[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

高分子と低分子の間にある壁 1:分子量分布

[スポンサーリンク]

Chem-Stationを閲覧されている方は「有機化学」の分野の方が多いように思います。
「有機化学」というと慣例的に有機”低分子”を扱う化学とされ、”高分子”を扱う「高分子化学」とは区別されています。

筆者は大学~社会人の数年間は「高分子化学」に携わっていたのですが、異動になり、今は「有機”低分子”化学」を主に扱っています。
両者を経験してみて、その間にある壁の存在を改めて感じましたので、一般的かどうかはわかりませんが、筆者の経験談として紹介したいと思います。


紹介が遅れましたが、スタッフとして新しく入りましたきのんと申します。
今後とも、よろしくお願いいたします。この記事が私の最初の記事になります。

 

2つの分子量 ~数平均Mnと重量平均Mwは何が違う?~

分子量分布は高分子化学の教科書の最初の方に出てきますが、これがまた低分子ばっかりさわってる人にとっては厄介な概念であるかもしれません。
低分子では十分に精製して単一分子として議論をすることが多いため、様々な分子量の分子が混ざっている高分子を直感的に理解することができないようです。

高分子化学では数平均分子量Mn重量平均分子量Mwという2種類の分子量があります。
(ほかにもいっぱいありますが、基本はこの2つです)
低分子のように単一分子であれば、MnとMwが一致し、分布を持つと必ずMn<Mwとなります。
よって、Mw/Mnの値が大きいほど分布が広く、小さいほど分布が狭い、1に近づくほど単一分子、ということになります。

では、なぜこの2つの分子量MnとMwを使い分けているかというと、ざっくり言ってしまえば、Mnは計算用、Mwは物性議論用です。

極端な例として、分子量1,000の分子と1,000,000の分子が同じ”数”だけ入っている高分子で考えます。

1g中に何molの分子があるか?と言われたら、

1000*(x/2)+1000000*(x/2) = 1ですから、
x = 1/500500(=1.998E-6)になります。

一方、数平均分子量は、それぞれの分子の(個数)存在比は1/2ですから
Mn = 1000*(1/2)+1000000*(1/2) = 500500
となり、1g中何molかという計算をMnを用いて計算しても同じ答えになることがわかります。

一方、1g中何gが分子量1000の分子か、と問われたら、

上記のxの値を利用して、
1000*(1/500500)/2 = 1000/1001000 = 0.000999gとなり、
同じ個数とはいえ、分子量1000の分子はほとんど入っていないことになります。
逆に分子量1000000の分子は0.999001g入っているということですね。
両分子の密度が同じだとすると、この分子の体積のほとんどが分子量1000000の分子で占められていることになります。
この高分子を使った膜の強度や耐熱性を測定する場合は、ほとんどを占めている分子量1000000の性質が色濃く反映されると考えるのが自然ですよね。
これを加味した分子量として重量平均分子量Mwが使われています。

この高分子の場合は
Mw = 1000*1000/1001000+1000000*1000000/1001000 = 999001
となり、Mnと比べてかなり1000000に近いことがわかります。

 

分子量設計 ~狙った分子量のポリマーをどうやって作る?~

高分子材料を評価する場合、必ずどこかで「分子量効果」を調査します。
そのときはMw = 5000, 20000, 50000というように、Mwで狙いをつけて合成します。
材料の物性と分子量の関係を見たいわけですからMwをふるというのは自然の感覚です。

ポリウレタンなどは仕込みモノマー比から理論的な分子量を簡単に計算できます。
反応の濃度や温度は基本的に関係ありません(もちろん例外はあります)。
ここで計算できる分子量はMnなのですが、分布(Mw/Mn)は同じ合成をしているとあまり変化しないので、一度経験があれば狙ったMwで合成することも容易です。

筆者が初めて合成する樹脂の場合、Mw/Mn=2と仮定して合成しています。

アクリル樹脂は、ウレタン樹脂ほど一筋縄ではいきません。
アクリルの溶液重合の場合は、モノマー、重合開始剤、溶剤を入れるわけですが、モノマー濃度、開始剤濃度、重合温度、そしてそれぞれの添加の仕方(何を最初にフラスコに入れて、何を滴下で入れるかなど)様々なファクターが分子量に影響してきます。
理論的に考えて分子量を設計することもできるはずですが、周囲の先輩方を見ている限りでは、一人ひとり、自分流の標準処方というのを持っていて、

まずそれで作ってみて、じゃぁこう変えたら分子量倍くらいになるかな?って感じで分子量をふっていきます。

まさに職人技です。
筆者は溶液重合(均一系)でしか重合したことありませんが、乳化重合のような不均一系だとさらに複雑で、これをずーっとやってる人なんかもいるのですごいなぁと感心します。

MnとMw、それぞれの意味を理解する多少の助けにはなったでしょうか。

もし、Mwにここまで明確な物理的な意味がなかったら、正規分布のように平均値と標準偏差で分布が表現されていたかもしれませんね。

分子量分布にもいろいろ高分子と低分子の壁はあるのですが、記事が長くなってしまったので、あらためて書くことに致します。

きのん

投稿者の記事一覧

化学メーカーの研究開発をしております。大学時代は光電変換、特に有機薄膜太 陽電池の研究に携わっていました。今は有機化学と高分子化学の間のような仕事 をしております。音楽好き

関連記事

  1. ハイブリット触媒による不斉C–H官能基化
  2. 研究助成情報サイト:コラボリー/Grants
  3. 海外機関に訪問し、英語講演にチャレンジ!~③ いざ、機関訪問!~…
  4. 四置換アルケンのエナンチオ選択的ヒドロホウ素化反応
  5. 有機合成化学協会誌2022年9月号:π-アリルパラジウム・ポリエ…
  6. 相撲と化学の意外な関係(?)
  7. だんだん柔らかくなるCOF!柔軟性の違いによる特性変化
  8. 微少試料(1 mg)に含まれる極微量レベル(1 アトグラム)の放…

注目情報

ピックアップ記事

  1. ローゼンムント還元 Rosenmund Reduction
  2. 化学企業のグローバル・トップ50が発表【2018年版】
  3. 武田薬品、高血圧治療剤が米で心不全の効能追加
  4. 熊谷 直哉 Naoya Kumagai
  5. 森本 正和 Masakazu Morimoto
  6. 二窒素の配位モードと反応性の関係を調べる: Nature Rev. Chem. 2017-4/5月号
  7. 第四回 期待したいものを創りだすー村橋哲郎教授
  8. 天然物の全合成研究ーChemical Times特集より
  9. 高選択的な不斉触媒系を機械学習と「投票」で予測する
  10. 不斉カルボニル触媒で酵素模倣型不斉マンニッヒ反応

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2010年6月
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
282930  

注目情報

最新記事

ルイス酸性を持つアニオン!?遷移金属触媒の新たなカウンターアニオン”BBcat”

第667回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院工学系研究科 野崎研究室 の萬代遼さんにお願いし…

解毒薬のはなし その1 イントロダクション

Tshozoです。最近、配偶者に対し市販されている自動車用化学品を長期に飲ませて半死半生の目に合…

ビル・モランディ Bill Morandi

ビル・モランディ (Bill Morandi、1983年XX月XX日–)はスイスの有機化学者である。…

《マイナビ主催》第2弾!研究者向け研究シーズの事業化を学べるプログラムの応募を受付中 ★交通費・宿泊費補助あり

2025年10月にマイナビ主催で、研究シーズの事業化を学べるプログラムを開催いたします!将来…

化粧品用マイクロプラスチックビーズ代替素材の市場について調査結果を発表

この程、TPCマーケティングリサーチ株式会社(本社=大阪市西区、代表取締役社長=松本竜馬)は、化粧品…

分子の形がもたらす”柔軟性”を利用した分子配列制御

第666回のスポットライトリサーチは、東北大学多元物質科学研究所(芥川研究室)笠原遥太郎 助教にお願…

柔粘性結晶相の特異な分子運動が、多段階の電気応答を実現する!

第665回のスポットライトリサーチは、東北大学大学院工学研究科(芥川研究室)修士2年の小野寺 希望 …

マーク・レビン Mark D. Levin

マーク D. レビン (Mark D. Levin、–年10月14日)は米国の有機化学者である。米国…

もう一歩先へ進みたい人の化学でつかえる線形代数

概要化学分野の諸問題に潜む線形代数の要素を,化学専攻の目線から解体・解説する。(引用:コロナ…

ノーベル賞受賞者と語り合う5日間!「第17回HOPEミーティング」参加者募集!

今年もHOPEミーティングの参加者募集の時期がやって来ました。HOPEミーティングは、博士課…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP