木材多糖の熱分解による無水糖生成反応に関する量子化学研究

• Project/Area Number: 08J01219
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: 林産科学・木質工学
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 細谷 隆史 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2008 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2010: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2009: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2008: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
• Keywords: セルロース / バイオマス / 熱分解 / レボグルコサン / 生成機構 / DFT法 / 量子化学計算 / 活性障壁 / 木材多糖 / 無水糖

Research Abstract

平成22年度は、セルロース結晶の熱分解におけるレボグルコサン生成機構の解明に取り組んだ。平成20年度にモデル系であるメチルグルコシドからのレボグルコサン生成機構を解明し、本成果はJournal of Organic Chemistry誌に掲載されているが、本研究ではその研究成果を基礎とし、より実際の系に近いグルコースオリゴマーをモデルとして使用した。その結果、分子間水素結合を含む巨大なセルロース結晶モデルを採用することにより、レボグルコサンの生成機構の大部分が解明された。すなわち、レボグルコサン生成における初期反応は、分子鎖の中間ユニットの反応によるレボグルコサン残基の生成であり、その後にレボグルコサン残基よりレボグルコサンが連続的に生成する機構が提案された。本反応の律速段階は、初期反応であるレボグルコサン残基生成反応であり、計算されたこの反応における活性障壁は～56kccal/molと、実験値である48～60kcal/molとよく一致する。さらに提案された本機構により、これまでに提案された機構では説明不能であった、高結晶化度のセルロースほどレボグルコサンを高収率で与える、熱分解中にセルロース結晶構造が維持されるなどの実験事実が合理的に説明可能になった。本結果はJournal of Organic Chemistry誌に投稿予定である。なお、昨年度の研究成果であるアルカリ条件でのレボグルコサン生成機構に関する研究成果はJournal of Organic Chemistry誌に掲載された。

Research Products

• [Journal Article] Theoretical study of 1, 6-anhydrosugar formation from phenyl D-glucosides under basic condition.Reasons for higher reactivity of β-anomer (2010)
  • Author(s): Takashi Hosoya, Yoshihide Nakao, Hirofumi Sato, Shigeyoshi Skaki
  • Journal Title: Journal of Organic Chemistry Volume: 75 Pages: 8400-8409
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal degradation of methyl β-D-glucoside.A theoretical study of plausible reaction mechanisms (2009)
  • Author(s): Takashi Hosoya
  • Journal Title: Journal of Organic Chemistry 74 Pages: 6891-6894
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 塩基性条件下でのグルコシドからのレボグルコサン生成機構―・体と・体の反応性の相違に関する理論的研究 (2010)
  • Author(s): 細谷隆史
  • Organizer: 第60回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 宮崎
  • Year and Date: 2010-03-17
• [Presentation] 熱分解によるセルロースからのレボグルコサン生成に関する理論的研究:分子間水素結合が反応におよぼす影響 (2010)
  • Author(s): 細谷隆史、中尾嘉秀、佐藤啓文、榊茂好
  • Organizer: セルロース学会第17回年次大会
  • Place of Presentation: 香川
• [Presentation] セルロースの熱分解反応:単分子鎖と多分子鎖の相違 (2010)
  • Author(s): 細谷隆史、中尾嘉秀、佐藤啓文、榊茂好
  • Organizer: 第4回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 大阪
• [Presentation] 電子状態計算によるセルロースオリゴマーの熱分解におけるレボグルコサン生成機構の解明 (2009)
  • Author(s): 細谷隆史
  • Organizer: 第16回セルロース学会年次大会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2009-07-02
• [Presentation] 電子状態計算によるセルロース熱分解におけるレボグルコサン生成機構の解明 (2009)
  • Author(s): 細谷隆史, 中尾嘉秀, 佐藤啓文, 榊茂好
  • Organizer: 第59回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 松本大学
• [Presentation] セルロースの熱分解による無水糖生成反応の理論的研究 (2008)
  • Author(s): 細谷隆史, 中尾嘉秀, 佐藤啓文, 榊茂好
  • Organizer: 第19回基礎有機化学討論会
  • Place of Presentation: 大阪大学