2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of new route for the production of isoprene
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21H01711
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
佐藤 智司 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (30187190)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | イソプレン生成 / リモネン / 3-メチル-1,3-ブタンジオール / 3-メチル-2-ブタノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究で触媒探索を予定したイソプレンを触媒化学的に製造可能な新規な３つの生成ルート、具体的には反応①「リモネンの解重合」、反応②「3-メチル-1,3-ブタンジオールの脱水」、反応③「3-メチル-2-ブタノンの脱水」を効率よく進行させる触媒に必要な機能は何かを解明する過程で、高効率の触媒を提案し、触媒として機能する物質を学術的に体系化することが本研究の目的である。
反応①「リモネンの解重合」反応は大きな吸熱反応であるため高温・常圧流通条件下でジルコニアおよび修飾アルミア触媒を用いてリモネンの気相接触反応を検討した結果、400～550℃の高温でリモネンの脱水素反応が促進されて、炭素析出が優先的に起こってしま、目的のイソプレンを得ることができなかった。また、反応③「3-メチル-2-ブタノンの脱水」反応では、イソプレン生成を確認したが、触媒上でイソプレンの二量化によるデゼン類の生成が併発し、イソプレン収率は30％程度と低く、効率的にイソプレンを生成できる触媒を提案するまでに至っていない。
反応②「3-メチル-1,3-ブタンジオールの脱水」について、初年度、3-メチル-1,3-ブタンジオールの脱水反応と同時に中間体と考えられる3つの不飽和アルコールの脱水反応特性を調査した。種々の希土類ジルコン酸塩を用いた低温での3-メチル-1,3-ブタンジオールの脱水反応を検討し、Y2Zr2O7触媒が不飽和アルコール生成能力が高く、有効な触媒候補として挙げられた。また、Y2Zr2O7触媒では、生成した不飽和アルコールの脱水が同時に起こり、低温でもイソプレンへの脱水が起こることが分かった。初年度の検討で３つのルート中で最も効率的にイソプレンを生成できる反応系は反応②であると現時点では判断した。この反応③をより詳細に検討することでイソプレン生成の代替えプロセスを提案できると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
目的とする3つのイソプレン生成反応、①「リモネンの解重合」、②「3-メル-1,3-ブタンジオールの脱水」、③「3-メチル-2-ブタノンの脱水」を効率よく進行させる触媒を体系化するために下記を検討した。
①「リモネンの解重合」について、この反応は大きな吸熱反応であるため高温・常圧流通条件下でジルコニアおよび修飾アルミア触媒を用いてリモネンの気相接触反応を検討した結果、400～550℃の高温でリモネンの脱水素反応が促進されて、予期された好ましくない炭素析出が優先的に起こってしまった。結果的に触媒上への炭素析出と二量化以上の重合により目的のイソプレンはほとんど生成できなかった。触媒の検討も必要であるが、解重合の条件検討が必要である。
②「3-メチル-1,3-ブタンジオールの脱水」について、初年度、3-メチル-1,3-ブタンジオールの脱水反応と同時に中間体と考えられる3つの不飽和アルコールの脱水反応特性を調査した。種々の希土類ジルコン酸塩を用いた300℃の低温での3-メチル-1,3-ブタンジオールの脱水反応を検討し、試験した希土類ジルコン酸塩の中でY2Zr2O7が不飽和アルコール生成能力が高く、有効な触媒候補として挙げられた。また、Y2Zr2O7触媒は生成した不飽和アルコールの脱水が同時に起こり、イソプレンが生成することがわかった。さらに、ジオールの代わりに不飽和アルコールを脱水させると、Y2Zr2O7触媒上では３つの不飽和アルコールの脱水に対する反応性が異なることがわかった。
③「3-メチル-2-ブタノンの脱水」では、アルミナをはじめ種々の酸化物およびリン酸塩などの触媒候補を検討した結果、400℃でイソプレンの生成を確認したが、その収率は30％程度であった。触媒上で二量化反応が併発し、反応初期からの活性劣化が認められ、効率的にイソプレンを生成できる触媒開発に至っていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
検討した３つのルートについてそれぞれの問題点を克服するために以下に各反応における今後の検討課題と方針を記す。
①「リモネンの解重合」：この反応は大きな吸熱反応であるため高温が必要であるが、平衡的に解重合を促進するために、反応圧力の影響を検討する必要がある。分子数が増加する解重合反応に有利な低圧化、具体的には「減圧」流通条件下におけるリモネン分解（イソプレン生成）反応を検討していく予定である。また、触媒上でのコーキングが問題となるため、触媒の存在しない熱化学反応条件下での反応圧力依存性を広い温度範囲で検討する必要もあると考えられる。
②「3-メチル-1,3-ブタンジオールの脱水」：初年度、Y2Zr2O7触媒により3-メチル-1,3-ブタンジオールの脱水反応が300℃でも進行し、中間体の3つの不飽和アルコールに加えてイソプレンも生成することが判明したので、この触媒の反応温度・接触時間依存性を調査して、イソプレン生成の最適反応条件を決定する。種々の希土類ジルコン酸塩の中でY2Zr2O7触媒が不飽和アルコール生成能力が高い理由を解明するために、不飽和アルコールの生成選択性・活性の高かったY2Zr2O7触媒を中心にイソプレン生成に必要な触媒の酸・塩基測定および触媒毒物質を用いた被毒実験を行う予定である。
③「3-メチル-2-ブタノンの脱水」：3-メチル-2-ブタノン脱水では転位を伴うことが知られているため、メチル基の置換数の異なるブタノンおよび3,3-ジメチル-2-ブタノンからのブタジエン類の生成活性とを比較して、イソプレンの効率的生成の可能性を再度検証する。また、デゼン類の生成確認したことから、触媒の酸性を制御することがイソプレン収率の向上のキーであると判断し、今後の計画では、最も触媒性能の高ったアルミナ触媒を第二成分金属により修飾することで触媒性能を向上できるかを検討する。
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Research Products
(4 results)
