慶應理工の電極のかがく 電気化学でサステナブル社会を紡ぐ

電気の力でモノづくり

特別な試薬を使わない安全で地球にやさしい有機合成

私たちの身の回りには、人工的につくられた物質があふれている。中でも、「炭素（C）を含む物質（有機化合物）」は、プラスチックやゴム、合成繊維、医薬品などとして、私たちの暮らしを支えている。人工的に有機化合物をつくるには、通常、原料のほかに、例えば触媒など、反応を促進させるための特別な試薬を用いる。また、高温にするために大量のエネルギーを消費する場合もある。もちろん、使用後の試薬や反応後の廃棄物は適切に回収・処理されているものの、もし特別な試薬や廃棄物のないモノづくりができれば環境負荷を大幅に減らすことができる。このような背景から、電気の力を使った有機合成「有機電解合成」が注目されているのだ。化学科の山本さんは、そんな「有機電解合成」の研究を牽引する研究者の一人である。

電気の力を使う「有機電解合成」とは、どのような方法なのだろうか。中学校で学んだ「水の電気分解（電解）」を覚えているだろうか。図1（A）のように水（H2O）に陽極と陰極を浸して電気を流すと、陰極では水素（H2）が発生し、陽極では酸素（O2）が発生する。このような電子の授受を有機化合物に当てはめて、新たな有機化合物をつくり出そうというモノづくりが、「有機電解合成」である（図1）。特別な試薬の代わりに電気の力で行われる電子の授受が化学反応を促進させる。

山本さんが有機電解合成の研究を行うようになったのは、2016年にドイツのヨハネス・グーテンベルク大学マインツ（通称マインツ大学）に留学したことがきっかけだった。「その頃、私は、それまで取り組んでいた研究分野のスピード感についていけず、自分の将来に不安を感じていました。そんな時、慶應義塾大学の石井・石橋基金『若手研究者育成ものづくり特別事業』で留学の機会を得たのです。当時、私は栄長泰明（えいながやすあき）教授の研究室で専任講師として研究していましたが、新境地を拓きたいと思い、帰国してからも続けられるように、栄長教授の研究テーマであるダイヤモンド電極に関わる研究テーマを探しました」。こうしてマインツ大学のジークフリート・ヴァルトフォーゲル教授の下で、ダイヤモンド電極を使った有機電解合成の研究を始めることになった。
2017年には、イソオイゲノールを原料にα－ジイソオイゲノールの合成に成功（図2）。「原料が同じでも、それを溶かす溶媒を変えて電流を流すと、予想と違った物質ができました。ずっと化学を研究してきた私でも、こんなことが起こるのかと衝撃を受けました」と山本さん。
驚かされたのはそれだけではない。化学合成では、特別な工夫をしないと立体異性体が混ざって合成される。立体異性体は性質が異なるため、一度混じってしまうと分離しなくてはならない。そのため、立体異性体を簡単につくり分けることが化学合成における大きな命題である。ところが、この合成ではα－ジイソオイゲノールのみができており、そのほかの立体異性体は混ざっていなかったのだ。
こうしてドイツで学び、成果を上げた山本さんは、現在、栄長研究室のダイヤモンド電極を使って「有機電解合成」の研究を進めている。

山本さんが有機電解合成と出会った頃と今とでは、状況が変わってきている。「電気を使って物質を合成しようという試みは歴史が長く、その始まりは1800年代と言われています。1900年代後半に有機電解合成の分野は大きく発展しましたが、誰でも簡単に扱える研究用キットが存在しなかったため、その後あまり研究者人口は増えませんでした。ところが今は違います。いろいろな企業から直感的に使える研究用キットが販売され、有機電解合成の研究を始めるハードルが下がっています。特別な試薬を使う必要がないというだけでなく、電⼒を太陽光や⾵⼒といった再⽣可能エネルギー由来のものにすれば、二酸化炭素（CO2）排出量を削減できるモノづくりも可能になることから、世界中で有機電解合成の開発競争が起こっています」。

しかし、以前のように、自分の研究の将来に不安を感じたりすることはない。なぜなら、有機電解合成における重要なファクターである電極に絶対の自信があるからだ。
「栄長研究室で使っているダイヤモンド電極には、有機電解合成をする上で、ほかの電極にはない優れた性質がいくつもあるからです。代表的なものを2つ紹介します。1つ目は、電流を流して生成する反応性が高いラジカル種がダイヤモンド電極の表面では安定に存在できることです。2つ目は、広い電圧範囲で使うことができることです。これら2つの特徴をまとめると、一般的に用いられている電極では起こすことができない反応を実現することができるのです」。
さらに、このダイヤモンド電極の独自の改良も試みている。「かつて私は、次世代デバイスの開発を目指して無機ナノシートの光学的・磁気的な性質について研究をしていました。この時に習得した経験・技術で、電極表面にさまざまな加工を施します。こうして電極表面の性質を変えると、生成物の収率や選択性がどう変わるか。その基礎的な理論の確立を通じて、新しい『電極のかがく』の開拓を目指しています」。
やりたいことがいろいろある山本さんだが、最終的な目標は「高校生でもすごさが分かる成果を、有機電解合成で達成すること」だと話す。「例えば、教科書に載っているような、すでに産業利用されている反応（ただし、高温・高圧を必要とするもの）を、有機電解合成で置き換えるのです。こうして初めて、地球にやさしいモノづくりを達成したと言えますから…」。
「有機電解合成」には今、激しい競争の波が押し寄せている。その中を山本さんは、研究者としてのこれまでの経験を礎に、自ら定めた大きな目標に向かって、力強く進んでいるのである。

父は島根大学の教員で、専門は土壌微生物学でした。子供の頃、よく父の研究室に遊びに行っていたので、父と同じ農学部に行きたいと思うようになりました。ところが、農学部を目指して受験した国立大学の入試に失敗してしまい、慶應義塾大学に進学することに。こうして化学の道に進みました。
この時の鉄板エピソードを1つ。慶應義塾大学の入学手続きに向かう新幹線で、付き添いの兄が窓の外を見て「慶應のペンマークだ！」と叫んだのです。私は矢上キャンパスのある校舎につけられているペンマークを落ち込んだ気分で見上げたことを今でもおぼえています。

高校までの化学とのギャップに驚きましたね。まず、量子化学は高校では全く学んでいませんし、これが化学なのかと思う状態でした。特に、有機化学は、電子の動きを考えなくては反応が分からないので、勉強しなくては単位を落としてしまうと思いました。それで、金曜日の有機化学の授業の後にヒヨウラ（日吉駅を挟んで慶應義塾大学と反対側の商店街のこと）で夕飯を食べて、午後7時頃から約2時間、メディアセンター（日吉キャンパスの図書館）が閉館するまで勉強しました。高校の頃には合唱をやっていましたが、合唱を追究するには喉のケアが欠かせなかったり、筋トレをしなくてはいけなかったりと意外とストイックなので、大学に入ってからはすっかり止めてしまいました。特にサークルには入りませんでしたが、慣れない土地での初めての一人暮らしは決して楽ではありませんでした。ほかには、イベントスタッフや家庭教師のアルバイトをしていました。

2007年に憧れのダニエル・タルハム教授がおられたフロリダ大学に留学しました。教授の論文はとにかく緻密で、「こういう研究をしたい」とずっと思っていました。実際、たいへん言葉を大切にされる方で、「きちんと説明するとはどういうことか」を教えられました。
帰国して2008年5月からは、東京工業大学（2024年10月から東京科学大学）の彌田（いよだ）智一教授のところで高分子材料を研究しました。今にして思うと、彌田教授が考える「研究員だったらこのくらい研究しなさい」というレベルに私が達していなかったのかもしれませんし、「研究者として後輩たちの手本になってほしい」と思われていたのかもしれませんが、非常に厳しい方で夢にまで出てきました（笑）。しかし、この時の経験が私という研究者を形作っていることはまちがいありません。華々しい研究成果の裏側では、ものすごい数の非常に地味で泥臭い実験が行われていることも知りました。ここでの研究の量は半端ではありませんでしたが、すずかけ台キャンパスで行われる研究室対抗バレーボール大会にレギュラーで出るようにも言われたりして、心身にとってとてもタフな1年間でした。

「4月から教員になるわ」と家族に報告したら、父から「研究者である前に教育者だからそれは忘れるなよ」と言われ、ハッとしましたね。これまで朝から夜まで実験・研究することしか考えていなかった自分が、教員になるんだと強く意識しました。また、佐々木常夫さんの著書『働く君に贈る25の言葉』を紹介されました（本棚）。
一度離れたせいか、慶應義塾大学は“我が家”のように感じられ、居心地がいいですね。ただ、教員として授業を受け持つなど、これまでとは違ったたいへんさはありました。彌田イズムが染みついていたこともあって、今思い返すと、最初の頃は学生に対してかなり厳しいこともあったかなと思います。でも、輪講などで私が厳しく質問するのは、大事な部分をちゃんと理解しているかを確かめるためです。
常に心がけているのは、「学生の質問にはスパッと答える」ことです。慶應義塾大学の学生は優秀で、私に聞くまでには自分でいろいろ調べています。そして万策尽きて質問してくるのですから、私は学生が恐れずに前に進めるようなアドバイスやヒントを提供できる存在でありたいと思うのです。そのため日頃から勉強は欠かしていません。慶應義塾の「半学半教」の精神とは、こういうことかなと私なりに解釈しています。

2010年5月から青山にフラッグショップを構えるフラワーアーティストのニコライ・バーグマンさんにフラワーアレンジメントを習っています。研究では、タルハム教授やヴァルトフォーゲル教授の研究室に留学し、分野のトップランナーの研究を経験しましたが、どんな世界でも一流の人間になりたかったら、一流を知らなくてはなりません。一流のものを食べて、一流のものを見て、一流のものに触れることです。フラワーアレンジメント自体は、美しいものに触れて無になれるので、リフレッシュにもなっています。
慶應義塾大学は「独立自尊」など福澤先生の精神を大切にしていることもあり、他の大学に比べても自由な校風だと思います。学生も教員も互いの自主性を重んじています。その分、自分で自分を律しなくてはなりませんが、それでもチャレンジできる雰囲気やそのチャレンジが失敗してもとがめない雰囲気、プロセスを評価してもらえる雰囲気は非常に貴重です。この環境があるから、慶應義塾大学では学生も教員も大きく成長し、花開いているのだと思います。