水系での天然多糖由来の有機ラジカルナノ材料の調製

水体系中天然多糖衍生的有机自由基纳米材料的制备

基本信息

批准号：
10J04348
负责人：
栗田侑典
金额：
$ 0.9万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2011
项目状态：
已结题

项目摘要

有機ラジカル電池は、次世代のフレキシブルな電源デバイスとして期待を集めているが、石油材料を用いるため、再生産が困難な資源であり、廃棄によって放出される二酸化炭素量などの問題を抱えている。従って本研究では、天然で多量に生産され、温和な条件で反応できるアミノ基を持つキチン・キトサンに着目し、材料・調製・廃棄の3点において環境に優しい新規有機ラジカルポリマーの調製を目指す。そしてキチン・キトサンより二次電池に用いる正極活物質である有機ラジカルポリマーを化学合成するため、水系・温和な条件でアミノ基に選択的に効率良く進行するN-アルキル化反応を開発した。これまでの研究で、ハロゲン化酢酸と炭酸水素ナトリウムにより水中でキトサンのアミノ基を選択的にカルボキシメチル化することに成功した。さらに様々なN-アルキル化を行うため、いくつかのハロゲン化アルキルを用いて同様の条件で反応を行った。すると、それぞれのハロゲン化アルキルの化学構造に対応するN-アルキルキトサンが生成した。特にN-ベンジル化は高い反応効率で進み、最大でキトサンのアミノ基1個につき1.64個のベンジル基を導入することができた。芳香族には安定にラジカル種が存在するため、この反応によって有機ラジカルポリマーの調製の可能性が示唆された。また従来の有機ラジカル電池において、アクセシビリティの低いラジカルが充放電に関われず効率が落ちるという問題がある。したがって、天然構造由来の針状結晶の表面に多くのアミノ基をもつキチンを利用することを考えた。その結果、N-アルキル化がキチンの固体表面に反応が進行していることが確認された。また、N-カルボキシメチルキチンを水中で機械処理するとキチンの繊維状結晶を分散させることができた。このようにナノメーター単位の繊維状に分散できたことで、キチンの比表面積は飛躍的に向上し、ラジカル電池の充放電の効率を向上できると期待できる。

有机自由基电池作为下一代柔性电源装置而受到关注，但由于其使用石油材料，因此是难以再生的资源，并且存在处理时释放的二氧化碳量等问题。因此，本研究以甲壳素和壳聚糖等天然大量产生且具有氨基、可在温和条件下反应的材料为研究对象，旨在制备在材料、制备方法等方面均对环境友好的新型有机自由基聚合物。和处置。为了用甲壳素和壳聚糖化学合成二次电池中使用的正极活性材料有机自由基聚合物，我们开发了一种N-烷基化反应，该反应可以在水性体系中的温和条件下选择性且有效地生成氨基。在之前的研究中，我们成功地利用卤代乙酸和碳酸氢钠对水中的壳聚糖的氨基进行选择性羧甲基化。为了进行进一步的各种N-烷基化，使用几种烷基卤化物在相似的条件下进行反应。结果，产生了与各烷基卤化物的化学结构相对应的N-烷基壳聚糖。特别是，N-苄基化反应效率高，壳聚糖的每个氨基最多可引入1.64个苄基。由于自由基物种在芳烃中稳定存在，该反应提示了制备有机自由基聚合物的可能性。此外，在传统的有机自由基电池中，存在可及性低的自由基不参与充电和放电、导致效率降低的问题。因此，我们考虑使用甲壳素，它具有天然结构，表面有许多氨基。结果，证实了N-烷基化反应在甲壳素的固体表面上进行。此外，当N-羧甲基甲壳素在水中进行机械处理时，甲壳素纤维晶体可以分散。通过将甲壳素分散成纳米尺寸的纤维，可以大幅增加甲壳素的比表面积，有望提高自由基电池的充放电效率。