Depolymerization of crystalline cellulose by solid catalysts

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01708
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Fukuoka Atsushi 北海道大学, 触媒科学研究所, 特任教授 (80189927)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 広和 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (30545968) ; 宋 志毅 北海道大学, 触媒科学研究所, 准教授 (80600981)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: セルロース / 固体触媒 / 結晶 / バイオマス / 加水分解

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study is to develop solid catalysts capable of hydrolyzing crystalline cellulose and to clarify the hydrolysis mechanism. Three compounds with pyrene and phthalate moieties were synthesized and characterized. Hydrolysis of crystalline cellulose was performed, and glucose was formed in the reaction at 150 °C in water. It is proposed that the pyrene moiety adsorbs on the cellulose surface, and then the carboxy group acts as a weak acid site for the hydrolysis reaction. The free rotation of the phthalic acid moiety also facilitates the hydrolysis, because the carboxy group can easily get access to the glycosidic bond. Therefore, the crystalline part of cellulose is hydrolyzed, and this is an example of artificial chemical catalyst for cellulose saccharification.

Free Research Field

触媒化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

地球上で最も豊富に存在するバイオマスであるセルロースを再生可能資源として利用するために、天然の結晶セルロースをそのまま加水分解できる固体触媒を創生した。本研究ではピレンとフタル酸部位をもつ３種の化合物を設計・合成し、結晶セルロースの加水分解を行うとピレン部がセルロース表面に吸着した後にカルボキシ基が弱酸点となって加水分解を進行させることが分かった。またフタル酸部位の自由回転により、カルボキシ基がグリコシド結合に接近しやすくなるために加水分解が促進することが明らかとなった。これにより、人工的な化学触媒による結晶セルロースの糖化を初めて実現した。