TEAMケイ素化学チーム

• 高機能有機ケイ素材料のための触媒技術開発（主担当：永縄・吉田）
• 固体DNP-NMRを活用する触媒や高分子材料の精密構造解析（主担当：田中・吉田）
• 高機能, 高安定プラスチックのケミカルリサイクル技術の開発（主担当：南・田中・吉田）
• 遷移金属錯体触媒や有機触媒などさまざまな触媒を駆使した単純化合物の直截変換技術の開発（主担当：南・吉田）
• リン資源循環技術の開発（主担当：永縄・吉田）

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高機能有機ケイ素材料のための触媒技術開発

有機ケイ素材料は、高耐熱性、耐光性、光透過性等他の材料では代替できない多くの優れた特性を有しています。しかし、従来の製造法は構造制御性、選択性、コスト等において多くの問題を抱えています。これらを解決し、従来にない高性能材料を低コストで製造するための技術開発に取り組んでいます。

１）高機能ヒドロシリル化触媒の開発

アルケン類のヒドロシリル化反応は有機ケイ素化合物を与える最も有用な炭素－ケイ素結合形成反応の一つです。ケイ素化学チームでは、「豊富で安価な卑金属の利用」「少ない触媒量でも高活性」「副反応を抑えた高選択性」「様々な官能基に対する許容性」などの優れた特徴を持つ新しいヒドロシリル化用金属錯体触媒の開発に取り組んでいます。こうした触媒開発を通じて、既存の有機ケイ素化合物合成プロセスの短行程化および新しい有機ケイ素化合物の開発と応用を目指します。

参考文献

ACS Omega 2023, 8, 5672–5682.
Commun. Chem. 2021, 4, 63
産総研プレス発表 「有機ケイ素原料を効率的に合成できるロジウム錯体触媒を開発」2021/05/11
Nature Japan author interview article
Tetrahedron Lett. 2020, 61, 151513.
Dalton Trans. 2019, 48, 5534-5540.
Org. Lett. 2017, 20, 12-15.

２）クロロシランの触媒的分子変換技術の開発

ケイ素化学工業において安価に量産されているクロロシラン類を原料とし、新たに見出したニッケルあるいはパラジウム触媒を用いることで、種々の有機基を持つクロロシランを効率よく選択的に合成することができます。例えば安価なアルケン類および有機アルミニウム化合物を有機基源として用いることが可能です。また、従来のクロロシランへの有機基の導入法である、高価で反応性の高い有機金属試薬を用いる反応と比較すると、本開発手法は温和な条件下で反応が進行し、ジまたはトリクロロシラン類に対して１つあるいは２つの有機基を選択的に導入することが可能になりました。得られた有機ケイ素化合物は、シリコーンやシランカップリング剤などの有用な有機ケイ素材料の合成中間体であり、これを利用した様々な材料への応用が期待されます。

参考文献

J. Synth. Org. Chem. Jpn. 2023, 8, 5672–5682.
Eur. J. Org. Chem. 2022, e202101477.
Org. Lett. 2021, 23, 601-606.
ChemCatChem 2019, 11, 3756-3759.
Org. Lett. 2018, 20, 2481-2484.

固体DNP-NMRを活用する触媒や高分子材料の精密構造解析

合成化学の分野において溶液NMRは欠かせないツールですが、固体NMRは汎用されていません。これは固体NMR研究がこれまで物理化学的な側面が強かったためと思われます。固体NMRの技術は日進月歩で進化を続けており、溶液NMR並みの高感度でシグナル観測できるレベルに達しています。そこで我々は、固体NMRの合成化学分野への活用に着目し研究を進めてきました。特に、ここ１０数年で急速に発展した動的核偏極 (Dynamic Nuclear Polarization) を利用する固体NMR (DNP-NMR)に着目しました。当チームでは、特に担持型触媒や高分子材料の局所構造解析について精力的に取り組んでおります。

参考文献

Annual Reports on NMR Spectroscopy 2022, 105, 1-46.
Chem. Sci. 2022, 13, 4490-4497.
Macromolecules 2022, 55, 2806-2812.
Phys. Chem. Chem. Phys. 2020, 22, 3184-3190.

高機能、高安定プラスチックのケミカルリサイクル技術の開発

プラスチックのケミカルリサイクルは、炭素資源の資源循環の達成に際し、今後の社会に不可欠な技術です。実際に、いくつかの汎用プラスチックやエンジニアリングプラスチックのモノマーへの再生について、商業化に向けた取り組みがなされているなど、精力的に実施されています。その一方で、スーパーエンジニアリングプラスチックや熱硬化性樹脂などの高機能、高安定プラスチックは、その高い安定性ゆえ、ケミカルリサイクルが極めて困難です。こうした状況を打開し、あらゆるプラスチック製品のケミカルリサイクルを達成すべく、研究を進めています。こうして、限りある資源の有効利用に貢献します。たとえば、スーパーエンジニアリングプラスチックPEEKのモノマー単位生成物への解重合を、世界で初めて成功しています。

参考文献

ChemSusChem 2023, e202300684.
JACS Au 2023, 3, 2323-2332.
Commun. Chem. 2023, 6, 14.
Synthesis 2021, 53, 3351-3354.

遷移金属錯体触媒や有機触媒などさまざまな触媒を駆使した単純化合物の直截変換技術の開発

安定で簡単な構造からなる炭化水素、有機ケイ素化合物、有機硫黄化合物、また酸素化合物を有機反応によって簡便に変換する触媒技術の開発に取り組んでいます。こうして、いろいろな高付加価値化合物を創生することを目標としています。本技術は、ケミカルリサイクル，バイオマスの有効利用，廃棄物の再資源化の発展につながるなど、限りある資源の有効利用をもたらすと期待されます。

参考文献

ChemCatChem 2021, 13, 855-858.

リン資源循環技術の開発

リンは、DNAなどの構成元素でありあらゆる生物にとって欠くことのできない元素です。一方、リン酸や黄リンなど基幹リン化成品は、我が国では産出せずかつ枯渇性資源であるリン鉱石を原料としていることから、近年リン資源循環技術の開発に注目が集まっています。そこで、当チームでは未利用リン資源である下水汚泥焼却灰など廃棄物中に含まれ、化学的に安定なリン酸態リンの変換反応に挑戦しています。廃棄物を高付加価値なリン化成品へとアップサイクルする高難度物質変換を実現し、これまで使い捨てられていたリンの資源循環サイクルの確立に貢献します。

参考文献

「リン酸エステルの製造法」特許第7462294号

＊原著論文＊

２０２４年

“One-Step Esterification of Phosphoric, Phosphonic and Phosphinic Acids with Organosilicates: Phosphorus Chemical Recycling of Sewage Waste”

Naganawa, Y.;* Sakamoto, K.; Fujita, A.; Morimoto, K.; Ratanasak, M.; Hasegawa, J.-y.; Yoshida, M.; Sato, K.; Nakajima, Y.*

Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202416487.  [プレスリリース] [Selected as Hot Paper]

“Degradation of stable thermosetting epoxy resins mediated by bases in amide solvents”

Minami, Y.;* Tsuyuki, T.; Ishikawa, H.; Shimoyama, Y.; Sato, K.; Yoshida, M.

Polymer J. 2024, in press.  [プレスリリース]

“Facile Depolymerization of Thermally Stable Polyetherethersulfone and Polyetheretherketone Using Hydroquinone and Bases”

Minami, Y.;* Honobe, R.; Tsuyuki, S.; Sato, K.; Yoshida, M.

ChemSusChem2024, e202401778. [Selected as VIP]

 

“Alcoholysis of oxyphenylene-based super engineering plastics mediated by readily available bases”

Minami, Y.;* Honobe, R.; Inagaki, Y.; Sato, K.; Yoshida, M.

Polymer J. 2024, 56, 369.

“Catalytic thiolation-depolymerization-like decomposition of oxyphenylene-type super engineering plastics via selective carbon–oxygen main chain cleavages”

Minami, Y.;* Imamura, S.; Matsuyama, N.; Nakajima, Y.; Yoshida, M.

Commun. Chem. 2024, 7, 37.

“Depolymerization of Polyester Fibers with Dimethyl Carbonate-Aided Methanolysis”

Tanaka, S.;* Koga, M.; Kuragano, T.; Ogawa, A.; Ogiwara, H.; Sato, K.; Nakajima, Y*

ACS Mater. Au 2024, 4, 335.

“Suzuki-Miyaura Cross-Coupling Reaction Using Palladium Catalysts Supported on Phosphine Periodic Mesoporous Organosilica”

Iizuka, K.; Maegawa, Y.; Shimoyama, Y.; Sakamoto, K.; Kayakiri, N.; Goto, Y.; Naganawa, Y.; Tanaka, S.; Yoshida, M.; Inagaki, S.; Nakajima, Y.*

Chem. Eur. J. 2024, 30, e202303159.

“Iridium Catalyst Immobilized on Crosslinked Polyethyleneimine for Continuous Hydrogen Production Using Formic Acid”

Sawahara, K.; Tanaka, S.; Kodaira, T.; Kanega, R.; Kawanami, H*

ChemSusChem 2024, 17, e202301282.

２０２３年

“Oxidative Depolymerization of Polyphenylene Oxide into Benzoquinone”

Shimoyama, Y.; *Nakajima, Y

ChemSusChem 2023, e202300684. (link)

“Hydroxylation-Depolymerization of Oxyphenylene-Based Super Engineering Plastics To Regenerate Arenols”

*Minami, Y.; Inagaki, Y.; Tsuyuki, T.; Sato, K.; Nakajima, Y.

JACS Au 2023, 3, 2323–2332. (link)

“Depolymerization of robust polyetheretherketone to regenerate monomer units using sulfur reagents”

*Minami, Y.; Matsuyama, N.; Takeuchi, Y.; Watanabe, R.; Mathew, S.; Nakajima, Y.

Commun. Chem. 2023, 6, 14.  (link)

“Borane-Protecting Strategy for Hydrosilylation of Phosphorus-Containing Olefins”

*Naganawa, Y.; Fujita, A.; Sakamoto, K.; Tanaka, S.; Sato, K.; *Nakajima, Y.

ACS Omega 2023, 8, 5672–5682.  (link) [Selected as Supplementary Cover Art]

“One‐Pot Synthesis of Polymers Containing P-C Bonds in the Main Chain”

Mathew, S.; Naganawa, Y.; Jiang, F.; Wischert, R.; Streiff, S.; Metivier, P.; *Nakajima, Y.

Macromol. Rapid Commun. 2023, 44, 2200921.  (link) [Selected as Cover Picture]

２０２２年

“Heterolytic cleavage of a Si–H bond by a metal–ligand cooperation of a cationic iridium amido complex and hydrosilylation of aldehyde”

Iizuka, K.; *Nakajima, Y.; Sato, K..

Dalton Trans 2022, 51, 12781-12785.  (link) [Selected as Inside Front Cover]

“DNP NMR Spectroscopy Enabled Direct Characterization of Polystyrene-supported Catalyst Species for Synthesis of Glycidyl Esters by Transesterification”

*Tanaka, S.; Nakajima, Y.; Ogawa, A.; Kuragano, T; Kon, Y.; Tamura, M.; Sato, K.; *Copéret, C.

Chem. Sci. 2022, 13, 4655-4655.  (link) [Selected as Inside Back Cover]

“End-groups of Poly(p-phenylene sulfide) Characterized by DNP NMR Spectroscopy”

*Tanaka, S.; Takada, S.; Suzuki, T.; Nakajima, Y.; *Sato, K.

Macromolecules 2022, 55, 2806-2812. (link)

 

 

“Radical Hydrodehalogenation of Aryl Halides with H₂ Catalyzed by a Phenanthroline-Based PNNP Cobalt(I) Complex”

Jheng, N.-Y.; Ishizaka, Y.; Naganawa, Y.; Minami, Y.; Sekiguchi, A.; Iizuka, K.; *Nakajima, Y.

ACS Catal. 2022, 12, 2320-2329.(link)

 

 

“Theoretical Study on Si‒Cl Bond Activation in Pd-Catalyzed Cross-Coupling of Chlorosilanes with Organoaluminum”

Naganawa, Y.; Nakajima, Y.; Sakaki, S.; *Kameo,H

Eur. J. Org. Chem. 2022, e202101477. (link)

 

２０２１年

“Long-Range Metal–Ligand Cooperation by Iron Hydride Complexes Bearing a Phenanthroline-Based Tetradentate PNNP Ligand”

Gautam, M.; Tanaka, S.; Sekiguchi, A.; *Nakajima, Y.

Organometallics 2021, 40, 3697-3702. (link)

“Capturing Ethylene Glycol with Dimethyl Carbonate Towards Depolymerization of Polyethylene Terephthalate at Ambient Temperature”

*Tanaka, S.; Sato, J.; *Nakajima, Y.

Green Chem. 2021, 23, 9412-9416. (link)

“Catalytic Reductive Cleavage of Poly(phenylene sulfide) Using a Hydrosilane”

*Minami, Y.; Matsuyama, N.; Matsuo, Y.; Tamura, M.; Sato, K.; *Nakajima, Y.

Synthesis. 2021, 53, 3351-3354 (link)

 

“Selective Hydrosilylation of Allyl Chloride with Trichlorosilane”

Inomata, K.; Naganawa, Y.; Wang, Z. A.; Sakamoto, K.; Matsumoto, K.; Sato, K.; *Nakajima, Y.

Commun. Chem. 2021, 4, 63 (link)

 

“A General and Selective Synthesis of Methylmonochlorosilanes from Di-, Tri-, and Tetrachlorosilanes”

*Naganawa, Y.; Sakamoto, K.; *Nakajima, Y.

Org. Lett. 2021, 23, 601-606. (link)

 

“Palladium/carboxylic acid‐catalyzed Alkenylation of Furfural and its Derivatives Using Alkynes”

*Minami, Y.; Miyamoto, H.; *Nakajima, Y.

ChemCatChem 2021, 13, 855-858. (link)

 

２０２０年

“Selective C-P(O) Bond Cleavage of Organophosphine Oxides by Sodium”

Zhang, J.-Q.; Ikawa, E.; Fujino, H.; Naganawa, Y.; Nakajima, Y.; *Han, L.-B.

J. Org. Chem. 2020, 85, 14166–14173. (link)

 

“Co(I) complexes with a tetradentate phenanthroline-based PNNP ligand as a potent new metal-ligand cooperation platform”

Jheng, N.-Y.; Ishizaka, Y.; Naganawa, Y.; Sekiguchi, A.; *Nakajima, Y.

Dalton Trans. 2020, 49, 14592-14597. (link)

 

“Catalytic Decarboxylation of Silyl Alkynoates to Alkynylsilanes”

Kawatsu, T.; Aoyagi, K.; Nakajima, Y.; Choi, J.-C.; Sato, K.; *Matsumoto, K.

Organometallics 2020, 39, 2947-2950. (link)

 

“Polypropylene-Based Nanocomposite with Enhanced Aging Stability by Surface Grafting of Silica Nanofiller with a Silane Coupling Agent Containing an Antioxidant”

*Watanabe, R.; Sugahara, A.; Hagihara, H.; Sakamoto, K.; Nakajima. Y.; *Naganawa, Y.

ACS Omega 2020, 5, 12431–12439. (link)

 

“Oxidative Addition of C–X Bonds and H–H Activation Using PNNP-Iron Complexes”

Gautam, M.; Yatabe, T.; Tanaka, S.; Satou, N.; Takeshita, T.; Yamaguchi, K; *Nakajima. Y.

ChemistrySelect 2020, 5, 15-17. (link)

 

２０１９年

“4,4′-Bipyridyl-Catalyzed Reduction of Nitroarenes by Bis(neopentylglycolato)diboron”

Hosoya, H.; Castro, L. C. M.; Sultan, I.; Nakajima, Y.; *Ohmura, T.; *Sato, K.; *Tsurugi, H.; *Suginome, M.; *Mashima, K.

Org. Lett. 2019, 21, 9812-9817. (link)

“Ruthenium-Catalyzed Selective Hydrosilylation Reaction of Allyl-functionalized PEG derivatives”

Inomata, K.; Naganawa, Y.; Guo, H.; Sato, K.; *Nakajima, Y.

Tetrahedron Lett. 2019, 60, 151086. (link)

 

“Nickel-Catalyzed Selective Cross-Coupling of Chlorosilanes with Organoaluminium Reagents”

*Naganawa, Y.; Guo, H.; Sakamoto, K.; *Nakajima, Y.

ChemCatChem 2019, 11, 3756-3759. (link) [Selected as Cover Picture]

 

“Synthesis of Hydrosilanes via Lewis-Base-Catalysed Reduction of Alkoxy Silanes with NaBH₄”

Aoyagi, K.; Ohmori, Y.; Inomata, K.; Matsumoto, K.; Shimada, S.; Sato, K., *Nakajima, Y.

Chem. Commun. 2019, 55, 5859-5862. (link) [Selected as Inside Cover Picture]

 

“Heterogenous Hydrosilylation Reaction Catalysed by Platinum Complexes Immobilized on Bipyridine-Periodic Mesoporous Organosilicas”

Naganawa, Y.; Maegawa, Y.; Guo, H.; Gholap, S. S.; Tanaka, S.; Sato, K.; *Inagaki, S.; *Nakajima, Y.

Dalton Trans. 2019, 48, 5534-5540. (link)  [Selected as Inside Cover Picture]

 

“Synthesis and Characterization of Silyl-Bridged Dinuclear Cobalt Complexes Supported by an N-heterocyclic Carbene”

Ishizaka, Y.; *Nakajima, Y.

Organometallics 2019, 38, 888-893. (link)

 

“Deprotonation of a PNNP-Iron Complex: Expanding the Concept of Metal-Ligand Cooperation to the PNNP-Iron System”

Takeshita, T.; *Nakajima, Y.

Chem. Lett. 2019, 48, 364-366. (link)

 

 

２０１８年

“Catalytic Reduction of Alkoxysilanes with Borane Using a Metallocene-Type Yttrium Complex”

Aoyagi, K.; Matsumoto, K.; Shimada, S.; Sato, K.; *Nakajima, Y.

Organometallics, 2018, 38, 210-212. (link)

 

“Selective Hydrosiloxane Synthesis via Dehydrogenative Coupling of Silanols with Hydrosilanes Catalysed by Fe Complex Bearing a Tetradentate PNNP Ligand”

Takeshita, T; Sato, K; *Nakajima, Y.

Dalton Trans. 2018, 47, 17004-17010. (link)

 

“Direct Silyl-Heck Reaction of Chlorosilanes”

Matsumoto, K.; Huang, J.; Naganawa, Y.; Guo, H.; Beppu, T.; Sato, K.; *Shimada, S.; *Nakajima, Y.

Org. Lett. 2018, 20, 2481-2484. (link)

 

“One-Pot Sequence-Controlled Synthesis of Oligosiloxanes”

*Matsumoto, K.; Oba, Y.; Nakajima, Y.; *Shimada, S.; *Sato, K.

Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 4637-4641. (link) [Selected as Cover Picture]

“Hydrosilane Synthesis via Catalytic Hydrogenolysis of Halosilanes Using a Metal-Ligand Bifunctional Iridium Catalyst”

Beppu, T.; Sakamoto, K.; *Nakajima,Y.; Matsumoto, K.; Sato, K.; *Shimada, S.

J. Organomet. Chem. 2018, 869, 75-80. (link)

 

２０１７年

“Iridium-Catalyzed Hydrosilylation of Sulfur-Containing Olefins”

Srinivas, V.; *Nakajima, Y.; Sato, K.; *Shimada, S.

Org. Lett. 2017, 20, 12-15. (link)

 

“Nitrile Hydroboration Reactions Catalyzed by Simple Nickel Salts, Bis(acetylacetonato)nickel(II) and Its Derivatives”

Nakamura, G.; *Nakajima, Y.; Matsumoto, K.; Srinivas, V.; *Shimada, S.

Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 3196-3199. (link) [Selected as Cover Picture]

 

“Synthesis and Structure of Metallocene-Type Ti(III) Complexes, and Their Catalytic Activity Towards Olefin Hydrosilylation Reactions”

Eguchi, K.; Aoyagi, K.; *Nakajima, Y.; Ando, W.; Sato, K.; *Shimada, S.

Chem. Lett. 2017, 46, 1262-1264. (link)

 

“Tris(pentafluorophenyl)borane-Catalyzed Reactions of Siloxanes: A Combined Experimental and Computational Study”

Eguchi, K.; Nakajima, Y.; Sato, K.; *Shimada, S.; *Choe, Y.-K.

Eur. J. Org. Chem. 2017, 4922-4927. (link)

 

＊総説・著書・解説など＊

”有機ケイ素化合物に立脚する反応・触媒・機能の開拓　－ヒドロシランやクロロシランをいかにして使うか－”

永縄　友規

化学と工業，2024, 77, 638-639.

 

”Structural analysis of polymers via solid-state dynamic nuclear polarization (DNP)-NMR”

Tanaka, S.*

Polymer Journal in press. (link)

 

“スーパーエンジニアリングプラスチックのケミカルリサイクルに向けて　－触媒的化学分解による単量体への変換－”

南　安規

日本ゴム協会誌，2024, 97, 246-250.

 

“ポリスルホン樹脂のケミカルリサイクル　－化学分解によるビスフェノール類の回収－”

南　安規

月刊「型技術」（日刊工業新聞社　出版局），2024, 39, 70-73.

 

“スーパーエンジニアリングプラスチックの解重合に挑む”

南　安規

ポリマーTECH（株式会社ゴムタイムス社），2024, 21, 1-4.

 

“有機トリアルキルシランとクロスカップリング”

南　安規

月刊『化学』　「【ケイ素化学の現在地】最先端研究 ―研究の現状と今後の展望「ケイ素有機合成」」（化学同人），2024, 79, 29.

 

“難分解性プラスチックの解重合”

南　安規

高分子材料の分解制御技術（シーエムシー出版），57-63.

 

“耐熱性・耐薬品性に優れるスーパーエンジニアリングプラスチックのケミカルリサイクル技術の開発”

南　安規

｢自動車技術｣連載『超の世界』，2024, 78, 130-132.

 

“安定なプラスチック資源のケミカルリサイクルによるモノマー再生”

南　安規

化学と工業，2023, 76, 893.

 

“ニッケルならびにパラジウム触媒によるクロロシランの選択的分子変換”

永縄友規*、亀尾肇*、中島裕美子*

有機合成化学協会誌 2023, 81, 14-24. (link)

 

“Recent progress in transition metal complexes supported by multidentate ligands featuring group 13 and 14 elements as coordinating atoms”

Komuro, T.; *Nakajima, Y.; *Takaya, J. *Hashimoto, H.

Coord. Chem. Rev. 2022, 473, 214837. (link)

 

“Metal-ligand cooperation behaviour of Fe and Co complexes bearing a tetradentate phenanthroline-based PNNP ligand”

*Nakajima, Y.; Takeshita, T. Jheng, N.-Y.

Dalton. Trans. 2021, 50, 7532-7536. (link) [Selected as Cover Picture]

 

“Hydrosilylation Reaction of Functionalized Alkenes”

Naganawa, Y.; Inomata, K.; Sato, K.; *Nakajima, Y.

Tetrahedron Lett. 2020, 61, 151513. (link)

 

“クロスカップリング反応の有機ケイ素への新展開―ハロシランの酸化的付加を鍵とする触媒的分子変換”

永縄友規、中島裕美子

化学 2018, 73, 72-73.

 

“ヒドロシリル化触媒開発の最前線”

中島裕美子

塗装工学 2018, 53, 1-7.

人材募集

 

ポスドク募集

基礎から応用まで幅広く研究する産総研ケイ素化学チームで一緒に研究したい方、随時募集しています。

 

大学院生募集

当研究室では、リサーチアシスタント制度により、資金援助（例：修士 8万円/月、博士20万円/月）を受けながら、筑波大学で学位（修士・博士）取得が可能です（連携大学院制度）。筑波大学大学院数理物質科学研究科（化学専攻）を受験し、当研究室に配属され学位取得を目指します。見学等、随時受け付けています。詳細は，南　安規（メールアドレスは上部に記載）までお問い合わせください。

制度の詳細等は下記のリンクをご参照ください。

• 筑波大学大学院数理物質科学研究科（筑波大学のサイト）
• 筑波大学連携大学院制度（筑波大学のサイト）
• 産総研 連携大学院制度
• 早期修了プログラム（社会人のための博士後期課程、筑波大学のサイト）

南安規（産総研・触媒センター）「硬いプラスチックを化学分解する－スーパーエンプラの解重合－」【第32回Vシンポ】

Chem-Station > 世界の化学者データベース：南 安規　Yasunori Minami

ERATO野崎樹脂分解触媒プロジェクト　HP