1 1. はじめに ベンゼン環のオルト位に水酸基が 2 つ結合したカテコール基 は，天然でよく見られるフェノール類の一種である。植物にお いてはリグニンの成分中などに豊富に含まれており1，カフェ 酸やウルシオールなどもカテコール基誘導体の一種である2。 また，カテコール誘導体の一つであるドーパミンは我々人間の 体の中で神経伝達物質としての役割を持つ。このように，カテ コール類は広く生物中に見られる化学構造の一つである。 特に近年，カテコール類はムール貝やフジツボなどの海洋付 着生物が分泌する接着タンパク中に多く含まれていることか ら，水中での接着性を示す官能基として，にわかに注目を集め ている3。その背景は意外に古く，1980年代に遡る。当時Waite らはムール貝に含まれる接着タンパク中にチロシンから誘導さ れる多量のカテコール基が存在しており，これが海水中でも岸 壁など多様な材料表面に接着できる機能を果たしていることを 見いだした4。これは，カテコール基が多様な材料表面と水素 結合や錯形成，Michel付加，疎水性相互作用などの多様な相 互作用を持つことに起因している。 その後，2000年代に入り，Messersmithらが有機ポリマーの 末端にカテコール基を導入することで多様な基板表面をポリ マー修飾出来る事，ドーパミンが基板表面に吸着した後，自発 的に重合することにより得られる薄膜が，多様な基板を修飾出 来る事を明らかにすると，関連の研究が大きく広がっている5。 さらに近年，カテコール基のフェノール性水酸基が示す還元 能を利用して，金属イオンを還元できることも報告されている6。 このように，カテコール基含有ポリマーはその機能性を活かし た多様な応用が期待されている。 我々は最近カテコール基を側鎖に有するランダム・ブロック 共重合体を合成し，それらを無機材料の表面改質や接着材料， また無機ナノ粒子合成の鋳型などへと展開してきた。本稿では， その合成と応用展開の一部について紹介する。 2. カテコール基含有ランダム共重合体 カテコール基を側鎖に含むランダム共重合体の合成はすで に多くのグループから報告がある7 。我々はその中でもN-［2-（3,4-Dihydroxyphenyl）ethyl]methacrylamide（ 慣 用 的 に は dopamine methacryl amide（DMA））をモノマーとし，疎水 性モノマーとフリーラジカル重合により，カテコール基含有両 親媒性ランダム共重合体を合成した（Figure 1）8。
無機のナノ粒子は表面エネルギーが高いため，疎水性有機溶 媒や疎水性ポリマー中に分散させることは困難であった。合成 したランダム共重合体はFe2O3，Al2O3，TiO2，SiO2，ZnOな どの酸化物ナノ粒子，カーボンブラック，ハイドロキシアパタ イト（リン酸カルシウム）ナノ粒子など，多様な無機表面に接 着し，表面を疎水化することにより有機溶媒中に分散させるこ とに成功した。熱重量分析の結果，重量比で約20％のポリマー が表面に接着しており，これらが分散安定性に寄与していると 考えられる9。 無機半導体ナノ粒子からなる多孔質フィルムは，光増感太陽 電池などの電極として利用されている。階層的な空孔を形成す
総 説 論 文
カテコール基含有ランダム・ブロック共重合体の合成とその応用展開
藪 浩
＊ Synthesis of Catechol-Containing Random/Block Copolymers and Their Applications Hiroshi YABU†This review shows synthesis and application of catechol-containing random and block copolymers. We successfully synthesized amphiphilic random copolymers containing catechol moieties as side chains by free radical copolymerization of dopamine methacrylic amide and hydrophobic monomers including styrene. The synthesized amphiphilic copolymers firmly adhered onto inorganic materials and change surface properties from hydrophilic to hydrophobic. The polymer-immobilized inorganic nanoparticles can be dispersed in hydrophobic organic solvents and form porous hierarchic films after casting under humid conditions followed by calcination. Block copolymers containing catechol moieties have also been synthesized reversible addition-fragmentation transfer（RAFT） polymerization of 3,4-dihydroxy styrene and styrene followed by deprotection of methoxy groups. Metal ions can be reduced by using the synthesized block copolymers as templates and reductants, metal nanoparticles consequently formed by simple addition of metal ions into solution or film of catechol-containing block copolymers.
Key Words : Random copolymer, Block copolymer, Catechol, Adhesion, Reduction
平成28年 2 月17日受付 ; 平成28年 2 月22日受理 ＊東北大学多元物質科学研究所
〒980‐8577 仙台市青葉区片平 2 丁目 1－1
†Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University, 2-1-1 Katahira, Aoba-ku, Sendai, 980-8577, Japan
ることで空孔率を上げることは，電極の表面積を増加させ，電 解液の拡散を向上させることから，太陽電池の効率を向上させ る可能性がある。そこで，これらの表面被覆ナノ粒子を用いて， 階層的な空孔を持つ多孔質膜を作製した10。表面被覆ナノ粒子 のクロロホルム溶液に両親媒性ポリマーを添加し，加湿雰囲気 下で製膜すると，空気中の水蒸気から結露した水滴を鋳型とし て，サブミクロン～ミクロンサイズの空孔を持つ多孔質膜が得 られる。これを焼成すれば，水滴を鋳型としたミクロンサイズ の空孔とナノ粒子間隙が作るナノサイズの空孔により，階層的 な空孔を形成できる。Figure 2 に焼成前後のTiO2ナノ粒子多 孔質膜の走査型電子顕微鏡像を示す。階層的な空孔が焼成後も 維持されていることがわかる。 また，表面被覆ナノ粒子をポリマー微粒子中に導入すること で，様々な機能をポリマー微粒子に付与することが可能であ る11,12。さらに，本ポリマーはウェットエッチングにおけるレ ジスト剤と無機基板を接着する接着層8や熱ナノインプリント における樹脂と基板の接着層としても有用であることを見いだ している13。 3. カテコール基含有ブロック共重合体 カテコール基含有ランダム共重合体や末端基にカテコール基 を導入したポリマーの例に比べ，カテコール基を側鎖に持つブ ロック共重合体の合成の報告は僅少である。その理由はカテ コール基が金属イオンに対して高い配位能を持っているため， 金属錯体触媒を用いるリビング重合法が利用出来ないなどの理 由による。既往の研究では活性エステルを側鎖に持つブロック 共重合体を合成した後，高分子反応により側鎖をカテコール基 に変換する手法や，側鎖カテコールを保護した状態で重合し， 脱保護するなどの試みがなされている14,15。 側鎖にカテコール基を持つ最も単純なモノマー構造は3,4-di-hydroxy styrene（慣用的にはvinyl catechol, VCa）である。 水酸基をメトキシ基により保護したモノマー 3,4-dimethoxy styrene（DMSt）のTEMPOを用いたリビングラジカル重合は 1998年にGravertらが報告している16が，ブロック共重合に供 Figure 1 Synthetic scheme of DMA and amphiphilic copolymers containing catechol moieties.
カテコール基含有ランダム・ブロック共重合体の合成とその応用展開 3 するには分子量分布が1.56と広く，また脱保護は行われていな かった。一方，Wilkerらはstyrene（St）とDMStをフリーラジ カル重合により重合し，これらのランダムコポリマーを合成し た後，三臭化ホウ素を作用させることにより，メトキシ基を水 酸基へと変換することでStとVCaのランダム共重合体の合成 に成功した17。このポリマーを用いて彼らは種々の材料への接 着能を検討している。また，ごく最近Isakovaらは可逆的付加－ 開裂連鎖移動（RAFT）重合を用いることにより，DMStのホ モポリマーを合成し，その後同様に三臭化ホウ素を作用させる ことにより，PVCaの合成に成功している（Figure 3）18。 これらの背景に基づき，我々は用いる連鎖移動剤や溶媒条件 を検討することで，DMStとStのブロック共重合体をRAFT 重合により合成し，その後三臭化ホウ素で脱保護する事により， 種々の共重合比を持つPVCa-b-PStの合成に成功した19。得られ たブロック共重合体の分子量分布は1.2程度であり，従来報告 されているカテコール含有ポリマーと比較しても分布の少ない ポリマーが得られている。また，得られたブロック共重合体は 親水ブロックであるPVCaと疎水ブロックであるPStからなる 両親媒性ポリマーである。 両親媒性ブロック共重合体の応用として，逆ミセルを用いた 無機ナノ粒子の合成が挙げられる。両親媒性ブロック共重合体 は疎水性有機溶媒中で内部に親水基を持つ逆ミセル構造を形成 する。親水ブロックがカルボン酸やピリジンなど金属イオンと 相互作用する官能基を有する場合，金属イオンを逆ミセルの内 部に担持することが可能となり，還元剤により還元を行うこと で，逆ミセル中に金属ナノ粒子を合成できた（Figure 4）。金 属ナノ粒子のサイズはミセルのサイズ，錯化した金イオンの量 などで調製できる。また，同様に金属イオンを錯化した両親媒 性ブロック共重合体のフィルムを作製し，還元を行うことで， ブロック共重合体のミクロ相分離構造を反映したナノ粒子アレ イを形成する事が可能となる。 今回合成したPVCa-b-PStは両親媒性ポリマーであるため， 有機溶媒中で逆ミセル構造を形成すると考えられる。さらに， カテコール基はフェノール性水酸基を 2 つ持つため，電子を放 出してキノン化する事により，還元剤としても働く。そのため 本ブロック共重合体はナノ粒子合成のテンプレート兼還元剤と して利用できる。図に実際にPVCa-b-PStのテトラヒドロフラ ン溶液に硝酸銀を加えることで作製したナノ粒子の透過型電子 顕微鏡（TEM）像を示す。この場合，粒径が約20nm程度のナ ノ粒子が還元剤なしで合成された。また，ナノ粒子のサイズは ブロック共重合体のPVCaブロックの量に依存し，制御する事 が可能であった。一方で同じ組成のランダム共重合体で同様の 実験を行ったところ，幅広い粒径のナノ粒子が形成された。こ の結果は，カテコール基が金属イオンの錯化と還元を担ってお り，ブロック共重合化する事により，逆ミセルがナノ粒子のテ ンプレートとして働いていることを示している。 さらに種々の共重合比のPVCa-b-PStを合成し，それぞれの フィルムを作製したところ，Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering（GI-SAXS）やTEM観察により，フィルム内 部にスフィア，シリンダー，およびラメラなど，種々のミクロ 相分離構造が形成されることを見いだした。これらのフィルム を硝酸銀水溶液に浸漬したところ，PVCa相に銀イオンが拡散 し，ミクロ相分離構造内にサイズの揃ったナノ粒子がアレイ状 に形成された（Figure 5）。これは，親水性のPVCa相が膨潤し， 銀イオンが拡散した後，側鎖のカテコール基によって還元され た結果であると考えられる。本実験結果は還元剤を用いること
なく，ブロック共重合体のミクロ相分離構造中に金属ナノ構造 を形成できる事を示しており，本ブロック共重合体と鋳型中で ブロック共重合体の配向・相分離構造制御を行う誘導自己組織 化（Directed Self-Assembly, DSA）と組み合わせることで，次 世代のナノパターニングへの応用が期待される。 4. おわりに カテコール基を側鎖に持つランダム・ブロック共重合体の合 成とその応用について紹介した。カテコール基の接着性と還元 能を利用することで，今までにない接着材料の開発やナノ粒子 の合成方法へとつながると考えられる。特にブロック共重合体 では，フィルム中にイオンが拡散する仕組みや還元によりナノ 粒子の配列が形成されるメカニズムの詳細などは未解明な部分 が多いため，今後の研究が待たれる。 参考文献
（1） Kim, E.; Liu, Y.; Leverage, W. T.; Yin, J.-J.; White, I. M.; Bentley, W. E.; Payne, G. F. Context-Dependent Redox Properties of Natural Phenolic Materials. Biomacromolecules 2014, 140408093551003.
（2） W a t a n a b e , H . ; F u j i m o t o , A . ; T a k a h a r a , A . Characterization of Catechol-Containing Natural Thermo-setting Polymer “Urushiol” Thin Film. J. Polym. Sci. A Polym. Chem. 2013, 51（17）, 3688-3692.
（3） Lee, H.; Lee, B. P.; Messersmith, P. B. A Reversible Wet/ Dry Adhesive Inspired by Mussels and Geckos. Nature
2007, 448（7151）, 338-341.
（4） Waite, J. H.; Tanzer, M. L. Polyphenolic Substance of Mytilus Edulis: Novel Adhesive Containing L-Dopa and Hydroxyproline. Science 1981, 212（4498）, 1038-1040. （5） Lee, H.; Dellatore, S. M.; Miller, W. M.; Messersmith, P. B.
Mussel-Inspired Surface Chemistry for Multifunctional Coatings. Science 2007, 318（5849）, 426-430.
（6） Santana-Casiano, J. M.; González-Dávila, M.; González, A. G.; Millero, F. J. Fe(III) Reduction in the Presence of Catechol in Seawater. Aquat Geochem 2010, 16（3）, 467-482.
（7） Nishida, J.; Kobayashi, M.; Takahara, A. Light-Triggered Adhesion of Water-Soluble Polymers with a Caged Catechol Group. ACS Macro Lett. 2013, 2（2）, 112-115. （8） Saito, Y.; Kawano, T.; Shimomura, M.; Yabu, H.
Fabrication of Mussel-Inspired Highly Adhesive Honeycomb Films Containing Catechol Groups and Their Applications for Substrate-Independent Porous Templates. Macromol. Rapid Commun. 2013, 34（8）, 630-634.
（9） Saito, Y.; Shimomura, M.; Yabu, H. Dispersion of Al2O3 Nanoparticles Stabilized with Mussel-Inspired Amphiphilic Copolymers in Organic Solvents and Formation of Hierarchical Porous Films by the Breath Figure Technique. Chem. Commun. 2013, 49（54）, 6081-6083.
（10） Saito, Y.; Shimomura, M.; Yabu, H. Breath Figures of Nanoscale Bricks: a Universal Method for Creating Hierarchic Porous Materials From Inorganic Nanoparticles Stabilized with Mussel-Inspired Copolymers. Macromol. Rapid Commun. 2014, 35（20）, 1763-1769.
（11） Yabu, H.; Ohshima, H.; Saito, Y. Double-Phase-Functionalized Magnetic Janus Polymer Microparticles Containing TiO2 and Fe2O3 Nanoparticles Encapsulated in Mussel-Inspired Amphiphilic Polymers. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6（20）, 18122-18128.
（12） Satoh, H.; Saito, Y.; Yabu, H. Robust Platforms for Creating Organic-Inorganic Nanocomposite Microspheres: Decorating Polymer Microspheres Containing Mussel-Inspired Adhesion Layers with Figure 4 TEM image of Ag nanoparticles and photograph
of aqueous dispersion.
Figure 5 TEM（left）image of a lamellae structured PVCa-b-PSt film containing Ag nanoparticles.
カテコール基含有ランダム・ブロック共重合体の合成とその応用展開 5 Inorganic Nanoparticles. Chem. Commun. (Camb.) 2014, 50
（94）, 14786-14789.
（13） Yabu, H.; Saito, Y.; Shimomura, M. Thermal Nanoimprint Lithography of Polymer Films on Non-Adhesive Substrates by Using Mussel-Inspired Adhesive Polymer Layers. Journal of Materials Chemistry A 2013.
（14） Hasegawa, U.; Moriyama, M.; Uyama, H.; van der Vlies, A. J. Catechol-Bearing Block Copolymer Micelles: Structural Characterization and Antioxidant Activity. Polymer 2015, 66（C）, 1-7.
（15） Siegwart, D. J.; Oh, J. K.; Matyjaszewski, K. ATRP in the Design of Functional Materials for Biomedical Applications. Progress in Polymer Science 2012, 37（1）, 18–37.
（16） Gravert, D. J.; Datta, A.; Wentworth, P.; Janda, K. D. Soluble Supports Tailored for Organic Synthesis: Parallel Polymer Synthesis via Sequential Normal/ Living Free Radical Processes. J. Am. Chem. Soc. 1998,
120（37）, 9481-9495.
（17） White, J. D.; Wilker, J. J. Underwater Bonding with Charged Polymer Mimics of Marine Mussel Adhesive Proteins. Macromolecules 2011, 44（13）, 5085–5088. （18） Isakova, A.; Topham, P. D.; Sutherland, A. J. Controlled
RAFT Polymerization and Zinc Binding Performance of Catechol-Inspired Homopolymers. Macromolecules 2014, 47（8）, 2561-2568.
（19） Saito, Y.; Yabu, H. Synthesis of Poly(Dihydroxystyrene-Block-Styrene) (PDHSt-b-PSt) by the RAFT Process and Preparation of Organic-Solvent-Dispersive Ag NPs by Automatic Reduction of Metal Ions in the Presence of PDHSt-b-PSt. Chem. Commun. 2015, 51（18）, 3743-3746. （20） Saito, Y.; Higuchi, T.; Jinnai, H.; Hara, M.; Nagano,
S.; Matsuo, Y.; Yabu, H., Silver Nanoparticle Arrays Prepared by In Situ Automatic Reduction of Silver Ions in Mussel-Inspired Block Copolymer Films. Macromol. Chem. Phys., in press.
