Development of super base catalysts

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01718
• 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: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: Yamazoe Seiji 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (40510243)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉川 聡一 東京都立大学, 理学研究科, 助教 (80878322)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 金属酸化物クラスター / 塩基触媒 / 超強塩基 / 耐水性 / 二酸化炭素活性化

Outline of Final Research Achievements

Lindqvist-type niobium oxide cluster [H2(Nb6O19)]6- exhibited superbase catalysis for Knoevenagel and crossed aldol condensation reactions accompanied by activating C-H bond with pKa >26 and proton abstraction from a base indicator with pKa = 26.5. In addition, [H2(Nb6O19)]6- also showed water-tolerant superbase properties for Knoevenagel and crossed aldol condensation reactions in the presence of huge amounts of water. Density functional theory calculation revealed that the basic surface oxygens that share the corner of NbO6 units in [H2(Nb6O19)]8-; maintained the negative charges even after proton adsorption. This proton capacity and the presence of un-protonated basic sites led to the water tolerance of the superbase catalysis.

Free Research Field

触媒化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

一般的に塩基触媒は水存在下では水から脱離したプロトンが塩基点を阻害するため、触媒活性が著しく低下する問題があった。本研究により、サイズ・組成が原子レベルで均一な金属酸化物クラスターの特異なブレンステッド塩基性が解明され、金属酸化物としては初の水耐性超強塩基触媒の開発に成功した。また、本金属酸化物クラスターはpKaが26以上の超強塩基であり、ポリ酸の分野で初となる超強塩基ポリ酸であることを証明した。また、ルイス塩基点での特異な二酸化炭素活性化機構も解明し、C-C結合形成反応を伴う触媒の開拓にも成功した。これら成果が触媒化学や材料科学の分野に与えるインパクトは高い。