深共晶溶媒

深共晶溶媒：環境に優しく多様な用途を持つ革新的溶媒

深共晶溶媒（Deep Eutectic Solvents, DES）は、ルイス酸またはブレンステッド酸と塩基を混合することで生じる共晶混合物です。深共晶液体や深共融溶媒と呼ばれることもあります。その特筆すべき点は、構成成分の比率を調整することで、溶媒の性質を自在に制御できる点にあります。この柔軟性から、触媒、分離、電気化学プロセスなど、幅広い分野での応用が期待されています。

深共晶溶媒の特性と種類

DESは、構成成分間の複雑な水素結合ネットワークにより、それぞれの成分単体と比べて融点が劇的に低下します。代表的な例として、塩化コリンと尿素のモル比1:2の混合物は、それぞれの融点（塩化コリン：302℃、尿素：133℃）とは対照的に、12℃で融解し、室温で液体となります。

DESは、難燃性や調整可能な性質など、イオン液体と共通点が多い一方、イオン液体とは異なり、純粋な塩ではなく、イオンの混合物です。また、非可燃性、低蒸気圧、低毒性という特徴から、揮発性有機化合物（VOC）に代わる環境に優しい溶媒として注目されています。

これまでの研究から、DESは大きく4つのタイプに分類されています。

I型: クロロメタレートイオン液体を含む。塩化アルミニウムと1-エチル-3-メチルイミダゾリウムクロライドの混合物などが含まれる。
II型: I型と組成が類似するが、ハロゲン化金属の水和物を含む点が異なる。
III型: 第四級アンモニウム塩（例：塩化コリン）などの水素結合受容体と、尿素やエチレングリコールなどの水素結合供与体からなる金属を含まないDES。電極めっきや金属加工への応用が研究されている。
IV型: III型と類似するが、水素結合受容体にハロゲン化金属を用いる点が異なる。電極めっきへの応用が期待されている。

現状、DESの工業プロセスへの本格的な導入は、高粘度や低いイオン移動度が課題となっています。また、構成成分の構造と溶媒としての機能の関連性についても、更なる解明が必要です。

深共晶溶媒の合成と物理化学的性質

DESの合成は、イオン液体のように複雑な多段階合成を必要とせず、構成成分を適切な比率で混合し、加熱するだけで済みます。この簡便さと環境への低負荷は大きなメリットです。合成されたDESの組成は、示差走査熱量測定（DSC）などによって特定できます。

DESの粘度と表面張力は、一般的な溶媒と比較して高いものの、イオン液体に近い値を示します。これは水素結合の影響が大きいと考えられます。また、比較的低密度で、広い温度範囲（-50℃程度まで）で液体として存在し、蒸気圧が非常に低いため、引火性もほとんどありません。高い熱安定性（200℃以上）も特徴です。

DESの毒性と生分解性は、構成成分に依存します。塩化コリンは生分解性が高く、無毒とされており、食品添加物としても使用されています。そのため、低毒性の水素結合供与体と組み合わせることで、無毒なDESを得ることが可能です。

天然深共晶溶媒（NADES）

天然深共晶溶媒（Natural Deep Eutectic Solvents, NADES）は、植物由来の有機酸、糖、アルコール、アミン、アミノ酸などからなる生物由来のDESです。ChoiやSpronsenらの研究では、NADES中には水が存在し、蒸発せずに液体中に強く保持されることが示されています。

深共晶溶媒の応用と研究

DESは、製造コストが低く、場合によっては生分解性も持つため、安全で効率的、簡便で低価格な溶媒として期待されています。

様々な用途が研究されており、近年、多くの新しい応用例が報告されています。初期の応用例としては、電解研磨での電解質としての使用が挙げられます。また、安息香酸やセルロースなどの有機化合物の溶解性が高いため、抽出溶媒としても利用されています。ナフサからの芳香族炭化水素の分離、バイオディーゼルの製造・精製、金属抽出、マイクロ波加熱による溶解促進など、その用途は多岐に渡ります。

特に注目すべきは、プロトン伝導性DESの燃料電池への応用です。DESの独自の組成は、溶質の構造や自己集合に影響を与え、水とは異なる溶媒和環境を作り出します。例えば、ラウリル硫酸ナトリウムの自己集合やポリビニルピロリドンの溶媒和において、水とは異なる挙動が観測されています。

近年では、金などの金属の鉱石からの抽出、溶媒抽出、バッテリーリサイクルにおける溶媒の使用など、環境に配慮した利用法の研究が進められています。また、深共晶溶媒の熱力学的活量に関する研究も進展しており、熱電性ポリマー膜の合成への応用も期待されています。

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