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2018 Fiscal Year Research-status Report

Oxidative cracking of harmful aromatic compounds and the recycling

Research Project

Project/Area Number 18K19089
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

小島 隆彦  筑波大学, 数理物質系, 教授 (20264012)

Project Period (FY) 2018-06-29 – 2020-03-31
Keywordsルテニウム錯体 / パラジウム錯体 / 水溶液 / 芳香族化合物の酸化分解 / 水素発生
Outline of Annual Research Achievements

N-ヘテロ環状カルベンを含む3座配位子BPIm (1,3-bis(2-pyridylmethyl)imidazole-2-ylidene)とbpy (2,2”-bipyridine)を有するルテニウム(II)-アクア錯体を触媒、(NH4)2[Ce(NO3)6] (CAN)を酸化剤として、酸性水溶液中で、分散しているベンゼンおよびその誘導体、さらには多環芳香族化合物の芳香環を酸化的に分解し、ギ酸及びカルボン酸を得る方法を見いだし、その反応系における適用範囲の策定と反応機構の解明を行った。ベンゼンは効率よくギ酸に酸化され、その同じ溶液のpHを3.3に調整し、既報のRh(III)錯体を触媒として添加すると、水素が得られた。基質のベンゼン誘導体として、ベンジル位に比較的弱いC-H結合を有するエチルベンゼンを用いた場合、驚くべきことに、ベンジル位の酸化は進行せず、ギ酸とプロピオン酸が触媒的に生成した。その他、ナフタレン、アントラセンも酸化的に分解され、水素源となるギ酸を与えた。これらの結果は、環境汚染物質である水中に分散した芳香族化合物からエネルギー源としての水素を触媒的に取り出せることを意味している。反応機構として、酸化活性種であるRu(III)-オキシル錯体が芳香環を求電子的に攻撃し、ベンゼンオキシドを経由して、さらに酸化反応が進行してムコンアルデヒド及びムコン酸が生成する。これらの生成物がさらに酸化されて、ギ酸を生成することがわかった。一方、ベンセン酸化分解の副反応経路として、1,4-ベンゾキノンを経由するパスが存在することも明らかとなった。本成果は、ACS Catal. 2019, 9, 671-679として発表した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

1.Ru(II)-NHC錯体を触媒とするベンゼンの酸化分解反応系においては、電子吸引基が結合しているベンゼン誘導体の酸化分解は効率よく進行しない。昨年度、新規Pd(II)-NHC錯体を合成し、そのキャラクタリゼーションを行った。そのPd(II)錯体を触媒、オキソン(KHSO4・K2SO4・KHSO5)を酸化剤として用いることにより、pH2の水溶液中で、効率よくジクロロベンゼンなどの電子不足芳香族化合物の酸化的分解が進行することを明らかにした。反応効率として、ベンセン<クロロベンゼン<m-ジクロロベンゼン<p-ジクロロベンゼン<o-ジクロロベンゼンの順にギ酸生成反応の触媒回転数(TON)が上昇した。さらに、o-ジクロロベンゼンの酸化過程において、モノクロロキノンが中間体として生成することが、反応液のEI-MSスペクトル測定により明らかとなった。また、Pd(II)-NHC錯体とオキソンとの反応において、LPd(II)-OOSO3錯体の生成が、ESI-TOF-MSスペクトル測定により示唆された。
2.最近、Pd(II)-NHC錯体とオキソンの組み合わせに、Ce(IV)塩を助触媒として加えることにより、これまで酸化困難であったフッ化ベンゼン誘導体が酸化的に分解され、ギ酸を生成することが明らかとなった。

Strategy for Future Research Activity

Pd(II)-NHC錯体を触媒、オキソンを酸化剤とする酸性水溶液中における電子吸引基を有する芳香族化合物の酸化的分解について、速度論的考察を加えて反応機構の解明を目指す。触媒反応の初期速度に関して、基質、触媒、及び酸化剤の各濃度に対する依存性を検討する。また、反応中間体および酸化活性種のキャラクタリゼーションを行い、反応機構に関する詳細を明らかにする。さらに、最近見いだされたCe(IV)塩を助触媒とするフッ化ベンゼン類の酸化的分解反応について、その適応範囲の策定と反応機構に関する速度論的検証を行う。特に、Ce(IV)イオンがどのように反応に関与し、酸化困難なフッ化ベンゼン誘導体を酸化しているのかについて、できる限りの知見を得る。

Causes of Carryover

昨年度は、一昨年度に合成した配位子やルテニウム錯体のストックがあり、想定していた合成用試薬類の購入量が低かったことが要因で、出費が抑えることが出来た。このため、今年度は、150万円程度の備品の購入が可能となったため、キセノンランプを購入し、光駆動型の酸化触媒系の構築に展開していきたいと考えている。

Remarks

(2)は2018年8月4日~5日に、ICCC2018 Post Conference in Tsukuba: International Symposium on Recent Advances in Bioinspired Molecular Catalysis(国際会議)を開催した際のURL。

  • Research Products

    (50 results)

All 2019 2018 Other

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results) Presentation (40 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 14 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Catalytic Oxidative Cracking of Benzene Rings in Water2019

    • Author(s)
      Y. Shimoyama, T. Ishizuka, H. Kotani, T. Kojima
    • Journal Title

      ACS Catalysis

      Volume: 9 Pages: 671-678

    • DOI

      10.1021/acscatal.8b04004

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Significant Enhancement of Hole Transport Ability in Conjugated Polymer/Fullerene Bulk Heterojunction Microspheres2019

    • Author(s)
      A. Jindal, H. Kotani, S. Kushida, A. Saeki, T. Kojima, Y. Yamamoto
    • Journal Title

      ACS Applied Polymer Materials

      Volume: 1 Pages: 118-123

    • DOI

      10.1021/acsapm.8b00170

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mechanistic Insight into Dioxygen Evolution from Diastereomeric μ-Peroxo Dinuclear Co(III) Complexes Based on Stoichiometric Electron-Transfer Oxidation2019

    • Author(s)
      H. Kotani, D. Hong, K. Satonaka, T. Ishizuka, T. Kojima
    • Journal Title

      Inorganic Chemistry

      Volume: 58 Pages: 3673-3682

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.8b03245

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dioxygen/Hydrogen Peroxide Interconversion Using Redox Couples of Saddle-Distorted Porphyrins and Isophlorins2019

    • Author(s)
      W. Suzuki, H. Kotani, T. Ishizuka, T. Kojima
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 141 Pages: 5987-5994

    • DOI

      10.1021/jacs.9b01038

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Intermediate-Spin Iron(III) Complexes Having a Redox-Noninnocent Macrocyclic Tetraamido Ligand2018

    • Author(s)
      Takahiko Kojima, Fumiya Ogishima, Takahisa Nishibu, Hiroaki Kotani, Tomoya Ishizuka, Toshihiro Okajima, Shunsuke Nozawa, Yoshihito Shiota, Kazunari Yoshizawa, Hiroyoshi Ohtsu, Masaki Kawano, Takuya Shiga, and Hiroki Oshio
    • Journal Title

      Inorganic Chemistry

      Volume: 57 Pages: 9683-9695

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.8b00037

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ruthenium(II) Complexes Having a Pincer‐Type Ligand with Two N‐Heterocyclic Carbene Moieties2018

    • Author(s)
      Yoshihiro Shimoyama, Tomoya Ishizuka, Hiroaki Kotani, Takahiko Kojima
    • Journal Title

      Zeitschrift fuer anorganische und allgemeine Chemie

      Volume: 644 Pages: 611-615

    • DOI

      https://doi.org/10.1002/zaac.201800104

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mechanistic Insights into Homogeneous Electrocatalytic and Photocatalytic Hydrogen Evolution Catalyzed by High-Spin Ni(II) Complexes with S2N2-Type Tetradentate Ligands2018

    • Author(s)
      Dachao Hong, Yuto Tsukakoshi, Hiroaki Kotani, Tomoya Ishizuka, Kei Ohkubo, Yoshihito Shiota, Kazunari Yoshizawa, Shunichi Fukuzumi, Takahiko Kojima
    • Journal Title

      Inorganic Chemistry

      Volume: 57 Pages: 7180-7190

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.8b00881

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Importance of the Reactant-State Potentials of Chromium(V)-Oxo Complexes to Determine the Reactivity in Hydrogen-Atom Transfer Reactions2018

    • Author(s)
      H. Kotani, S. Kaida, T. Ishizuka, K. Mieda, M. Sakaguchi, T. Ogura, Y. Shiota, K. Yoshizawa, T. Kojima
    • Journal Title

      Inorganic Chemistry

      Volume: 57 Pages: 13929-13936

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.8b02453

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Ruthenium Complexes for Oxidation of Organic Substrates in Water2019

    • Author(s)
      Takahiko Kojima
    • Organizer
      錯体化学・有機金属化学ディビジョンセミナー:錯体化学と反応の新展開
    • Invited
  • [Presentation] ジプロトン化サドル型ポルフィリンによる光触媒的還元反応の開発2019

    • Author(s)
      小谷弘明、青木絵美、鈴木航、石塚智也、小島隆彦
    • Organizer
      第4回TIA光・量子計測シンポジウム
  • [Presentation] 嵩高い置換基を有するポルフィリンのαααα-アトロプ異性体に形成された疎水空間における分子の蒸気吸着2019

    • Author(s)
      田中翔悟、石塚智也、内田さやか、小谷弘明、小島隆彦
    • Organizer
      日本化学会第99春季年会2019
  • [Presentation] サドル型ポルフィリン多電子還元体による触媒的酸素還元反応2019

    • Author(s)
      鈴木航、小谷弘明、石塚智也、小島隆彦
    • Organizer
      日本化学会第99春季年会2019
  • [Presentation] N-ヘテロ環状カルベン-鉄(II)錯体を触媒とする水中における基質酸化反応2019

    • Author(s)
      藤崎寛人、下山祥弘、石塚智也、小谷弘明、小島隆彦
    • Organizer
      日本化学会第99春季年会2019
  • [Presentation] ピリジンペンダントを有するS2N2型Ni錯体による光触媒的CO2還元反応2019

    • Author(s)
      河西拓也、塚越悠人、洪達超、石塚智也、小谷弘明、小島隆彦
    • Organizer
      日本化学会第99春季年会2019
  • [Presentation] ヘムをもつDNA酵素におけるペルオキシダーゼ活性発現機構の解明2019

    • Author(s)
      篠宮僚介、百武篤也、柳澤幸子、鈴木秋弘、根矢三郎、小谷弘明、小島隆彦、山本泰彦
    • Organizer
      日本化学会第99春季年会2019
  • [Presentation] 第二配位圏に水素結合サイトを有するルテニウム錯体の酸化還元挙動と反応性2019

    • Author(s)
      粉川泰知、石塚智也、小谷弘明、小島隆彦
    • Organizer
      日本化学会第99春季年会2019
  • [Presentation] パラジウム触媒および遷移金属助触媒を用いた水中におけるハロゲン化ベンゼン誘導体の酸化的分解2019

    • Author(s)
      下山祥弘、石塚智也、小谷弘明、小島隆彦
    • Organizer
      日本化学会第99春季年会2019
  • [Presentation] カルボキシルアミド配位を有するルテニウム錯体の合成と反応2019

    • Author(s)
      和村聡士、小寺政人、小島隆彦、人見穣
    • Organizer
      日本化学会第99春季年会2019
  • [Presentation] ルテニウム(IV)-オキソ錯体によるHAT反応:電子移動特性に基づく反応性評価2019

    • Author(s)
      下村日夏、小谷弘明、石塚智也、小島隆彦
    • Organizer
      日本化学会第99春季年会2019
  • [Presentation] Ruthenium-oxo and oxyl complexes for substrate oxidation in water2018

    • Author(s)
      Takahiko Kojima
    • Organizer
      Scientific Meeting “The Chemistry is Right” as part of the Network Conference Heidelberg Research Alumni Japan 2018
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Catalytic Oxidation of Organic Substrates in Water Using Ruthenium Complexes as Catalysts2018

    • Author(s)
      Takahiko Kojima
    • Organizer
      3rd Japan-UK Joint Symposium on Coordination Chemistry, Medical & Biological Sciences Building
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Formation of Hydrogen-Bonded Supramolecular Hetero-Triads with a Diprotonated Porphyrin2018

    • Author(s)
      Takahiko Kojima
    • Organizer
      233rd ECS Meeting
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Catalytic Oxidation of Organic Substrates in Water Using Ruthenium Complexes as Catalysts2018

    • Author(s)
      Takahiko Kojima
    • Organizer
      2018 Korea Taiwan Japan Bioinorganic Chemistry Symposium
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] プロトン共役電子移動による金属錯体の機能発現2018

    • Author(s)
      小島隆彦
    • Organizer
      大阪大学大学院理学研究科セミナー
    • Invited
  • [Presentation] 機能性金属錯体と非平面性ポルフィリンの酸化還元化学2018

    • Author(s)
      小島隆彦
    • Organizer
      筑波大学エネルギー物質科学研究センター(TREMS)全体ミーティング
  • [Presentation] Ruthenium Complexes for Oxidation of Organic Substrates in Water2018

    • Author(s)
      Takahiko Kojima
    • Organizer
      The 13th International Symposium on Activation of Dioxygen and Homogeneous Oxidation Catalysis (ADHOC 2018)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Substitution and Unique Dimerization of Brominated Zinc(II) Quadruply Fused Porphyrinatoms2018

    • Author(s)
      Tomoya Ishizuka, Yuta Saegusa, Takahiko Kojima
    • Organizer
      10th International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines (ICPP-10)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Formation and Isolation of a Novel Porphyrinoid by Further Two-Electron Reduction of a 20π Isophlorin2018

    • Author(s)
      Wataru Suzuki, Hiroaki Kotani, Tomoya Ishizuka, Yoshihito Shiota, Kazunari Yoshizawa, Takahiko Kojima
    • Organizer
      10th International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines (ICPP-10)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 融合物質によるエネルギー・物質変換系の構築2018

    • Author(s)
      小島隆彦
    • Organizer
      第2回TIAかけはし成果報告会
  • [Presentation] Photocatalytic reactions using transition-metal complexes as catalysts2018

    • Author(s)
      Takahiko Kojima
    • Organizer
      Workshop Arcane: international workshop on bio-driven chemistry, Arcane Conference
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Catalytic substrate oxidation by 3d transition-metal complexes having pentadentate NHC ligands in wate2018

    • Author(s)
      Yoshihiro Shimoyama, Tomoya Ishizuka, Hiroaki Kotani, Takahiko Kojima
    • Organizer
      錯体化学会第68回討論会
  • [Presentation] 単離可能なルテニウム(IV)-オキソ錯体の電子移動特性の解明2018

    • Author(s)
      下村日夏、小谷弘明、石塚智也、小島隆彦
    • Organizer
      錯体化学会第68回討論会
  • [Presentation] プロトン共役電子移動に基づく金属錯体の機能創出2018

    • Author(s)
      小島隆彦
    • Organizer
      錯体化学会第68回討論会
    • Invited
  • [Presentation] 環状リン酸アニオン性配位子を有する高い原子価ルテニウム-オキソ錯体の合成と反応性2018

    • Author(s)
      恒松貴子、小谷弘明、石塚智也、小島隆彦
    • Organizer
      錯体化学会第68回討論会
  • [Presentation] Mechanistic insights into C-H oxidation by a Ru(V)-imido complex in aqueous media2018

    • Author(s)
      Taichi Kogawa, Tomoya Ishizuka, Misaki Makino, Hiroaki Kotani, Yoshihito Shiozawa, Kazunari Yoshizawa, Takahiko Kojima
    • Organizer
      錯体化学会第68回討論会
  • [Presentation] Catalytic Oxidation by Ruthenium-Oxo and -Oxyl Complexes Using Water as an Oxygen Source2018

    • Author(s)
      Takahiko Kojima
    • Organizer
      43rd International Conference on Coordination Chemistry (ICCC 2018 Sendai Japan)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Formation and Reactivity of Ruthenium(III)-Oxyl Species Having an N-Heterocyclic Carbene Ligand2018

    • Author(s)
      Yoshihiro Shimoyama, Tomoya Ishizuka, Hiroaki Kotani, Yoshihito Shiota, Kazunari Yoshizawa, Kaoru Mieda, Takashi Ogura, Toshihiro Okajima, Shunsuke Nozawa, Takahiko Kojima
    • Organizer
      43rd International Conference on Coordination Chemistry (ICCC 2018 Sendai Japan)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mechanistic insight into H-atom transfer reactions by Cr(V)-oxo complexes2018

    • Author(s)
      Hiroaki Kotani, Suzue Kaida, Toyoma Ishizuka, Takahiko Kojima
    • Organizer
      43rd International Conference on Coordination Chemistry (ICCC 2018 Sendai Japan)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Strong Lewis Acidity of the Metal Center in a Quadruply Fused Porphyrin Ligand2018

    • Author(s)
      Tomoya Ishizuka, Yuta Saegusa, Keiyu Komamura, Takahiko Kojima
    • Organizer
      43rd International Conference on Coordination Chemistry (ICCC 2018 Sendai Japan)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Photocatalytic CO2 Reduction and H2 Evolution Using Ni(II) Complexes2018

    • Author(s)
      Takahiko Kojima
    • Organizer
      ICCC 2018 Post Conference in Tsukuba International Symposium on Recent Advances in Bioinspired Molecular Catalysis
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Photocatalytic oxidation organic substrates in water using a ruthenium-substituted POM as a catalyst and a diprotonated water-soluble porphyrin as a photosensitizer2018

    • Author(s)
      Takahiko Kojima
    • Organizer
      International Symposium on Metal-Oxo Cluster Sciences: Exploring Novel Possibilities
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ルテニウム錯体による基質酸化反応の開発と機構解明2018

    • Author(s)
      小島隆彦
    • Organizer
      産業技術総合研究所触媒化学融合研究センター第61回講演会
    • Invited
  • [Presentation] 周辺部にかさ高い置換基を有するポルフィリン誘導体を用いたアトロプ異性体の選択的生成2018

    • Author(s)
      田中翔悟、石塚智也、小谷弘明、小島隆彦
    • Organizer
      第29回基礎有機化学討論会
  • [Presentation] サドル型ポルフィリンを触媒とした触媒的酸素還元反応2018

    • Author(s)
      鈴木航、小谷弘明、石塚智也、小島隆彦
    • Organizer
      第29回基礎有機化学討論会
  • [Presentation] 金属錯体におけるプロトン共役電子移動による機能発現2018

    • Author(s)
      小島隆彦
    • Organizer
      京都大学大学院工学研究科セミナー
    • Invited
  • [Presentation] ルテニウム(IV)-オキソ錯体の電子移動特性に基づく反応性評価2018

    • Author(s)
      下村日夏、小谷弘明、石塚智也、小島隆彦
    • Organizer
      第51回酸化反応討論会
  • [Presentation] 遷移金属―NHC錯体を触媒とする芳香族化合物の酸化的分解2018

    • Author(s)
      下山祥弘、石塚智也、小谷弘明、小島隆彦
    • Organizer
      第51回酸化反応討論会
  • [Presentation] REACTIVITY OF RUTHENIUM(III)PTERIN COMPLEXES IN HYDROGEN ATOM TRANSFER2018

    • Author(s)
      Takahiko Kojima
    • Organizer
      9th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference (AsBIC-9)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 筑波大学数理物質系化学域 小島研究室

    • URL

      http://www.chem.tsukuba.ac.jp/kojima/Site/Site/Home.html

  • [Remarks] ICCC2018 Post Conference in Tsukuba(国際会議)

    • URL

      http://www.chem.tsukuba.ac.jp/kojima/iccc/Home.html

URL: 

Published: 2019-12-27  

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