深共晶溶媒：より環境に優しい製造のための持続可能な代替品

深共晶溶媒は、急速に出現しつつある設計可能な溶媒の一種であり、 グリーンケミストリー、材料合成、電気化学システムを変革してきました。2000年代初頭に概念的に初めて体系化されたこれらの溶媒は、2つ以上の成分、通常は水素結合供与体（HBD）と水素結合受容体（HBA）を特定のモル比で混合して、 共晶混合物 を生成することで形成され、その融点は個々の成分のいずれよりも劇的に低くなります。 

この融点降下は、強力な水素結合相互作用が純物質の結晶構造を破壊し、比較的低温で液相が生じるために起こります。その結果、深共晶溶媒は多くの場合、 調製 できます。複雑な精製や乾燥の工程を必要とせず、単純な加熱と攪拌によって行われます。

深共晶溶媒の研究の発展における重要な要因は、その持続可能性です。従来の有機溶媒や一部のイオン液体とは異なり、安価で容易に入手でき、多くの場合生分解性のある成分から合成できます。HBAの一般的な例には塩化コリン（ChCl）などの第四級アンモニウム塩が含まれ、HBDには尿素、グリセロール、カルボン酸、有機酸、天然代謝物などの化合物が含まれることがよくあります。 

その低い蒸気圧は引火性の懸念を減らし、有害な排出を制限します。一方で、調整可能な極性、粘度、酸性度、および溶媒和能力により、研究者は特定の用途に合わせて溶媒を調整する非常に高い柔軟性を得ることができます。深共晶溶媒は生体適合性分子を組み込むことができるため（天然深共晶溶媒：NADESとも呼ばれます）、生物学的システム、天然物抽出、製薬処方に関わる用途に独自に適しています。

深共晶溶媒が研究の注目を集めている理由

私たちは、 CAS Content Collection^TM（科学情報の人間によるキュレーションとしては世界最大のリポジトリ）を活用し、深共晶溶媒に関する膨大な公開情報から、実行可能な洞察を抽出しました。私たちは、 STN™を搭載したCAS IP Finderで特定のクエリを作成し、20,000件を超える関連ジャーナルおよび特許文献を分析しました（図1を参照）。 

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図1は、CAS IP Finder™が提供する「分析」機能を使用して取得した、深共晶溶媒に関連する文献の経時的トレンドを示しています。 同様のトレンドを調査している研究者は、 CAS SciFinder®の人工知能を活用した検索機能を利用して、自身の特定の研究分野におけるパターンを特定することも可能です。

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深共晶溶媒の出版トレンドは、成熟期へと移行しつつある新興分野に特徴的な急成長を示しています。この停滞期を経て劇的な加速を見せるパターンは、このトピックがニッチな領域から、科学コミュニティーにおける主流の研究焦点へと進化したことを示しています。 

しかし、重要な観察点は、文献タイプ間に顕著な不均衡があることです。ジャーナル論文がこの分野を支配している一方で、パテントファミリーが占める割合は大幅に小さくなっています。この不均衡は、この分野が依然として基礎研究の段階にあり、商業的応用への移行が限定的であることを示唆しています。学術的な関心と知的財産の開発との間のこのギャップは、商業化への障壁が存在するか、あるいは実用化が加速する前に基礎知識がまだ確立されている段階であることを示しています。

深共晶溶媒（DES）は、なぜ商業化に至っていないにもかかわらず、これほど期待されているのでしょうか。これらの溶媒はイオン液体といくつかの共通点を持っており、どちらも低揮発性で調整可能なイオン性を持つ溶媒と考えられています。しかし、両者には顕著な違いがあります。イオン液体は完全にイオンのみで構成され、完全なイオン性を示すのに対し、深共晶溶媒は 部分的にイオン性を示す に過ぎません。なぜなら、それらは水素結合を介して相互作用する分子種で構成されているからです。 

深共晶溶媒は、容易に入手可能な、多くの場合バイオ由来の成分から合成されるため、大幅に安価です。一方、イオン液体は多段階の合成と高価な塩を必要とします。さらに、深共晶溶媒は合成が容易であり、これはイオン液体に伴う複雑な調製および精製プロセスとは対照的です。

機能的な観点から見ると、深共晶溶媒は従来の有機溶媒や水系溶媒とは大きく異なる独自の溶媒和環境を示します。これらは多数の無機塩、金属酸化物、ポリマー、生体分子を溶解できるため、他の媒体では困難な反応やプロセスを可能にすることがよくあります。その広い電気化学窓、高いイオン伝導性（一部の組成において）、および安定性は、次世代電池、金属電析、スーパーキャパシタの魅力的な候補となっています。 

材料化学において、これらの溶媒はナノ材料、 金属有機構造体 （MOF）や 共有結合性有機構造体 （COF）、多孔質炭素、触媒を合成するための強力な媒体として登場しており、過酷な条件を避けつつ、核生成と成長を精密に制御できます。これらは、電子廃棄物からの金属抽出、バイオマス処理、二酸化炭素回収など、資源回収やリサイクルを支援するプロセスでますます採用されています。これらの用途は、持続可能な材料の回収と再利用を可能にすることで、循環型経済に貢献しています。

全体として、深共晶溶媒は従来の有機溶媒や高価なイオン液体に代わる有望な選択肢であり、触媒、電気化学、製薬、材料科学の分野における用途に対して、汎用性が高く、費用対効果に優れた環境に優しいソリューションを提供します。

深共晶溶媒の種類

深共晶溶媒は、水素結合供与体（HBD）および水素結合受容体（HBA）成分の性質に基づいて、いくつかのタイプに分類されます。 Abbottら は当初、タイプIからIVで構成される分類システムを提案しましたが、後に従来の第四級アンモニウム塩以外のシステムにも対応できるよう、タイプVを含むように拡張されました。この分類は、深共晶溶媒の形成、物理化学的挙動、および潜在的な用途を理解するための体系的な枠組みを提供します。

• タイプI： これらは、塩化コリン（ChCl）のようなハロゲン化物である第四級アンモニウム塩と、ZnCl₂やSnCl₂のような金属塩化物を含む金属塩を組み合わせることで形成されます。金属塩はルイス酸として作用し、ハロゲン化物アニオンとの相互作用が融点の著しい低下をもたらします。 

• タイプII： これらの溶媒も第四級アンモニウムハロゲン化物塩に依存していますが、金属成分は水和物の形で存在します。 存在 金属イオンに配位した水分子は、水素結合およびイオン相互作用に影響を与え、融点をさらに低下させ、イオン伝導度を向上させます。 

• タイプIII： これらは最も 研究されている タイプであり、その簡便さ、費用対効果、生分解性が理由です。これらの系では、第四級アンモニウム塩が水素結合受容体（HBA）として機能し、尿素、グリセロール、エチレングリコール（EG）、または有機酸などの分子化合物が水素結合供与体（HBD）として機能します。成分間の強力な水素結合により融点が大幅に低下し、室温または室温付近で液体となります。調整可能な極性と低毒性により、抽出プロセス、バイオマス変換、および製薬用途において魅力的です。 

• タイプIV： これらの深共晶溶媒は、金属塩がHBAとして機能し、HBDが尿素やEGなどの分子化合物であるという点で、前述のカテゴリーとは異なります。これらの系は高濃度の金属イオンを取り込むことができ、金属中心と分子ドナー間の配位が、その独自の構造的および電気化学的特性に寄与しています。 

• タイプV： タイプVは、第四級アンモニウム塩や金属ハロゲン化物に依存しない、より広範で新しいカテゴリーです。代わりに、両方の 成分 は、有機酸、アミド、ポリオール、糖類、その他の中性分子など、強力な水素結合を形成できる分子種です。このカテゴリーは、天然由来の生体適合性成分を使用するNADESの概念と重複します。タイプVの溶媒は、食品、製薬、生物学的用途に合わせて設計された、環境に優しい溶媒を設計する上で並外れた柔軟性を提供します。

分析した文書には、関連するインデックスされた物質が含まれていました。これらの記録から、深共晶溶媒を形成することが知られている上位15の物質ペアを特定しました（図2を参照）。

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研究の注目度は、塩化コリン（ChCl）ベースのシステムに極めて集中していることが明らかになりました。上位にランクインしたペアの大部分で塩化コリンが圧倒的な存在感を示しており、この分野における主要な水素結合受容体（HBA）となっていることがわかります。これは主に、その入手しやすさ、簡便な調製方法、そして広範な特性評価によるものであり、多様な手法やアプリケーションでの再利用を容易にしています。 

重要な点として、分析の結果、上位15のペアはすべてタイプIIIおよびタイプVのシステムで構成されていることが示されました。タイプIII溶媒が優勢であることは、イオン成分ベースのシステムがその簡便さと費用対効果の高さから、最も重点的に研究されていることを示しています。

対照的に、タイプV溶媒の割合が比較的限定的であることは、これらの全分子系がその生体適合性と環境面での利点から評価されていることを示唆しています。この傾向は、より安全で持続可能な溶媒を設計するという広範な動きと一致しており、研究が金属を含まない製剤へと明確にシフトしていることを示しています。

塩化コリンおよび新しい物質ペア

さらに物質ペアを調査し、2021年から2025年にかけて出現しつつあるもの、あるいは前年比（YoY）で高い成長を示しているものを特定しました（図3を参照）。

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新興の深共晶溶媒ペアの状況を見ると、確立された研究の存在感と成長の勢いの間に顕著な逆相関が見られます。累積的な出版物数が少ないシステムほど、大幅に高い成長率を示しています。このパターンは、この分野が歴史的に支配的であった製剤を超えて多様化していることを示唆しています。従来のベンチマークシステムは成長率が低くボリュームが大きい象限を占めており、基礎的な特性評価が飽和状態にあることを示しています。一方、新しい組み合わせは、調査対象としての関心の拡大や、これまで未踏であったアプリケーションの発見の可能性を反映し、高い成長軌道を描いています。

注目すべきは、高成長領域においてベタインベースの製剤が際立って優勢であることです。ベタインと様々な水素結合供与体を組み合わせたペアが高い成長率を示していることは、万能な水素結合受容体としての塩化コリンから脱却するというパラダイムシフトの兆候です。これは、ベタインの両性イオンとしての性質、向上した生体適合性、天然由来であること、あるいは有利な規制上のプロファイルが推進力となっている可能性があります。 

この組成の多様化は、深共晶溶媒研究の第2世代を象徴するものです。これは、手法の成熟と、従来のコリンベースのシステムの限界を克服し得る代替的なイオンフレームワークの体系的な探索が進んでいることを示しています。

特許データの割合は、出版物としての成熟度と商業的応用の間の乖離を浮き彫りにしています。新興のベタインベースの製剤は、学術的な関心と知的財産（IP）への関心を同時に集めており、商業的な可能性が強く認識されていることを示しています。対照的に、確立された塩化コリンペアは、広範な研究対象となっているにもかかわらず、特許への関与は比較的低く、保護すべき新規性が限定的であるか、市場導入に対する障壁が残っていることが示唆されます。 

全体として、このパターンは、従来のコリンベースの深共晶溶媒を超えて、差別化された性能、規制上の利点、あるいは未解決の産業ニーズに対するソリューションを約束する、代替的なベタイン中心のシステムへとイノベーションがシフトしていることを示唆しています。

医薬品製造から廃水処理、さらにはそれ以外の分野における応用

私たちは深共晶溶媒の主要な応用分野を特定し、それらの領域におけるジャーナルおよび特許の活動状況を分析しました（図4を参照）。各応用分野における研究活動の分布は、これらの溶媒が具体的な技術的進歩を実現する上でいかに多用途であるかを反映しています。 

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生物医学において、深共晶溶媒、特にNADESは、疎水性医薬品の可溶化促進、タンパク質や酵素といった生体分子の安定化、および経皮・経粘膜輸送の促進を通じて、薬物送達をサポートします。生物学的適合性を維持しつつ分子の安定性を向上させるその能力は、抗菌製剤や凍結保存戦略のための魅力的な媒体としても注目されています。 

バイオマスの有効利用は、もう一つの主要な 重点分野であり、ここではこれらの溶媒が、選択的な脱リグニン、ヘミセルロースの溶解、およびバイオ変換のための糖収率を高めるリグノセルロース系原料の前処理に使用されています。比較的穏やかな条件下でフルフラールや5-(ヒドロキシメチル)フルフラールといったプラットフォーム化学物質を抽出する能力は、持続可能なバイオリファイナリー事業におけるそれらの妥当性をさらに強調しています。

食品および栄養補助食品の分野では、深共晶溶媒は 抽出 に広く使用されており、植物マトリックスからポリフェノール、フラボノイド、カロテノイド、その他の生体活性化合物を抽出する際、抗酸化機能を保持しながら有機溶媒に代わるよりクリーンな選択肢を提供します。 

触媒研究では、これらの物質を酸塩基触媒、金属触媒による変換、および生物触媒プロセスの反応媒体として活用しています。その構造化された水素結合ネットワークは、多くの場合、触媒の安定性を高め、基質の活性化を促進し、製品の選択性向上をサポートします。 

一方、環境修復においては、深共晶溶媒は染料の除去、重金属の隔離、廃水からの残留性有機汚染物質の抽出といったタスクに使用されています。また、酵素的または光触媒的な分解のための共媒体として機能するものもあり、より環境に優しくエネルギー効率の高い水処理経路をサポートしています。

深共晶溶媒のエネルギー関連用途も同様に多岐にわたります。リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池の電解質、燃料電池のプロトン伝導媒体、高性能スーパーキャパシタのイオン環境としての役割を担っています。その熱安定性、低い引火性、広い電位窓により、従来の電解質に代わる魅力的な選択肢となっています。 

電析研究では、ニッケル、銅、コバルトおよびその合金などの均一な金属被膜を形成するために深共晶溶媒が使用されており、水系めっき浴で必要とされる腐食性添加剤を使用せずに制御された析出が可能です。金属抽出用途では、鉱石、使用済み触媒、電子廃棄物から貴重な金属を選択的に浸出・回収するために使用されます。例えば、コリンベースの深共晶溶媒は、配位子支援錯体形成を通じて貴金属を溶解できるため、従来の強鉱酸に代わる、より安全で環境に優しい選択肢となります。 

ガス回収および分離の研究では、特定のガスに対する調整可能な水素結合親和性を活かし、CO₂吸収、SO₂除去、バイオガス精製におけるこれらの溶媒の利用が検討されています。 

最後に化粧品分野では、深共晶溶媒は天然の可溶化剤、保湿剤、植物エキスのキャリアとして機能し、クリーンラベルという消費者のトレンドに沿った、より穏やかな植物由来の製剤開発を可能にします。

図4に示す研究は、深共晶溶媒が単なる理論上のグリーン溶媒ではなく、生物医学、持続可能な化学、エネルギーシステム、環境管理、消費者製品といった分野全体で、ターゲットを絞った技術的ソリューションを実現する実用的な手段であることを強調しています。

グリーン製造における物質ペアと用途

さらに、これらの用途全体で最も多く使用されている深共晶溶媒の物質ペアを調査しました（図5参照）。この分析により、深共晶溶媒の製剤と応用分野との間の複雑な関係が明らかになりました。 

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従来の塩化物ベースのタイプIIIシステム（ポリオール、尿素、有機酸とペア）は、すべての応用カテゴリーにわたって実質的なフロー分布を示し、驚くべき汎用性を実証しました。この幅広い適用性は、これらの確立された製剤が、多様な機能要件に対応できる汎用プラットフォームとして機能することを示しており、その歴史的な重要性と、潜在的に真の多機能性を反映しています。 

並行して、いくつかのタイプV製剤は、よりターゲットを絞ったストリームとして現れており、生体適合性、調整可能な酸性度、粘度制御といった特性が有利に働く、生物中心および修復指向のコンテキストに優先的に関連付けられています。 

全体として、これは用途の選択が単一の最適な混合物によって決まるのではなく、極性、酸性度、水素結合能、イオン特性の体系的な調整を可能にする組成ファミリー（ポリオール、カルボン酸、炭水化物など）によって決まることを示しています。これは、深共晶溶媒の構造的および化学的多様性が、いかにして高度な技術全体での調整された展開を可能にするかを強調しています。この多様性はまた、既存システムへの過度な依存を最小限に抑え、潜在能力が高く未開拓の製剤を表面化させるために、特性主導型の選択フレームワークと標準化された報告を動機付けるものでもあります。

今後の展望：一貫性が深共晶溶媒の採用を促進する

従来の溶媒に代わる多用途かつ持続可能な選択肢として注目を集めているにもかかわらず、深共晶溶媒（DES）は、より広範な産業利用を妨げるいくつかの科学的および技術的な課題に直面し続けています。最大の障壁は、組成、特に 水分含有量に対する極めて高い感受性です。水分は水素結合ネットワークを再構成し、粘度、極性、および電気化学的挙動を変化させます。こうした組成の変化は、再現性を確保するために、標準化された調製、品質評価、および日常的な in situ での水分定量化の必要性を浮き彫りにしています。  

同様に重要なのが高い 粘度であり、これは最もよく知られた実用上の制約の一つです。粘度の上昇は、物質移動や熱移動を阻害し、分離効率を制限し、電気化学的または触媒的な応用を制約します。同時に、深共晶溶媒の毒性および環境プロファイルは、完全には解明されていません。特にNADES（天然深共晶溶媒）は「グリーン」と称されることが多いものの、最近の 研究 では矛盾する毒性結果が報告されており、標準化された試験プロトコルと、より広範な生物レベルでの評価の必要性が強調されています。 

今後、DES研究の進展は、組成報告、純度管理、および水分管理に関する厳格な基準の確立にかかっており、ラボでの調製から産業展開に至るまで一貫性を保証できる迅速な品質管理ツールによって支えられる必要があります。分子モデリング、分光法、およびハイスループットスクリーニングにおける継続的な進歩により、既存の知識のギャップが埋まりつつあり、用途に応じた溶媒システムのより合理的かつ予測的な設計が可能になっています。 

これらの発展が相まって、深共晶溶媒は絶えず進化するプラットフォームとしての地位を確立し、その潜在能力は、設計、特性評価、および持続可能な実装における協調的な進歩を通じて初めて完全に実現されるでしょう。

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