun., 2022, 58, 1108–1110, リンク (JSR発表 : リンク) (NIMS発表：リンク)
(2) “A Thioether-Bridging Surface Modification of Polymeric Microspheres Offers Nonbiological Protein A-Mimetic Affinity for IgG”,
すごく雑に要旨を言うと、(1)は樹脂原料としてのポテンシャルを示した論文、(2)は生体材料への親和性を増幅するための機能性表面改質剤としての可能性を示した論文です。で、実は本記事の主役はエポキシ基ではなくそれと反応するAcSK基/チオ酢酸カリウム基であるということをここで明記します。
言い忘れましたがエポキシ性硬化樹脂はエポキシ主剤、硬化剤(架橋剤)、(硬化)反応促進剤とだいたい三種類からなり(実際は改質剤と希釈剤や無機粉など多種の添加剤も含まれ各社の謎レシピも存在する)、主剤と硬化剤のいずれかまたは両方にエポキシ基またはアミノ基が含まれ、硬化剤にアミン・アミノ基やアルカリ、酸などが含まれ、という形が一般的。で、そのレシピの一部にチオール(-SH)系材料が架橋剤として使用されるケースがあり、たとえば堺化学工業子会社のSC有機化学株式会社などはかなり長期にわたってこの材料系で商売を続けていて確実な需要は存在するわけです。
ただ硫黄系有機化合物の継続使用は噂レベルでの伝聞で「あることが起きうる」ことに個人的に恐れを抱いていて,,,まぁそれはデマかもしれないとしても強い臭気のため使いづらい(+協力先に嫌がられる)という思い込みがありました。現在は昔ほど極端なものではないようですが、、、実際(文献2)でも「チオール系化合物の欠点として…臭気であったり…酸素阻害を受けたり…しかし現在は改良が進み…現在はエポキシ樹脂と予め配合しておき後述する潜在性硬化(促進)剤を用いる工夫も行われている」という記載もあり、反応制御さえできればむしろ有用に使いうる材料系なのでありましょう。ともかくJSRは今回そこに踏み込み、より反応性が高くコントロールしやすい官能基を使いこなし応用性を高められるかどうかにポイントを置いた開発活動を行っているように思われます。
どういう論文なのか
以下、(1)(2)の内容をまとめて紹介します。(1)は「nonstoichiometric=理論的ストイキ比によらない反応機構をもつエポキシ基との官能基を見つけた(ストイキ比はエンジン空燃比(酸素と燃料がカンペキに反応しきる体積比率)などに使われる用語で、化学分野でも反応が官能基の数量比率どおりに進むことを示すが、今回の反応はそれに従わないことを言う)」、(2)は「(1)の官能基を使って抗体(IgG)吸着・脱離カラムボールを表面修飾したら分離性能が非常によくなった」というものです。JSRは近年祖業であるゴム事業をENEOSに売却するなど成熟市場からの転進を目指しているなかで下図の右上・左上のスミを目指していっているというのは化学を生業とする各企業の一般傾向とも一致しますが、今回の成果は(1)(2)のどちらにも適用し得る点で両利きの技術と言えるのかもしれません。
2014年に筆者が作った図を再引用(元記事リンク)
ただ最近は全部安くないと売れない、になってきているような、、、
しかも国家ぐるみのダンピングをやってくるところと争うことは無理なので
そこでは創れないものを作っていくしかないという辛い時代になっている
まず(1)。エポキシ基は上述通り求核攻撃を受けやすく、-SHのSのような高求核性の原子とカチっと反応します。特に塩基性が高い促進剤(アミンなど)があるとより顕著ですが、反応が速いと言っても二官能系以上の複数の反応基をもつ樹脂のばあい、濃度的にも確率的にも2個目からの反応が遅いのが一般的なので実際には完全硬化に結構な日数かかったりする。ところが今回紹介するAcSK基を用いると、理屈の意味はよくわからんのですがとにかくすごい自信で2個目の方が速い(下図)。つまり反応が進み分子の図体がでかくなった場合でも末端の活性が落ちずむしろ上がるためエポキシ基をぶんどって反応しやすい→早く分子量が上がる、しかも二官能的に反応した片割れの方が反応しやすいので反応官能基の数量比＝ストイキ比がかなりずれても出来上がる高分子の分子量が落ちないという、不思議な特徴をもつことがでわかりました。つまりはジャイアンみたいな官能基です(同論文のカバーイラストを深読みするとそう見える)。というかまず1官能基でエポキシを十分な収率で架橋することの出来る官能基自体が相当珍しく、上の図で言うと二級アミン以外無いですしそれで反応性が落ちないというのも驚き以外の何物でもありません。
論文(1)より引用 二官能系の分子の場合ふつうは片方が反応すると後の方の反応性が落ちるが
AcSK基の場合なぜか後の方が31倍も速く反応するというおそるべき性質をもつ
その証拠に、右図の反応内でほとんど中間体が検出されていない(●がAcSKの中間体分量)
同じく論文(1)より引用 通常ストイキ比1:1を超えた範囲での高分子合成では
DTTのように低分子のものしかできないが、AcSKの「二官能基の後の方も強く反応する」という
特長からストイキ比がずれた領域でも分子量の大きい高分子が合成されるため、
たとえばAcSKを使ったハイドロ架橋ゲルもDTTの1/8の時間で固化することが示された
以上から論文(1)では非常に特長のある架橋性樹脂の反応パーツが仕上がった、と間違いなく言えます。実際、論文中でも書かれていますようにエポキシを用いた高分子合成で非ストイキ域でも高分子量ポリマーが合成できるのを実証したのは今回が世界初のもよう。もちろんAcSKを用いた二官能基の片方の反応性を上げるには系を塩基寄りにしなくてはなりませんが、アミンなりイミダゾールなりを使えば十分いけるでしょう。
んでこの成果を足掛かりに論文(2)。ただ内容が高分子合成からガラっと変わって、「抗体精製用カラムのボール表面にエポキシ基とこのAcSKを使って処理層を作ってみたら性能がどう変わるか」を示したもの。論文の狙いと要旨としてはイントロの”…I aimed to characterize functional materials featuring this linking structure and the adhesive properties of epoxy-based polymers. Overall, this work provides a thioether-bridging surface modification of polymeric microspheres as a novel approach for generating affinity for IgG” に示されるように、AcSK基を用いて特定の免疫グロブリンG(IgG/人体内抗体の一種)とポリマー微粒子表面との親和性を向上させ分離性能を上げる新処理方法になり得るかを調査した、という内容です。
実験的には、まずエポキシ基がぶら下がったカラム用の微粒子(Porous poly(glycidyl methacrylate-co-divinylbenzene) (GMA-DVB) microsphere/ この論文のためにJSRが自前で合成・同社にはゴム合成で培ったエマルジョンを作る技術があるのでこうした材料はお手の物なのでしょう)を準備し、そのエポキシ基に上記のAcSK基を反応させ下図のような「円環状の分子鎖が高密度でぶら下がったポリマー微粒子」を準備します。しかもこの円環状構造は論文(1)で得たAcSK基を使ってこそ生成することが大変重要。つまり1個目の鎖に付いたあと、付近にある2個目のぶらさがっている鎖に対しても「積極的に」繋がって円環化を進められる反応基を適用しない限りそうそう高密度で発生させられるものではないことは容易に想像できます。
論文(2)のキーポイントとなる反応 普通の2官能アミン架橋剤とかでも
行かないわけではないと思うが、おそらく能動的に反応するようなレベルではないと推定
ただ何故この円環構造がIgGのような巨大分子を吸着し得るのか？ 円環構造だと単純に配位する官能基の数が減ってしまうので性能的には劣るように思えるのですが、さすがに生体系はそんな単純には出来ていないのでしょう。論文内で分子構造に基づいた科学的解釈の明記がないので無理に推定してみるとすると、イオン性の強い箇所を極めて強く配位・トラップしうるクラウンエーテル様の構造が表面に高密度にある、ということがキーではないのかと思います。なお論文(2)後半(Figure.3以降)でなぜIgGにここまで吸着性が高いのか、ということは検証されていて、IgGのいわゆるFc領域(MBL社による非常にわかりやすい参考リンク：こちら)に特異的にAffinityが高いことも示されています。
実際の性能はこれ JSR Lifescienceの商品であるAmsphere(リンク)と遜色ない性能を示す
やや吸着量が少ないのは気になるが、比表面積とか反応条件の修正でなんとかなるレベルでしょう(無責任)
個人的に凄いなと思うのが、この吸着性能をバイオ系素材をほとんど使わず全て廉価で扱いやすい素材を用いて実現できている点。もちろんバイオ用にやっていくには特殊グレードの素材が必要になってしまうしょうけども、それでも十分コントロールがきき応用性も高められる点は大きな優位性・展開性を持つと思われます。当然この分野は様々なメーカが犇めいていますから従来技術でも何とかなる面はあるのかもしれませんが、この構造の特異的な性能については単純な側鎖による吸着やバイオ素材ベースの商品では追いつけない新しい側面があるのではとも思うております。つまり今回開発した円環構造の大きさ、強さ、密度をコントロールすれば、人工的に様々な生体材料の判別に使えるかもしれないというのが本論文の結言にありますので応用性は非常に高いことを期待しましょう。
しかし論文(1)を使って生体材料に適用するという切り口をよくもまぁ思いつかれたものです。筆者でしたら硬化剤や架橋剤としての用途しか浮かばないのですが、現在もバイオ・医薬関係への所有技術の応用を展開・模索するJSRだからこそこの観点が出てきたのかもしれません。工業材料を使うことによる不安(たとえばアレルギー素材の流入/混入など・とある人工材料で折角立ち上げた工場がパーになってしまった例も過去にあり・・・)がないとは言えませんがたとえば診断薬などでは別に体内で使う必要はないわけですし、筆者レベルが考えることはおそらく杞憂でしょう。
今後の発展について
実は今回論文の材料と類似のもの、別案件で筆者も触ってみていたのです。しかもなんの偶然かほぼ同じ系統のチオ酢酸！ 確かに反応性は高かったですので論文(1)の結果はそこそこうなずけるものでしたが(筆者用途には結局諸々の理由により適せず)やっぱりくせぇ！ 我慢出来なくはないですが個人的にあまり好きではない感じ。沸点も低いものなのでそう感じたのだとは思いますが、、、まぁちゃんとした局所排気環境で扱えば全然問題ありませんでしたので、結局安全性を注意して使えるかどうか、そしてその安全性に見合う魅力ある製品が作れるかどうかに尽きると思います。それに今回開発された官能基は分子量の大きな分子構造にくっつければそうした懸念は低くなりますし使用に伴うDisadvantageを補うに余りある魅力が十分にあると見込めるので、きっと用途は広がっていくでしょう。
個人的に面白いなと思うのは、生体分子へのAffinityが上がった、という点。体内親和性がより必要とされる医療用材料の表面処理にも使用できるかもしれません。あとは例えば高分子化がしやすい点から分離膜などに適用できる可能性もあり、複合膜内でその場重合などをして高機能分離膜などもつくれそう。それ以外にも色々と工夫のしどころの扉が開いた、という前向きな考えでやっていっていただきたい次第です。
いずれにせよこうした「様々な用途に用いれる」応用性の高いキー技術があってこそ製品や商品、サービスのすそ野も広がっていくはずですので関係者の方々の粘り強い開発を期待したいところです。
それでは今回はこんなところで。
【参考文献】
1. “The History of Expoxy”, Counter Intelligence, リンク
2. “エポキシ樹脂硬化剤について”, 日本接着学会誌 53 巻 (2017) 4 号, リンク
