Bio-based polymer

【バイオベースプラスチック】

20世紀初頭から化石資源由来の高分子材料は社会に不可欠な素材として利用されてきた。しかし、化石資源の大量消費に伴い、資源の枯渇や二酸化炭素排出などの問題が顕在化しており、持続可能な社会を阻む要因となっている。この課題を解決するために、植物や微生物から得られる再生可能資源「バイオマス」を原料とする技術が進展している。現在、バイオエタノール由来のポリエチレンや糖質から生成されるポリ乳酸、ひまし油から得られるポリアミド11、脂肪から生成されるポリ（3-ヒドロキシブチレート）、コハク酸を原料とするポリブチレンサクシネート（PBSu）、さらに糖質を基にしたイソソルバイドを原料とするポリカーボネートなど、多様なバイオベースプラスチックが商業化されている。今後の高分子材料の発展において、バイオマス資源の活用は不可欠なテーマであり、特に食料との競合を避け、安価で豊富な非食用バイオマスの利用が求められている。注目される化合物のひとつにフルフラールがある。

【非食用バイオマス化合物としてのフルフラール】

フルフラールはフラン環の2位にホルミル基を持つ含酸素芳香環化合物である。ヘミセルロースを加水分解し生成される五炭糖を脱水反応させることで得られる非食用バイオマス化合物である。1921年、Quaker Oats社が大麦ふすまを原料とした工業生産を開始し、化成品原料として利用されてきた。その後、1940～1960年にはフラン樹脂の製造やナイロン6,6の前駆体であるアジポニトリルの生産が活発化した。しかし、1950年代の石油化学産業の台頭により、価格競争力を失い、利用は減少した。現在、フルフラールは主に鋳型バインダーに利用されるフラン樹脂に使用されており、年間約50万～100万トンが生産されている。価格は1～3ドル/kgと非常に安価である。

【フルフラールを基にした汎用高分子と機能性高分子の開発】

私たちの研究では、フルフラールを原料として以下のモノマーを合成し、高分子材料を開発している：

汎用高分子モノマー：汎用高分子のモノマーとして生産されている，1,4-ブタンジオール，コハク酸，マレイン酸無水物，フタル酸無水物，テレフタル酸無水物をフルフラールのみから合成した。これらを使うことで，生分解性高分子であるポリブチレンテレフタレート（PBSu），熱硬化性樹脂である不飽和ポリエステル，汎用プラスチックである汎用プラスチックであるポリエチレンテレフタレート（PET）のバイオマス化を達成できる。
機能性モノマー：Diels-Alder（DA）反応を利用することで，生分解性ビルディングユニットであるOBCAを開発し，その生分解性高分子であるポリオキサビシクレート（PBO）やその共重合体（P(BS-co-BO)）を開発している。また、OBCAを硬化剤として利用し耐熱性を強化。
ビフラン骨格：ビフラン骨格はフラン環の特徴を強化する構造であり、耐熱性、光学特性、およびπ共役による剛直性の向上が期待される。