【大学の高分子科学】重要な高分子の分類方法3選

化学

こんにちは!それでは今回も化学のお話やっていきます。

今日は久しぶりに高分子をやっていきます。

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高分子の分類方法を知ろう!

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動画で使ったシートはこちら(polymer distribution)

本当はもっといろんな分類法があって、例えば鎖の硬さで分類する方法とかあるんですが、とりあえずは手元の本に則ってここまでをやっていきたいと思います。

では参ります!

合成高分子と生体高分子

まずは化学的な合成によってできる高分子と生体由来の高分子の違いについてみていきましょう。

まずは、その例ということで、合成高分子はポリエチレンポリスチレンなどが生活でもよく見かけるものになります。

ポリエチレンは買い物袋やお弁当の蓋とかで、ポリスチレンは言うまでもなく発泡スチロールです。

あとはCDやDVDのケースもポリスチレンですね。

高分子はポリなんちゃらとか言ってると長くなるので、アルファベットで略して表記することが多いです。

ポリエチレンならPE、ポリスチレンならPSと表しますので、ぜひ知っておいてください。

さあ、それらに対多糖して生体高分子にどんなものがあるのかというとDNAやRNAがある核酸とコラーゲンやアミラーゼなどのたんぱく質、でんぷんやセルロースなどの多糖が代表的なものになります。

それぞれの構成要素はヌクレオチド、アミノ酸、単糖になります。

分子量

そしてこれらの違いがどんなところに見られるのかということですが、まず分子量が挙げられます。

とは言ってもどちらでも長い分子もあれば短い分子もありますので、大きさの話ではありません。

ここでは分子量の分布が問題になります。

まず簡単なのは生体高分子で、基本的に単分散、すなわちある特定の分子量を持つものしかできません。

それに対して合成高分子では分子量に分布があり、完全な単分散の試料を得ることはできません。

つまり分子量10万の高分子を作ろうとしても10万5000や9万5000など近い大きさのものも混ざったものしか得ることができないということになります。

その理由は分子量と物理的性質の関係にありまして、例えばメタンとエタンのように低分子の場合は沸点や溶解度にある程度の違いがあります。

しかし大きな分子になってくるとそれが1000量体だろうと1001量体だろうと物性はほとんど変わらなくなっていきます。

その結果、特定の大きさの分子だけを単離することができず、混合物になります。

合成によって純粋な物質が得られないというのが化学(chemistry)と高分子科学(polymer science)で大きく違うことでして、当初はそこが化学者の反感を買いました。

高分子の分子量を議論する場合には平均分子量分布がどれだけ広がっているのかということを考えます。

そして今では、分子量分布の狭い高分子を作るリビング重合という合成法が多く確立されています。

配列制御

では続いての違いは分子の配列です。

これは2種類以上のモノマーがあるときにどのような並び方の法則が見られるのかというものです。

生体高分子の場合、でんぷんやセルロースなどの単純な多糖を除いて、核酸やたんぱく質ではその配列がほぼ完全に制御されています。

核酸の鋳型がすでに存在していて、その情報から分子が作られます。

その過程でたまにミスも起こるんですが、触媒となるたんぱく質、すなわち酵素には間違えたらやり直す機能があるため、最終的にミスが残ることはほとんどありません。

しかし、完全にミスを取り除けるわけではなく、それががんなどの遺伝子の異状や突然変異につながります。

対して合成高分子ではここまでの配列制御はできておらず、ざっくりとしか制御することはできません。

分子の形状

そして続いての違いは分子の形状です。

どちらでも線状、すなわち分岐がない一本の高分子が多く見られますが、もちろんそれだけではなく、生体高分子では日本のお米に多く含まれるアミロペクチンのような枝分かれ構造や原核生物の環状DNAなども見られます。

合成高分子においてもレジ袋に使われるポリエチレンは枝分かれが多い構造を持っていますし、環状も例は少ないですが合成例があります。

そしてゴムに代表される高分子網目構造もあります。

高分子が担う役割

最後に高分子が担う役割の違いがあります。

ここに挙げたものが全てではないですが、まず合成高分子の役割は衝撃吸収、軽量化、接着、絶縁、コーティングなどがあります。

高分子はエネルギーを熱として分散させることができ、その軽い質量の割に耐衝撃性や引張強度が大きいという特徴があります。

これにより、自動車や飛行機の部品が金属から高分子に変わってきています。

そして生体高分子の役割なんですが、合成高分子にはないユニークなものがたくさんあります。

触媒、情報の保存と伝達、細胞や組織の骨格維持、細胞認識に用いるための目印、そしてオートファジーというのが有名ですが、いざというときには分解することでエネルギーに変えることができます。

特に特徴的なのはやはり分子に情報を書き込むことができる点で、高い精度での配列制御によってそれが可能になっています。

単独共重合体と共重合体

はい、それでは今度違う高分子の分類法についてみていきます。

紹介するのは単独重合体共重合体です。

高分子を構成する最小単位が1種類しかないとき、それを単独重合体と呼び、2種類以上のモノマーからできるものを共重合体と呼びます。

先ほども言った通り合成高分子の配列制御は生体高分子に比べるとかなり大雑把であり、その並び方の特徴からさらにこのように分類されます。

ここでは2種類のモノマーをA、Bと表すことにしています。

ABABという風に交互に違うモノマーが連なるものは交互共重合体と呼びます。

そしてAAAABBBBという風にAが連続した部分とBが連続した部分があるものはブロック共重合体といいます。

Aが3個つながったらBが1個着てまたAが3個というように周期的な配列を取る場合は周期共重合体と呼び、ルールがなくばらばらにつながっているものはランダム共重合体といいます。

生体高分子である核酸やたんぱく質も共重合体の一種であり、それぞれ4種類のヌクレオチドと20種類のアミノ酸の共重合体になります。

結合様式による分類

では今度、結合様式から見た分類法を見ていきます。

ここではモノマーの化学的な構造には注目せずに分子の形にのみ注目します。

まず1つ目が最もシンプルな線状高分子です。

身の回りでいうとPETボトルでおなじみのポリエチレンテレフタレートや発泡スチロールのポリスチレンがそうです。

そして、別の形状として環状高分子があります。

ただこれにはあまり種類がなくて合成で作るのは難しいとされています。

わっかを作るためには一度長い分子を作った後に両端を反応させる必要がありますが、長くなるほど両端が出会う確率が下がるため、大きなわっかは作りにくいです。

それでもいくつかの合成例は報告されています。

そして生体高分子としては大腸菌などの原核生物やミトコンドリアなどのDNAが環状になっています。

今いる真核生物のDNAがなぜ線状分子になったのかというのは遺伝学でいろいろな説が提唱されていて、より高度な生物となるためには大きなDNAが必要になるので、それを細胞核に収納するためにはたんぱく質に巻き付けやすい線状がよかった説、ミトコンドリアやウイルスのDNAを自らに取り込んで進化するために線状のほうが都合がよかった説などがあります。

はい、では続いての形状が分岐高分子です。

分岐高分子はさらに分岐の仕方によって分類がありまして、まず分子内で1つの分岐点しか持たないものは星形高分子と呼びます。

そして一本の鎖を軸としてその中だけにいくつもの分岐点を持つものは櫛形高分子といいます。

ここで共重合体の分類であえて紹介していなかったんですけど、こんな風に主鎖にはAが連続していてそこにBが連続して鎖が何本もつくという櫛形の共重合体はグラフト共重合体と呼びますので知っておいてください。

それで、別の分岐高分子には適当に分岐ができているランダム分岐高分子のほかに、高度に架橋点が密集したハイパーブランチポリマーというものがあります。

そして、それと似て非なるものとして、中心を持っていてそこから規則正しく高度な分岐構造を持つ高分子のことはデンドリマーといいます。

モノマーに使うのは3官能基型だとこのような形をしていてAB間で結合が形成されます。

モノマーの中に分岐点があるので分岐点間の長さは全て同じになります。

それでこれが形状での分類の最後です。

1つの分子が網目をつくるという網目状高分子です。

もっとも一般的なのは天然ゴムに硫黄を反応させて架橋させたゴムです。

この網目は全体でつながっているので、めちゃくちゃでかい1つの分子だということになります。

輪ゴムは1個で1つの分子です。

ここまで大きくなるともはや分子量による物理的な性質の違いは生まれず、架橋点を結んだその間の長さの平均やその分布、鎖の硬さや可塑剤として混ぜられる低分子の存在によってその力学特性が変わることになります。

そして、網目状高分子のちょっと変わったパターンとしては2種類以上の異なる網目状高分子が互いに組み込まれて外れなくなった、相互侵入高分子網目、通称IPNと呼ばれる系があります。

一方だけをある反応で分解したり、会合系ネットワークにすることで材料の力学特性を複雑にコントロールすることが可能になります。

接着剤や増粘剤などで研究が盛んにされている分野でして、かなり実用的ですが、やっぱり難しいので言葉だけでもと思って紹介しました。

まとめ

はい、それでは今回の内容はここまでですので最後軽くおさらいをやって終わります。今回は高分子の分類というテーマでお話ししました。

紹介した分類方法は合成高分子か生体高分子かというものと、単独重合体と共重合体という違い、そして分子の形状による違いでした。

合成高分子と生体高分子では分子量分布と高分子が担う役割が決定的に違いまして、実験室で生体高分子と全く同じものを作ろうと思ってもとてつもない手間をかければできるかもしれませんが、基本的には無理だと思ってください。

それで、構成するモノマーが1種類の場合は単独共重合体、2種類以上の場合は共重合体と呼び、その配列によって交互共重合体、ブロック共重合体、周期共重合体、ランダム共重合体、グラフト共重合体などの種類があります。

結合様式としては線状高分子、環状高分子、分岐高分子、網目状高分子があります。

分岐高分子にはさらなる分類として星形高分子、櫛形高分子、ランダム分岐高分子、ハイパーブランチポリマー、デンドリマーなどがあります。

網目状高分子の中には2種類以上のネットワークが互いに組み込まれて外れなくなった相互侵入高分子網目、通称IPNと呼ばれるものがあり、力学特性を複雑に変化させるなど高機能な高分子材料の研究がなされています。

それではどうもありがとうございました!

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