本間善夫・吉田真理子* Development of a Program for Learning Dyeing Chemistry (Part 1)

本間善夫・吉田真理子*

Development of a Program for Learning Dyeing Chemistry (Part 1) Yoshio Honma and Mariko Yoshida

1、はじめに

 寺野ら1｝は種々の情報媒体の表現の正確さの順（客 観性・論理性の順）を，①数式，②文字，③言葉，④ 芸術，⑤態度，⑥テレパシー，としており，特にく図〉

の位置付けはしていないが，共通認識を有するメソ バー間では，巧みな〈図〉，〈シェーマ＞2，は極めて有用 な情報伝達能力を持つと考える。情報機器の発達によ り，シミュレーションやCGなどを駆使した広義の

〈図〉の役割は今後一層重要になるであろう。

 分子式に象徴されるように，化学は自然科学の中で も視覚的要素が重要な分野といえ，物質と物質の相互 作用や変化の様相などを，考え抜かれた〈図〉で表現 することが，その現象の理解に寄与することは少なく

ない。

 分子の表現一つを取ってみても化学式，示性式，講 造式というテキスト的・記号的な衷現から，最近はよ り〈シェーV＞的な分子モデルというグラフィックな 表記を多用3・ ・S｝するようになってきており，統括的で 直感的な理解が得やすくなっているeこの背景には 様々なメディアの発達と，MM2G）に代表される分子科 学計算ηの飛躍的な進展がある。パソコソレベルでか なりの計算が可能になり，最近は分子間相互作用の計 算も可能になってきてS），単なるく模型〉ではない分子 モデルによる様々な現象の表現が一層身近になりつつ

ある。

 そのような背景の中で，著老は既存分子モデル組み 立てプログラムを改変したCAMD−l plus（以下

plus）9・1°）をフリーソフトウー：［アとして公開した。さら

に，Plusで組み立てた分子モデルを自作BASICプロ グラム中で自由に表示して教材等を作成できるように サブルーチソ化し，rCAI作成用BASICサブルーチソ 集』（以下『サプルーチソ集』）に登載して頒布を開始

現在の所属：紺藤整染株式会社生産部商品開発G

した11）e

 ここでは，そのサブルーチソプログラムの利用例と して，分子一分子の相互作用の好例である繊維一染料の 結合状態を分子モデル図で示すことなどにより，染色 化学の一端を理解してもらうプログラムを作成12）した ので報告する。なお，一本プログラムは『家庭科CAIシ ステム《オイコス》』ユ帥（以下『オイコス」）に登載して 公開している。

 染色化学領域における飯島による総St 14）では，染 浴／染色平衡／染色速度／繊維構造と染色性／染色の モデル系等の項目立てになっているが，今回のプログ ラムでは繊維・染料の構造と染色性の基礎を視覚的に 呈示することを主な目的としている。また，同領域で も分子科学計算によるシミュレーショソが行なわれる ようになってきた喝が，、ここではあくまで単純な模式 図を用いていることを付記しておく。

2．プログラムの概要

 『オイコス』はN8B一日本語BAS工C（86）を用いて開発 した習作的プログラムを集めたものであり，NEC PC

−9801シリーズバーソナルコγピュータおよび互換機 で使用可能である。なお，本作は『サブルーチγ集』

のうち，分子表示サブルーチンのみ用い，コメソト表 示サプルーチソを利用していないためにプログラムが 長くなっており，この点は今後改良予定である。

 本報のプログラムは起動時のメイγメニ＝一で「染 料と繊維の世界」を選択すれぽ利用できる。詳細は実 際のプログラムに譲り，ここでは画面に呈示される図 のいくつかを抜粋して示し，概略を述べるにとどめる。

 プログラムが起動すると以下のメニ＝一が示され，

利用者が任意の項目を選んで学習できるようになって

いる。

   （1） 各種染料の分類→構造と特徴    （2） 繊維の分類

県立新潟女子短期大学研究紀要 第31集 1994

（3） 繊維と染料の適否

（4） 繊維への染料の扱荘のしかた

（5）繊維と染料の1／0値（有機概  念図）

（6）終了

 以下では，上記のうち（3），（1），（4），（5）

の順に簡単に説朗する。

 現段階では代表的な系のみ取り上げ，す べての繊維一染料系を綱羅していないため，

今後の追加を検講中であるが，いくつかの 系については，結合状態の図示が可能な普 遍的な文献情報が得られない揚合もあり，

このようなtt？］gの難しさを感じている。

 図1に（3）の代表的な繊維一染料系についての 染色の可否の表を示す。この適・不適が必ずし も当てはまらない染料があることに注意を要す

る。

 図2−4には分子モデルによる説明部分を抜 粋して示した。各分子モデルはplusおよび複数 の分子モデリソグプログラム：G・17）を活用して組 み立た後，plUS用に変換した。本論文の図は説 明の都合上，プログラム実行賭の表示と若干異 なっている。

 Pt 2 et （1）で示される各種染料の特徴・講造例 のうち，直接染料の場合を承したものである。

直接染料には細長い平板上構造を持ち，−SO，

Na基と一N葛基がその平板の反対側にあるも のが多いが，そのような蒋徴が3次元的な球棒 分子モデル図によって篤単に把握できる。

 ただ，表i現が統一されている分子式と異・なり，

分子モデルの表現は統一しにくいという問題が あり，多くの分子モデルソフトウェアの問でも 原子球に異tった色・模様を与えているという 状涜にある。つまり，100あまりの元素を記号（最 大2字の元素記号）で表わすことは容易である が，色・模様で区別するのは至難ということで ある。化学者によってよく用いる元素が異なっ ているので，機本的な統一は無理としても，少 なくとも有機化学の分野ではよく用いる元素種 はかなり限られているので，ある程度の基本方 針作成は可能ではないだろうかe因みにアトキ ソスのr分子と人問」ではH，C， N，0， F，

『繊維と染料の適否』

       纏適  田やや適  ・不適

   繊維 料

木絹 レ‡フ ナ ビ ボア ア ポ ポ ポ ポ

@    ニ  リ  ク  ク  リ  リ  リ  リ綿 ・ 1ユセ イ

笥95罫暴鶴言     ル     ニ ン レ ン         レ   、

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図1 繊維と染料の染色の適否の表（原図はカラー）．

（a）

①P？一基 （−N＝N−） e S体にした平板状の購造をとる。

⑫ZsVW酸塩←sesNa）などの水溶性基を必ずもつ。

③ベンゼン．ナフ9し）などの芳香環による長い連鎖の共役二重結合がある。

      〔−C＝C−C＝C−C＃C−）

命◇◇◇φ◆◇Φ 直｝s灘薯 ◇φ◇φφφΦφ

Direct Red 2 Direto R巳d 28

（b｝

Direct Bleck 19

OH㊥C eN●O㊧F●Nnep⑱S、⑭゜1㊥モの他

（c）

図2 直接染料の構造の特徴（a）と代表例（b）を示す画面．

（c）に原子球の凡例を示す．原図はカラーであるが，

plUSの原子球タイリング表示機能により，モノクロで も識別可能となっている．SCREEN， VIEW文で分子を 表示しているたあ，分子の大きさのスケールが不統一 であるが，今後改良予定である．

P，S， Clを8色（その他は適宜）で区捌しており，多  MODRAST（plusと分子データの互換性あり）ls）標準 くの厨究巻に利用されている中野の分子プログラム  版ではH，C， N，0， S（CI），その他，の6色（変更

6

可）で区別し，plu8は図2（c）のようにモノクロ で10種の区別（プログラム改変で変更・追加可 能9〕。また原子球の空白出力もできるので，プリ

ソトアウトを自分の好きな色に塗ることもでき  る）をしている。色彩は人間に強いインパクト を与えるので19〕，同じ分子を異なった配色で呈 示することは，利用者に無駄な翻訳作業を強い

ることになると思われ，早急な検討が必要と考 える。また，−SO3Naのような塩のイオソ結合の 表示をどのようにするかも問題であり，共宥結 合と同じにする揚合5）や結合の捧を省略する場 合4）などがある。アソモニウム塩やピリジニウ ム塩等は特に注意を要するだろう。

  図3には特殊な染法を採るナフトール染料に ついて，染色中の一連の反応をまとめて示した。

化学量論的な関係を理解してもらうには，反応 過程を分子モデルで示すほうが，分子式による 反応式より勝っていよう。

 図4に繊維一染料の結合模式図をまとめて示

・した。繊維一染料の結合力にはその組み合わせに  より，共有結合，イオン結合，配位結合，水素

㊤β一幽phtholは難溶のため、水溶牲のア励t塩にする

  β一NvaPhthol      β・−rgaPht旗pi塩

②顕色剤のへ ・−1をプアゾニウム化合物（VDト）にする

籍乾

灘

憶杯

尉

論

肌る 伽

潰す下色幽を発 o騨駿

③

 Para Red

＝不溶性アゾ染料＝

図3 ナフトール染料のカップリング反応を示す画面をまと    めたもの．塩酸やジアゾニウム塩の表現については再    検討中．

結合，分散力結合等様々なものがあり，単一あるいは 複数の結合様式により吸着している20）6通常その結合 は一般式による反応式で表現されるが，・図のように分 子モデルで示すことで明解なイメージを得るζとがで きる。また，繊維高分子の高次構造も同時に示すこと で，染着座席についての高度な情報も提供できる。つ まり，染料はその分子サイズから考えて高分子中の非 晶領域に吸着しているとされ，より具体的には増子・

米竹によりモザイクプロヅク染着モデル21｝が提唱され るなどしているが，多くの実験成果から類推されてい る吸着状態を視覚的に呈示することは意義深いものが あろう。なお，同モデルで示されるような模式図は，

『サプルーチン集』中の自由画表示サブルーチソ（マ ウスで原画作成）とコメソト表示サブルーチソを用い れば，バソコソ画面に容易に表示可能である。

 上述の目的に沿って図4を作成したが，ここでは plUSの水素結合表示機能，高分子表示機能が威力を発 揮している。なお，2つの分子モデルを，相互の位置 を微調整して1つの分子データにする際には，

MOLSユηの水素結合形成機能（結合距離22）をチェック しながら結合形成できる）を利用し，plus添付の分子 データ変換プログラム9）でplus用データとした。

 図2〜4は分子モデルによる呈示であり，その理解 には分子の概念の習得が必要であるが，その習得に役

立つものとして『有機概念図』23）hSある。有機化合物の 諸性質を，その構成炭素数・置換基から算出する有機 性・無機性という値から類推するものであるが，本プ ログラムで取り扱っている染料・繊維についての計算 結果を表1と図5に示した（プログラム中では表示さ れない）。有機概念図は，その理論的背景について最近 凝集エネルギーの観点から論じられている24）ほか，染 色化学の分野もでしばしば利用されている25・2G）。本研 究室では有機概念図の最新の成果も取り入れてソフト

ウユア化しており2η，表1の数値もこれを用いて算出

した。

 今回のブPグラム中では，染着可能な繊維一染料系の 一部について有機性（0）・無機性（1）の比，1／0の 対数値を図示したにとどめた。1／0値は分子の親水 性・疎水性の目安としてよく用いられ，値演大きいほ ど親水性が大きいとされている。図5でも染色可能な 系（繊維は重合度の問題があるので実線で傾きのみ呈 示）は1／0が近いことを見て取れるが，極めて局所的 な基が結合に関与する場合等もあるので，有機概念図 で染着性を論じるには，各繊維の微細な高次構造も含 め，より高度な実験成果の積み重ねが必要であろう。

3，ま と め

分子モデルや有機概念図を用いて，染色化学の初歩

県立新潟女子短期大学研究紀要 第31集 1994

を理解してもらうためのプログラムを作成し た。利用者は，バソコソ画面に表示される染 料群や，繊維一染料の結合状態の図を見ること で，ミクロな分子の世界の有様を垣間見るこ とができる。薬理物質，甘味物質，毒物等の 生物活性が構造活性相WU2S）という手法で解析

されてきた例にもあるように，分子一分子の相 互作用を分子構造から論じ視覚的に理解する

ことは，今後も様々な分野で一層重要になっ ていくであろう。

 グラフィック情報は表現が直接的であるた めに，『見てきたような嘘をつき』といった印 象も拭えず，時には誤った表現を真実と信じ 込ませてしまう危険性もある。しかし，見え ないものを見えるようにしようと多くの解析 手段を編み出してきた営みが無ければ，本プ ログラムを作成し得なかったのも事実であ

る。

 分子の概念の無い古代から，人間の知恵に より，繊維が多くの染料により無数の色に美．

しく染め上げられてきており，現在は化学の 発達で染料・色素を分子設計的手法で新規に 合成できるよう1：な oた。そのような文化 的・科学的背景を，分子という概念で統括的 に眺望できるようになれば一層興味深いもの になると考える。今後もその目標に沿ってプ ログラムの改変に取り組み続けたい。

4 ，．そ の他

 本文申でも述ぺたように，構造の複雑な染 料や高分子の結晶構造の組み立てとその結合 図の作成は，複数の分子モデリソグブPtグラ ムを駆使して初めて可能であった。この分野 のプログラムの進歩は盛んで29・3°），今後は一 層簡便になるであろう。また，組み立てた分 子構造の信頼性を高めるための拙造最適化ズ ログラム31）も身近になったので，その利用も 促進中である。

 fオイコス』中には，複数の色彩関係のプロ グラムs2）や，本プログラムと同様な手法で衣 服の洗浄を説明する「ラソドリーとドライク

図4 繊維一染料の結合状態の模式図：（a）セルロース繊維一直接染料［主に水素結合と考えられてい6］；（b）

   毛一塩基性染料［主にイオン結合］；（c）ナイロンー酸性染料［主にイオン結合］；（d）セルロース繊繕反    応染料［主に共有結舎ユ；（e）ポリエステルー分散染料［主に分散力］

8

表1 プログラムで扱っている繊維・染料の有機性・無機性の計算結果．

繊維名／染料名（CI，名or慣用名） 分  子  弍 有機性 無機性 ^1／0 セルロース（綿，麻，レーヨソ）繊維 一［C、且，0、（OH）、］バ 120．0 350．0 2，9工7

毛絹 一［Cys．u70THERS、日5！］バ 90．2 253．9 2，8工5

一［GI｝㌃4 50THERS．55日］n一 61．5 22荏．3 3，647 アセテート 一［C昼H702（OH）軌5（OAc）a5jn一 _{220．0 250．0} L136

トリアセテ・一ト       ． 一［C、H，O、（OAc）、］バ 240．0 230．O 0，958

ナイロソ6 一［NH（CH、）、CO］バ _120．0 200』 ^1，667

ビニロソ 一［CH2CH（OH）（C5H802）巳三］n一 _{90．0 125．O ユ，389}

ポリエステル 一［OCO（C6H4）COOCH呈CH3］n一 200．0 135．0 O，675

アクリル 一［CH2CH（CN）］バ 80．0 70．0 O，875

ポリ塩化ビニル 一〔CH，CHC1］ゴ 80．0 10．O O，125

ピニリデン 一［CH2CC12］バ 120．0 20．0 O，167

       1￨リエチレソ畳畳畳−−畳ロロロ・畳畳畳畳−−凸置置置畳曹畳・凸・置・畳一畳凹邑Lむ一レむ曹凸凸凸■1畳畳畳畳畳−冒畳匿・・畳曹 一［CH、CH、］バ響■■・畳畳−■置■・畳畳畳■■置畳畳畳凸−畳畳畳畳−凸凸邑畳畳邑邑置畳畳−凸置置畳曹■邑邑暫」畳   40．0」  凸  L 一 曹 一  凸  凸 亡 ・  邑  一 1   0．O  セ 由 ＿ 凸  山  」 也 一    」  ■  O．OOO 山  山 一 曽 凸 」  山 一    凸 ・ 凸

染料（［］は部属） 一

［直  接］Direct Red 2 C34H2806N5S2Na2 ^{680．0 1780．O 2，618}

［直  接］Direct Red 28 C32H2205S2Na2 640．0 1850．O 2，891

［直  接］Direct Black 19 C34H2707N1ヨS2Naコ 680．O 2190．O 3，221

［直  接］Direct Yellow 59＃ C31H田05N、S呂 460．0 955．O 2，076

［塩基 性］ Basic Oralコge 2 C12H13N4C1 240．0 530．O 2，208

［塩基性］Basic Violet 14 ^{C，。H，。N誹Cユ} 400．0 586．0 1，465

［塩基性］Astrazon Red 6B Cε HggN3C1 520．0 557．O 1，071

［酸  性］Acid Orange 7 C1匠H、20、N2SNa ^{320．0 955．0 2，984}

［酸  性］Acid Blue 45 C14H臼01。N2S3Na2 280．0 2075．0 7．4U

［酸  性］Acid Blue 138 Cヨ2H3。08NコS3Na歪 640．0 1890．0 2，953

［酸  性］Acid Ali2arine Blue GR C1点HgO12N2S2Na3 ^{280．0 2275．0 8，工25}

［酸  性］Milling Blue G C、1H2BO】。N S2Na， 820．0 2280．0 2，780

［酸性媒染］Mordant Red ll  r

C、4H呂04 28⑪．0 435．O L554

［酸性媒染］Mordant Yellow 1 C13H805NヨNa ^{330．0 880．O 2，667}

［媒  染］Mordant Black 3 C2。H1305N2SNa ^{400．0 1100．O 2，750}

［硫   イヒ］Sulfer Blue 9 C2aH2。05N4S5 ^{760．0 960．0} L263

［建  染］Vat Ye110w 1 C2EH1202N， ^{560．0 500．0 0，893}

［建  染］Vat Yellow 3 C2昼H、802N2 560．0 665．0 ユユ88

［建  染］Vat Green 8 ^{C〒αH26α。N} 1400』 ^{1515．0 1，082}

［建  染］Vat Blue 1・ C、駐HmO、N2 320．0 322．0 LOO6

［建    染］ 〔ユ1．1099 C訓H1602 ^{680．0 445．0 0，654}

［可溶建染］工ndigosol O C1旺H、。0呂N2S2Na3 ^320．0 1800．0 5，625

［可溶建染］』Anthraso1βlue IBC C2日H〒016N2S2CI2Na3K3 ^{640．0 3460．0 5，406}

［ナフトール］Para Red C2。H1、O凡 ^{400．O 250．0 0，625}

［ナフトール］Scarlet C2」｛1日0、N、 550．0 490．0 0，891

［分  散］Disperse Orange 3 C1、H1。02N4 ^{310．0 200．0 0，645}

［分  散］Disperse Violet 1 Cヨ4H、。02N2 ^28⑪．0 375．0 L339

［反  応］Reactlve Red 1 ClgHΣ007N臨S2CI2Na2 ^{460．O 2020．0 4，391}

［反  応］Reactive Red 17   一 Cコ。Hlρ、N5SC』Na ^{520．O 121G．0 2，327}

［反  応〕Reactive Red 1 C、，H1、0、N3S，Na 440．0 1015．0 2，307

［反  応］Rrocillyl Dye CL5Hl902N〒C1 ^{400．0 635．0} L588

［酸  化］Aniline Black C56H、7NHCla 1320』 ^2150．O L629

＃アンモニウム塩として計算

県立新潟女子短期大学研究紀要 第31集 1994

35②⑭

3⑭む⑭

25臼⑭

州2⑦臼⑦蕪

IH1 15の⑦

ユ⑭⑳ー

5②⑦

②

5⑭㊧

有機性 1吻㈱

t胴一ス

（綿，麻レーヨン）

     8）

染料部属

：ll畿

；界三藩

ポリ］畝テル

 ビ二り7 ン

 ポ1塩化ビユ

 →ポり1チレン 15⑭㊤

図5 プログラムで扱っている繊維・染料の有機概念図．

り一＝ソグ」33｝も登SIN Lrており，生活の中の化学を楽し く学ぺるようになっているので，多数の利用を期待し ている。試用希望者は筆者までファクシミリ（短大l FAX O25−・270−5173）でお問い合わせ下さい。

 最後に本プログラムの開発に至るまでに，様々なプ ログラム作成で尽力してくれた県立斬潟女子短期大学 家政科被服専攻の卒業生一同に深く感謝致します。

 文   献

1）寺野寿郎 監修，「あいまい工学のすすめ」，

  P．39， 言最談社プtレ 一ノくックス（1981）

2） シューrアについては例えば以下の対談が興味深   い；金子筋・養老孟司，対談「形とはなにか」，

  現代思想，1992年11月号（『形とはなにか【モル   フtロギーからの視点】』特集号），p．40 3）例えぽ「化学便覧」の最新版はカラー分子モデ   ルの掲載を一挙に増加させた；日本化学会編，

  「化学便覧 基礎編II 赦訂4版1， p．668 一一，

  ：ナL善（1993）

4） カラー一一分子モデルと写真で分子の世界を棚観で   きる好著として；アトキソス著，千原秀昭・稲   葉章訳，f分子と人間」，東京化学同人（1990）

5） 手軽な入門書としては；上野景平，「これが正体   身のまわりの化学物質」，講談社ブルーパヅクス   （1991）

6） ブルケルト・アリソジャー著，大沢映二・竹内   敬人訳，f分子力学」，啓学出版（1986）

7） 分子科学計算の概要については例えば；時田澄   男，化学とソフトウェア，15，1（1993）

︶

9

工0）

11）

以下のソフトウ＝アでは分子構造最 適化計算や分子間の位置エネルギー 計算も可能で，例えばDNAと薬剤 分子との挿入複合体の取り扱いも可 能である；中田吉郎・藤沼一信，「コ ソホメーショソ解析による生体分子 の立体設計（最薪MMHS）」，サイヘ ソスハウス（1991）

本間善夫，化学PC研究会会報，

13（4），325（1991）；化学ソフトウェ

ア学会無償利用ソフトウニア

9208（1992）

本間善夫，イヒ学と激育，40（9），

624（1992）

本間善夫，化学ソフトウ＝ア学会無 償利用ソフトウェア 9234（1992）：

  詳細は∫Chem． s②伽o把に掲載予定

12） 吉田真理子，1992年度県立新潟女子短期大学衣   生活科学研究論文

13）本間善夫・森川英明，日本家政学会第45会大会   石千究発表要旨集， p．257（1993）

14） 飯島俊郎，繊学誌，40，P−180（1984）

15） 例えぽMD， MMにより反応染料の会合体をシ   ミュレートした研究として；原田尚樹，染色工   業， 40， 262（1992）

16） MOLDA4にっいては；化学ソフトウ＝ア学会   編，「実践・パソコソ分子科学計算」，p．4，サイ   エソスハウス（1992）

ユ7）MOLSにっいては；笹田義夫，「実例バソコソ   高分子の組み立て」，講談社サイエンティフィク   （1ggo）

18） 申野英彦，「分子グラフィックス」，サイsンス   ハウス（1987）

19）例えぽ；吉本隆明，「色彩論」（『吉本隆明講演   集・敗北の構造1収録），弓立社（1989）

20） 詳細は例えば：黒木宣彦，「染色理論化学」，横   書店（1966）

21） 例えば；米竹孝一郎・増子徹・青砥浩一・真島   正樹，繊学誌，41（7），T−290（1985）

22）水素結合距離の一般値については；文献3），

  P．727

23） 甲田善生，「有機概念図 一基礎と応用一」t三   共出版（1984）

24）S．Saito and M． Matsuo， Cheinosphere，27，

  851（1993）

一10一

25）文献20），p．66

26） 染料分配係数を有機概念図から説明した最近の   例がある；文献15），p．266

27） 他のプログラムとまとめ，『実験データ処理パッ   ク』として公開；本間善夫，化学とソフトウェ   ア，15（3），23ユ（1993）；化学ソフトウ＝ア学会   無償利用ソフトウェア9310（1993）

28） 詳細は例えば；構造活性相関懇話会編，「化学の   領域増刊136号薬物の構造活性相関［II］」，南   江堂（1982）

29） 現状については；化学と教育，41（1），26（1993）

30）近作MOLFIGにっいては；岸本敏始・西本吉   助，化学ソフトウェア学会 93研究討論会講演要   旨i集，p．40（1993）

31）例えぽMFOについては；化学ソフトウェア学   会無償利用ソフトウ＝ア9122（1992）；詳細は，

  文献8）参照

32）例えば；岩佐佳，1990年度県立新潟女子短期大   学衣生活科学研究論文

33） 本間明子，1992年度県立漸潟女子短期大学表生   活科学班究論文