広範な有機合成反応に高い触媒活性を示すメタルフリー窒素ドープカーボンの開発

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06911
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 藤田 進一郎 北海道大学, 工学研究院, 講師 (80156869)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 触媒反応 / 固体塩基触媒 / 炭酸ジメチル

Outline of Annual Research Achievements

種々の化学反応には遷移金属,金属酸化物,アルカリ化合物などが触媒として用いられている。本研究は，これらを含まない炭素－窒素（－酸素）を構成成分とする多機能な炭素触媒の開発とその活性発現機構の解明を目標とする。そのために，市販の活性炭あるいは窒素含有ポリマーから窒素ドープカーボンを調製し，炭素原子の化学的・電子的状態を変え，多様な触媒活性を発現させる。さらに，窒素ドープ条件と触媒性能の関係を明らかにすると共に，種々の方法によるカーボン触媒の状態分析により活性点構造を明らかにする。前年度はアンモオキシデーション法で窒素ドープした活性炭を用いて，種々の反応基質を対象として空気酸化とヒドラジンによる還元反応を行ったが，適用可能な反応基質は限られており，この触媒の汎用性を広げるためにはさらに反応条件の検討が必要であることが分かった。
本年度は市販の活性炭担持ポリアニリンを焼成，アンモニア処理することで窒素ドープカーボンを調製し，メタノールと炭酸エチレンから炭酸ジメチルを合成するエステル交換反応を行った。焼成温度やアンモニア処理温度は触媒活性に影響し，300-500℃で焼成し，800℃でアンモニア処理して調製した触媒が最も高い活性を示した。調製活性はその塩基量や表面窒素量と良い相関を示すことが分かったが，どのような窒素種が活性点であるかは明らかにはできなかった。従来，本反応に用いられた固体塩基触媒は140℃程度の反応温度を必要としていたが，ポリアニリンから調製した窒素ドープ炭素触媒は80℃でも高い活性を示し，固体塩基触媒として有望であることが分かった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

上記のように，ポリアニリンから調製した窒素ドープ炭素触媒は固体塩基触媒として優れていることが分かったが，活性点構造に関する詳細な情報は得られていない。

Strategy for Future Research Activity

次年度はポリアニリンから調製した窒素ドープ炭素触媒の空気酸化やヒドラジンによる還元反応に対する触媒性能を調べる。また，最近報告されているメラミンからの窒素ドープ炭素触媒の調製とその触媒としての利用も試みる。