大阪大学理学部化学科

化学科とは

化学は、物質とその変化を研究する自然科学の中でも最も基本的なものの一つです。化学の目的と使命は、自然界に存在する物質の成り立ち、性質や働きを理解することであり、物質の機能や特性の利用によって、さらには新しい物質の創造によって、よりよい社会作りに貢献することです。化学の研究の対象は、原子から分子へ、分子から高分子へ、そしてこれらの物質の集合体へと広がり、一方でアミノ酸に始まり、蛋白質、酵素、核酸などから生命そのものへと限りなく広がっています。これらのどの段階においても、いろいろな化学反応や変化が起っていますし、大きな社会問題となっている環境問題もほとんどが化学の知識の間違った使い方が関係しています。それゆえ、化学を学んだ者は自然界の物質が関わる多様な現象から自然の哲理を学びつつ、人間社会の自然との共生や発展に大いに寄与できます。化学は皆さんが普通考えている以上に身近なもので、将来もその重要性は変わらず、化学者の果たすべき役割はますます大きくなるでしょう。


無機化学系の学生実験

化学科の構成と研究分野

大阪大学理学部化学科は、昭和6年に設立されて以来、80年近くにわたって、常に化学における最先端の研究活動を展開してきました。研究分野も発展的に分岐して、無機化学、分析化学、有機化学、物理化学を骨格として、その境界領域も埋められ、高分子科学が加わり、さらに自然科学の基幹をなす熱力学を専門に研究する構造熱科学研究センターを擁するまでに至っています。さらに大学院重点化による改組を経て、その規模はわが国で最大級の基礎・純粋化学の研究機関となっています。また、常に世界的視野に立ったこのような活発な研究活動を基盤とした教育システムは、これまでに数え切れないほど多くの優れた人材を生み出してきました。卒業生の多くが、いま現在も国内外の実業界や教育、研究の現場で活躍を続けています。当化学科では自由で個性的な研究と教育を行うことを特徴としており、その分野は大きく無機化学、物理化学、有機化学、高分子科学の4つに分けることができます。


表面化学反応の立体効果を探る超高真空対応型配向分子線装置

無機化学分野

無機化学分野では、分析化学、無機化学および放射化学の領域にわたる幅広い研究・教育が行われています。自然界には多種多様な物質が分布しています。それらの物質(分子や微粒子)の分離と検出、表面や界面での分布と構造、さらには反応性を明らかにするために、光やX線の吸収・反射を調べたり、新しい界面反応測定法や微粒子泳動分析法の開発を行っています。また、鉱物や生体など自然界にある、いろいろな原子やイオン、分子を含む金属錯体も主要な研究対象です。いろいろな金属イオンを含む新しい錯体を合成し、電子スペクトル、核磁気共鳴スペクトル、X線構造解析などによって、それらの固体や溶液における化学的性質が化学結合や立体構造とどのように関係しているかを調べたり、今までにない珍しい酸化状態の錯体や錯体独特の相互作用による分子の識別について研究しています。生体系で重要な役割をしている金属イオンを含んだタンパク質や酵素についても、その構造と機能の関係を調べるとともに、モデル錯体を通して実際のタンパク質の活性中心での金属の役割を研究しています。さらに、原子核の壊変が関わる化学、原子番号が100番を越える超アクチノイド元素の合成とその化学的性質、ミュー粒子やパイ中間子など電子以外の粒子で作られる人工原子(エキゾチックアトム)などの研究も進められています。このように、全く新しい原子をも視野に入れた、広い物質観のもとに研究と教育が行われています。


世界的にもユニークな極低温熱量計

物理化学分野

物理化学分野では、試験管の中から宇宙までにわたる森羅万象の生起を支配する熱力学という体系に則って、液体や固体におけるエネルギーの出入りを精密に測定したり、新しい化学反応が起るかどうかを予測したりします。この分野は、理学研究科附置の構造熱科学研究センターを中心に、超精密熱測定機器を備え、世界の熱力学研究のメッカとなっております。一方、原子や分子が織りなすミクロな世界を調べるためには、結晶のミクロな構造を直接調べることができるX線回折の技術と、光や電磁放射線を媒体として原子、分子の構造や性質、さらには反応性に至るまでをつぶさに調べることができる分光学という手法を使います。分子の内部で起っている分子振動を調べるには、赤外線吸収とラマン散乱法を使います。これらの確立した方法による成熟した学問にくわえて、近年非晶質や界面吸着相が新しい分野として登場し、当化学専攻を拠点として中性子散乱などの全国共同利用施設を利用する学際的なスタイルの研究を行っています。また結合にあずかる電子や分子中を動きまわる電子の性質を調べたり、反応活性を有する分子や反応中間体を研究するには、独自な工夫をこらした分光法を使います。二分子の間の衝突のさせ方を制御できる配向分子線法や反応活性分子を瞬間的につくり出すフェムト秒パルスレーザーを用いた時間分解吸収スペクトル法、超高速表面光電子分光法なども化学反応を追跡するのに使います。分子の電子状態や構造、反応のしやすさ、固体によく見られる磁性の発現の基本原理などを計算機を使って理論的に研究したり、液体や特異な性質をもつ固体の構造などについてシミュレーションを行ったりする分野もあります。また、タンパク質などの生体分子も、分光学や理論的研究の新しい研究対象になっています。固体や液体中の分子の構造や材料としての特性などを詳しく調べるには、核磁気共鳴分光学を使います。核磁気共鳴を専門とする研究室があるほか、共通の実験装置と人材が非常に充実しており、わが国でも屈指の研究機関の一つとなっています。

有機化学分野

有機化学分野では、主に以下のような2つの方向で、学生と共に未開の分野を開拓する独創性溢れる研究を行っています。一つは、生体がつくりだす有機化合物が作用している未知の世界を化学の目で観察することです。新しい有機化合物や酵素の発見と構造解析、それらの化合物が持つ新しい生理活性の発見、化合物が生体中で作用しているメカニズムの解明などです。これらの研究を通して自然の中から新しい概念を見出すことにはこの上ない喜びがあります。糖と脂質からできた細菌毒素、細胞機能を変える多糖、特異的に存在するオリゴ糖、海洋生物の作る強力な生理活性物質やフェロモン、植物の細胞壁、それらを加水分解または合成する酵素、ある分子と結合することによってはじめてその機能を発揮する生体膜の脂質や蛋白質などを研究の対象としています。もう一つの方向は自然界にはない有機化合物を扱うものです。有機化学者には構造・物性・機能の点から興味深い有機化合物を自分で考え出して、これを合成して実際に手に入れる特権と喜びがあります。化合物に新しい性質を与えるために化学構造を経験的・理論的・計算科学的に設計し、それらを合成し、得られた化合物の3次元構造、性質や生理活性を解析して、なぜその構造がその性質を持つかを調べる研究も活発です。ここでは、機能性光物性、安定遊離基、超伝導性、電気伝導性、強磁性などの性質を持つパイ電子系有機化合物、複数の分子が弱い結合でつながった分子集合体のような有機化合物が研究の対象です。また、ひとつずつの分子を画像化しその形状や物性を調べる研究もしています。以上の研究を行うために、核磁気共鳴、常磁性共鳴、X線回折、質量分析などの最新の分析方法はもとより、各種クロマトグラフィー、遺伝子工学、走査プローブ顕微鏡やナノリソグラフィーの技術も活用しています。さらに、化合物を効率よく合成するための新しい反応や独自の理論による分析方法の開発を行い、全く新しい研究分野を開拓するための足がかりとしています。

高分子科学分野

私たちの身の回りは、様々な高分子材料であふれています。例えば、スーパーでもらう買い物袋や自動車のタイヤが合成高分子であることを知っている人は多いでしょうが、防弾チョッキに合成高分子が使われていることを知っていますか。そもそも、私たちの体自体がタンパク質や多糖などの生体高分子からできています。また、私たちの衣食住を考えても、木綿、羊毛、肉、でんぷん、家具、浴槽など、高分子でないものを探す方が難しいほどです。私たち高分子科学グループでは、多様な高分子を様々な側面から基礎学問として研究しています。私たちの研究活動を簡単に紹介します。

特殊な機能や優れた特性を備えた高分子を作り出すためには、精密に高分子を設計・合成する必要があります。重合反応においては、モノマーに開始剤を加えることによってラジカルやイオンができ、それらが次々に他のモノマーと連結して長い鎖が形成されます。生体内ではこの反応がほぼ完全に制御されていますが、従来の合成法では限界がありました。そこで、反応のメカニズムを徹底的に研究することにより、長さや構造がかなり揃った高分子が極めて短い時間で合成可能になりました。これらの結果を利用すると、例えばわずかな熱の変化を感じて応答する新しい高分子も合成できます。

高分子に独特な反応系とはどのようなものでしょうか。それを実現しているものの一つに、蛋白質やDNA等の生体高分子があります。例えば酵素は、活性中心をポリペプチド鎖で取り囲み、反応性を制御していますが、この制御機構を詳しく研究すると、蛋白質内部の水素結合ネットワークが非常に重要であることが判ってきました。活性中心のモデル化合物を水素結合を含めて合成すると、実際の蛋白質と似た挙動を示すことが見いだされました。このような天然の仕組みを研究し、その本質を取り入れることで新しい機能を持つ高分子が実現されます。

希薄溶液中における個々の高分子の形、大きさ、性質、分子間相互作用を明らかにすることは、精巧な分子機械、材料の創製や生命科学の発展への基礎として大変重要です。本グループでは、高分子の多様な分子形態と物理化学的性質の相関を統一的に理解することを目的として、高分子希薄溶液を精密な実験と理論に基づく解析によって研究しています。多くの高分子は長い糸を丸めたような形をとっていますが、天然多糖には分子鎖が3本集まった棒状の三重らせんや2本からなる二重らせんも存在します。そのような多糖は医薬品、食品、化粧品などに利用されています。

細菌は、多数の蛋白質が集合してできた分子モーターを使って泳ぎ回ります。回転子・固定子・分子ベアリングなど、その構成はまるでヒトが作った機械のようですが、大きさは数十ナノメートルと極小です。細胞中では、このような多数の生体高分子でできた分子機械が様々な機能や化学反応を担い、生命活動を支えています。生体高分子の機械は人工システムと異なり、高精度といい加減さを両立させながら小さなエネルギーで機能します。その作動機構や形成機構を原子レベルの構造解析と分子機械の再構成を通じて調べています。このような研究は、生命科学や医学薬学の発展に直結するとともに、ナノスケールで機能する分子機械を設計するための基礎となります。


回転分子モーターである細菌べん毛の回転構造


活性端末がマイナスイオンの高分子の会合状態と重合反応

たとえば、高分子の非常に小さい凝集体中に薬を内包して投薬し、患部で薬を有効に放出する技術が最近開発されています。また、子孫に遺伝情報を伝えるために核酸を複製したり、生命活動に必要なタンパク質を核酸の持つ情報に従って生合成する際に、反応を進行させる酵素と核酸(どちらも高分子)との複合体の形成と解離が非常に重要なプロセスとなります。このように、少数の高分子の集合現象は、高分子を利用した工業や分子生物学において重要な役割を演じていて、各々の集合体構造や構造形成・崩壊過程の研究は、高分子科学における重要なテーマとなっています。

近年、架橋点が自由に動くゲルや、電場で曲がるゲルなど、新しい高分子材料が見つかっています。こうした新しい機能は、高分子の持つ「やわらかさ」をうまく利用したものです。この「やわらかさ」は、高分子が長いひも状分子であって、形態を絶えず分子運動によって変えていることに由来します。したがって、高分子に固有の分子運動を調べることは、高分子科学の重要なテーマです。高分子をはじめとして、液晶やミセルなど、「やわらかい物質」には、外場によって自由に構造を変えることができる特徴があり、この分野にはまだまだ知られていない新しい現象が残されていると考えられています。

シクロデキストリンという環状分子があります。これをポリマーとまぜあわせると、不思議なことに、ポリマーの周りに環状分子がいくつも串刺しされた構造が形成され、ちょうどネックレスのようになります。このように分子と分子が組みあわさって大きな、しかも安定な分子、超分子ができあがります。超分子の学問は酵素タンパク質と基質との結合による生体反応などを調べる上でも極めて有力な情報を与えてくれます。


シクロデキストリン誘導体によるらせん超分子ポリマー

ページ先頭へ戻る