共溶媒

化学において、共溶媒とは、溶解度の低い化合物の溶解度を高めるために主溶媒に少量加えられる物質である。共溶媒の使用は、医薬品や食品科学に関連する化学・生物学研究で最も一般的であり、アルコールは、抽出、スクリーニング、配合中に疎水性分子を溶解するために水中の共溶媒として頻繁に使用される（多くの場合、体積比5%未満^[1]）。共溶媒は環境化学にも応用されており、非水相液体の汚染に対する効果的な対策として知られている^[2]ほか、機能性エネルギー材料の製造^{[3] [4]}やバイオディーゼルの合成にも使用されている。^{[5] [6]}

共溶媒の話題は、共溶媒システムを使用して化合物の溶解度を予測しようとする多くの理論家や実践研究者の注目を集めており、科学文献ではかなりの研究対象となっています。計算を使用して共溶媒をモデル化する手法を提案およびレビューする研究、^{[7] [8] [9]、}共溶媒と観察された溶媒和現象の経験的相関関係を説明する研究、^{[10] [11]}、さまざまな分野での共溶媒システムの有用性を報告する研究があります。^{[2] [3] [4] [12]}

製薬化学における長年の課題には、治療のための特定の分子の固有の疎水性/親油性を克服することや、複雑な分子の効果的な合成手順を見つけることなどがあります。共溶媒は、処方と合成の両方の試験において研究者を支援することができます。

製薬化学では、治療に使用するために難水溶性の薬剤を溶解するのに役立つ方法が数多く存在します。これらの方法には、共溶媒、ハイドロトロピズム、錯体形成、イオン化、界面活性剤の使用などがあります。最も普及しているのは、水と無毒の共溶媒を併用して、疎水性分子を溶解しながらも生物系との結合を維持できる製剤を作る方法です。この目的で使用される一般的な共溶媒は、エタノール、プロピレングリコール、グリセリン、グリコフラール、ポリエチレングリコールです。^[7]共溶媒が薬剤の溶解に与える影響は大きく、パンジャブ大学の研究者が2009年の研究で、共溶媒の使用によりさまざまな抗糖尿病薬の溶解度が500倍以上増加することを示したことからもそれがわかります。^[13]

共溶媒は、合成用途だけでなく製剤化にも有用であることが証明されています。共溶媒システムは、研究対象の合成対象に特有のものであることが多いため、ここでは、この主題に関する重要な点を例示するいくつかの出版物の一般的な調査結果をレビューします。

2017年のプロジェクトでは、コーネル大学の研究者らがリチウムヘキサメチルジシラジド（LiHMDS）を介したオキサゾリジノンのエノール化における共溶媒の影響を研究した。この反応経路は、ファイザーが工場規模で生産しているC型肝炎の治療薬であるフィリブビルの合成において同グループによって例示された。^[14]研究者らは主にテトラヒドロフランと炭化水素共溶媒のシステムにおけるポリマー形成に焦点を当て、その速度は使用する共溶媒に大きく左右されることを発見した。他の結果の中でも、この研究では、収率、微量不純物、処理技術が化学的、経済的、毒物学的に関連する製薬業界では共溶媒の選択が極めて重要であると結論付けている。しかし、研究者らは、共溶媒システムにおけるこれらの経験的差異をもたらすメカニズムはまだ十分に理解されていないことに注意を払っている。

北海道大学の研究者による2016年の論文では、スクロース誘導体の合成において共溶媒によって促進されるヒドロキシル基のベンジル化メカニズムについて説明しています。^[15]この研究グループは、スクロース中の標的1'-ヒドロキシル基の反応性が一般的に低いため、経験的に収率が低く、副産物が大量に生成されるベンジル化反応を、合成分子に対する優れた選択性で最大95%の収率まで実行する方法を報告しています。彼らはヘキサンと塩化メチレンの共溶媒システムを利用してこの収率を達成し、この方法を外挿して、いくつかのハロゲン化ベンジル基質、アルコール、グルコース、リボース誘導体を含めました。この研究は、有機合成における反応収率が極性/非極性共溶媒システムの適用によって最適化できる多くの研究の1つです。

共溶媒は生化学の分野でも役割を果たしています。華南理工大学の研究者による 2012 年の研究では、共溶媒パラメータを最適化することで酵素触媒反応の収率を高める方法が報告されています。^[16]具体的には、研究グループはプルーン種子粉を触媒とする生理活性抗うつ薬サリドロシドの合成に注目し、エチレングリコールジアセテートをイオン液体共溶媒と組み合わせて使用​​すると、生成物の収率が最大 50% 増加することを発見しました。この研究や同様の多くの研究でイオン液体を共溶媒として使用したことは、共溶媒システムが極性溶媒と非極性溶媒の標準的な慣習を超えて、メカニズムレベルで変化をもたらす可能性があるというこの方法論の多様性を示しています。

共溶媒は、汚染修復の強力な手段として、また太陽電池、バイオ燃料、吸着剤などのグリーンテクノロジーの合成における重要な添加剤として、環境化学における効果的なツールであることが長い間報告されてきました。場合によっては、共溶媒の利用により、グリーンケミストリーの分野における幅広い目標、つまり基質の溶解性を高めたり、より環境に優しい代替物を提供したりすることで持続不可能な溶媒の使用を削減するという目標も達成できます。

水質汚染物質の浄化の文脈では、共溶媒は、界面活性剤の性能を高める、非水相液体（NAPL）の溶解度を高める、水相と有機相の間の界面張力を低下させることでNAPLを物理的に動員するなど、さまざまな機能に使用できます。^[17]毒性学的な懸念から、浄化に使用される主な薬剤は、1～5％のアルコール水溶液であり、汚染された場所に流し込み、後でバルク水から抽出することができます。この「共溶媒フラッディング」（体積比5％を超える場合はアルコールフラッディングと呼ばれます）は、塩分調整、現場での化学酸化、温度変更と組み合わせて使用​​されることが多く、水源からNAPLを除去する最も効果的な方法です。^[18] 現場でのフラッシングは、土壌を水環境と同様の方法で除染するプロセスです。^[19]

水性修復においてアルコール共溶媒を使用することで生じる合併症としては、マクロエマルジョンの形成、帯水層固体からの有機汚染物質の脱着、高濃度での毒性、可燃性、爆発性の導入などがある。^[17]

共溶媒は用途が広く、変化に富んでいるため、グリーンテクノロジーに関する多くの用途に使用されています。そのような用途の 1 つがポリマー太陽電池の加工です。共溶媒は、サンプルの連続性を損ない、好ましくない形態につながる主溶媒の液滴への相分離を軽減するための重要な添加剤として認識されています。^[20]ほとんどの場合、共溶媒は 1 ～ 10 % の体積で使用され、鋳造または溶液蒸発の段階でポリマーの凝集を促進する働きをします。この文脈での共溶媒の使用は、有機太陽電池の研究ではほぼ普遍的ですが、共溶媒がこの効果を達成する動的プロセスについては理解が不足しています。^{[3] [4] [20]}

共溶媒は、さまざまなバイオマスからバイオ燃料を生産する際にも重要な役割を果たします。たとえば、使用済みのヒマワリ油をエステル交換反応でバイオディーゼルに変換する取り組みでは、メタノールに共溶媒を使用すると、短期間で製品の変換率が 78% からほぼ完了に改善されることがわかりました。^[21]別の例では、テトラヒドロフランと水の混合物が、バイオマスからリグニンを抽出して発酵性糖を生成するのに非常に効果的であることがわかりましたが、THFと水はどちらもこの目的には適していません。^[22]これらの技術やその他の開発中のグリーン技術の合成および処理手順を簡素化することで、共溶媒は、収量の損失、基質の溶解性の低さ、および過剰な処理による無駄を削減します。時が経つにつれて、さらに優れたシステムが開発され、より環境に優しい共溶媒に関する直接的な研究が模索されています。^[23]

共溶媒の効果を説明および予測するためのさまざまなモデルが存在します。これらのモデルは、数学モデルと化学理論の応用に大きく依存しており、単純なものから比較的複雑なものまであります。最初のモデルであり、最も単純なモデルは、今日でも使用されています。Yalkowsky のモデルです。^[7] Yalkowsky のモデルは、代数混合則または対数線形モデルを利用しています。

logX _m = ƒ ₁ logX ₁ + ƒ ₂ logX ₂

ここで、X _mは溶質のモル分率溶解度、X ₁および X _{2 は}純粋な共溶媒および水に対するモル分率溶解度を表します。

このモデルは本質的に相関関係のみを前提としていますが、さらに分析を進めることで予測要素を作成できます。上記の式を簡略化すると次のようになります。

logX _m = logX ₂ + σ • ƒ ₁

ここでσは共溶媒の可溶化力であり、理論的にはlog(X ₁ /X ₂ )に等しくなります。

Valvani らの研究を組み込むと、次のことがわかります。

ここで、M と N は、溶質の性質に依存せず、一般的に使用される多くの共溶媒について表にまとめられている共溶媒定数です。これらの変換により、Yalkowsky 対数線形モデルは予測モデルに効果的に変換され、研究者は水溶性データのみを使用して、化合物の可溶化のための共溶媒濃度をかなり正確に予測できます。^[7]共溶媒モデリングシステムに関するより詳細な議論については、Jouyban (2008)、^[7] Smith と Mazo (2008)、^[8]のレビューを参照してください。また、生化学の文脈では、Canchi と Garcia (2013) を参照してください。^[9]

共溶媒を選択する際のより単純な見方は、様々な共溶媒システムの測定可能な特性を調べ、経験的証拠から決定することです。アリゾナ大学とウィスコンシン大学マディソン校の研究者は、環境毒物学および化学の論文^[24]で、分配係数、表面張力、誘電率、界面張力などを含む一連のパラメータをレビューしています。著者らは、疎水性有機化合物（HOC）を可溶化する代表例としてナフタレンを使用し、誘電率、分配係数、表面張力など、最も一般的に使用されるパラメータの大部分は、溶解度を正確に説明するには不十分であると報告しています。代わりに、ヒルデブランドの溶解度パラメータ、E _t（30）と界面張力が経験的傾向とより好ましい相関関係にあることを発見しました。実践的な化学者は、特定のターゲットに対する共溶媒システムを開発する際に、これらの結果を考慮に入れる必要があります。