戦前までは金塊よりも価値の高い製品だった…レジ袋の大量生産を可能にしたドイツ人研究者の”ある発見”

レジ袋はいつ一般的になったのか。河合塾の化学科講師の大宮理さんは「レジ袋の素材として使われるポリエチレンは、かつては大量生産が困難で、戦前までは金塊よりも価値が高かった。大量生産を可能にしたのは、ドイツ人研究者の偶然の発見だった」という——。

※本稿は、大宮理『ケミストリー現代史　その時、化学が世界を一変させた！』（PHP文庫）の一部を再編集したものです。

■はじまりは新品の機関銃の保護フィルムだった

100年前と比べて、私たちの生活を劇的に変えた物質は何でしょうか。

それはプラスチックです。青銅器時代や鉄器時代のような分類をすれば、現代はプラスチック時代といえます。プラスチックは都市を包み、人類を宇宙へと打ち上げ、大量消費社会を象徴するアイコンになりました。

第2次世界大戦で金属が兵器の生産に優先されると、その不足した分の素材をプラスチックに求めていく動きが活発になりました。化学工業は合成ゴムやフェノール樹脂などを全力で生産しますが、戦後、これらプラスチックが余ってしまい、新しい消費材の活路を見出していくことになります。

たとえば、どこの家のキッチンにもあるラップがその象徴です。正式名称は、ポリ塩化ビニリデンといいます。アメリカのダウケミカルが生産し、第2次世界大戦のときには、輸送中の新品の機関銃などを海水や潮風などから守る保護フィルムなどに用いられていました。

写真＝iStock.com／Basilios1
※写真はイメージです – 写真＝iStock.com／Basilios1

戦後、需要が激減し、もてあまして困り果てたフィルム製造企業の社員ラドウィックとアイアンズの二人が、フィルムを持って帰ったところ、ラドウィックの妻がレタスなどをきれいにラップしてピクニックに持ってきて、これを見た女性陣のあいだで大変な評判になりました。

この一件をヒントにロール状に巻いたフィルムを開発し、食品用ラップへと新しい活路が見出されたのです。ラドウィックとアイアンズのそれぞれの妻の名前、サラとアンから「サランラップ」と名付けられました。

■ドイツの小さな研究室で起きた偶然の発見

1950年代、世界のプラスチック生産は約200万トンでした。それが1960年代中ごろには12倍以上増えて約2500万トン、さらに1975年には約5000万トンまで増えます。

このプラスチックの“ビックバン”が起こるきっかけが、1953年にドイツの小さな研究室で起こった偶然の発見でした。

ドイツの名門、マックスプランク研究所の研究員だったカール・チーグラー教授は1950年代初頭、金属と炭素原子が結合した有機金属化合物という物質を研究していました。

あるとき、トリエチルアルミニウムという化合物とエチレンを耐圧容器に入れて反応させたところ、エチレンの分子2個がつながった化合物が得られました。「なぜエチレンがつながったのか」と、チーグラーは不思議に思い、原因を究明すると、容器の洗浄が不十分だったため、前の実験で使ったニッケルの微粉末が付着していたことが原因だとわかりました。

■かつては1000気圧もの高圧が必要だった

そこで、チーグラーは、ニッケルのような遷移元素（周期表で第3族元素から第11族元素の間に存在する元素）といわれるグループの金属や化合物を薬品庫からすべて持ち出し、手当たりしだいに実験しました。

そして、1953年10月26日、ジルコニウムという金属の化合物とトリエチルアルミニウムを触媒にすると、何千個ものエチレン分子がつながってポリエチレンという巨大な分子になることを発見したのです。

さらに、四塩化チタン（TiCl₄）とトリエチルアルミニウム〔Al（C₂H₅）₃〕の組み合わせが最高の触媒になることを発見しました。小さな分子をたくさんつなげる反応を「重合反応」といい、これを促進する触媒を見つけたのです。

それまでは1000気圧もの高圧でエチレンを重合してポリエチレンをつくっていましたが、ついに常圧でも重合反応を簡単に進められる夢のような「チーグラー触媒」を発見しました。

■戦時中は金塊以上の価値があるものだったが…

この触媒どうしが反応してチタンの特殊な化合物ができると、チタンのイオンがエチレンの分子を取り込み、エチレンをどんどんつなげて巨大な鎖状の分子にすることができます。

ポリエチレンは第2次世界大戦ではレーダーの素材として一国の運命を握る分子でした。その合成は高圧を必要として困難を極め、戦略物資として金塊以上の価値がある物質でした。それがいまやスーパーマーケットのレジ袋やショッピングバッグなどとして大量に使用され、ゴミ問題を起こすほど氾濫しています。

この大量生産を可能にしたのがチーグラー触媒なのです。この触媒の発明は世界中の研究者に衝撃を与えました。まさに現代の魔法であり、“カール・チーグラーと賢者の石”のような衝撃でした。

チーグラー触媒が垂涎(すいぜん)の的となり、世界中の研究者がその情報の入手に忙殺されるなか、当時の三井化学工業の社長が1954年、ライセンス料も含めた見学料として、なんと約4億3200万円もの大金を払うことを即決したのです。

■ポリプロピレンの発明

ポリエチレンと並んで、大量に生産されているのがポリプロピレンです。ポリプロピレンは、オフィスや学校で書類収納に使われたり、美術館やアニメのイベントで売られたりするクリアファイルから、自動車のバンパーまで、さまざまなところで使われています。

原料のプロペンは、重合させても糊のようなべとついた変なものにしかならず、ポリプロピレンは実用化できませんでした。

チーグラー触媒が発明されたという情報を、チーグラーと契約していたイタリアの巨大化学企業、モンテカチーニから入手したミラノ工科大学のジュリオ・ナッタ教授は、チーグラー触媒を改良して実験を重ねます。そして、三塩化チタン（TiCl₃）とトリエチルアルミニウムの触媒を用いて、1954年3月にポリプロピレンの重合に成功しました。

ポリエチレンと違ってポリプロピレンは、多数のメチル基（-CH₃）がメインの炭素原子の鎖から突き出していますが、この向きがバラバラ（アタクチック）だと糊のようになってしまうのです。ナッタが発明した触媒は、このメチル基（-CH₃）の向きをそろえたものになり（アイソタクチックポリプロピレン）、分子どうしが結晶化しやすいので優れたプラスチックになるのです。

写真＝iStock.com／patpitchaya
※写真はイメージです – 写真＝iStock.com／patpitchaya

■ノーベル化学賞を共同受賞

モンテカチーニは、ナッタの触媒を用いたポリプロピレン生産の特許を取得して実用化しました。世界中の石油化学の企業の関係者がポリプロピレン生産を自社にも導入しようと、イタリアまで通う“モンテ参り”がはやりました。

大宮理『ケミストリー現代史　その時、化学が世界を一変させた！』（PHP文庫）

チーグラーとナッタの二人は、プラスチック時代を生み出す触媒の発明で1963年のノーベル化学賞を共同受賞します。だが、チーグラーの発明した触媒は四塩化チタン、ナッタの発明した触媒は三塩化チタンと、パンケーキとホットケーキの違いくらいの感じですから、チーグラーは、ナッタの発明は自分の研究の剽窃(ひょうせつ)であると批判を続け、二人は犬猿の仲になりました。

金属原子と炭素原子が直接結合した構造を持つものを有機金属化合物といいますが、チーグラー触媒の発見でこの分野が大きく開花します。

1980年にはドイツのウォルター・カミンスキーがチーグラー触媒を超える高性能の重合用触媒「カミンスキー触媒」を発見しました。

現代の化学工業では、化学反応を驚異的に加速する触媒の技術が大きく貢献していますが、それらの触媒の多くが遷移元素の金属の有機金属化合物です。触媒こそ、起こりにくい反応を驚異的に加速して反応させる、まさに現代文明を支える魔法なのです。

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大宮 理（おおみや・おさむ）
河合塾化学科講師
東京・練馬区に生まれ育つ。都立西高校卒業後、早稲田大学理工学部応用化学科で機能性高分子化学の研究室にて研究するも、父親の自己破産で極貧のため大学院にも進学できず、誰にも惜しまれずに卒業、化学の予備校講師に。代々木ゼミナールで衛星放送の授業などを担当したあと、河合塾講師として現在は中部地区の河合塾で授業や教材、模擬試験作成を担当する。『苦手な化学を克服する魔法の本』『もしベクレルさんが放射能を発見していなければ』（以上、PHP研究所）や学参など多数の著作がある。iOSアプリ「インスタ化学」を主宰。独身時代にローマ帝国とイタリアを体感すべく跳ね馬「フェラーリ」を乗りまわすも、いまは二人の子供にお馬さんごっこで乗られている。古書店めぐりや歴史、ミリタリー、プラモデル、自動車、鉄道、模型、自転車（ロードバイク）、ワイン、蒸留酒、日本酒、料理、クラシックやアート鑑賞など多趣味が災いして、日々、人生の“大後悔時代”を歩んでいる。
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（河合塾化学科講師 大宮 理）

引用元：BIGLOBEニュース