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金属-配位子協働効果を利用した「水素貯蔵」機能の発現と触媒反応への応用

研究課題

研究課題/領域番号 22K05122
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分33020:有機合成化学関連
研究機関東京工業大学 (2023)
国立研究開発法人産業技術総合研究所 (2022)

研究代表者

中島 裕美子  東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (80462711)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
キーワード金属-配位子協働効果 / エステル / 水素化分解 / 遷移金属錯体 / 水素活性化 / 触媒反応 / 平面四座PNNP配位子
研究開始時の研究の概要

四座PNNPに支持された鉄およびコバルト錯体を触媒プラットフォームとし、「水素貯蔵」機能を活かして、これまでにない反応形式に基づく、新しい触媒反応を開発する。特に、SDGsに資する工業的に重要な課題に積極的に取り組むことで、従来の金属錯体触媒開発分野に技術革新をもたらすことを目指す。具体的には、ケイ素化学産業において安価かつ大量に供給可能なクロロシラン類の水素化分解反応によるヒドロシラン合成、およびポリマーの解重合に取り組む。

研究実績の概要

本研究では、主催する研究室が独自に見出した四座PNNP配位子に支持されたコバルト(I)錯体が示す新しい金属-配位子協働効果である「水素貯蔵」機能を用いて、新規触媒反応の開発に取り組む。これを応用することで、強固な結合切断を伴う不活性分子の資源利用やポリマーの解重合など、学術的および工業的観点の両面から重要な課題である、種々の高難度触媒反応の達成を目指す。
2022年度の取り組みでは、四座PNNP配位子に支持されたコバルト(I)錯体が、水素活性化を達成した後に、基質に対して効率的な電荷移動を起こすことを見出した。さらにこれをエステル類の還元反応に利用することで、エステル類のベータ位C-O結合が切断され、アルカンが触媒的に進行することが分かった。本年度は、本反応の基質適用範囲を調べることで、種々のエステル類の水素化分解によるアルカン生成を達成した。また、反応中間体の単離にも成功し、速度論的解析を重ねることで、反応の律速段階に金属から基質への電荷移動過程が含まれることが示された。さらに反応途中でアルキルラジカルが発生し、これが分子内におけるHydrogen Atom Transfer (HAT)を受け、アルカンへと変換されることを明らかにした。以上の成果をまとめ、英国化学会誌Chemical Communicationsに論文発表した。本論文は同雑誌のバックカバーとして紹介されるに至った。
本研究により、ポリエステル類などのポリマー分解反応を最終目標に掲げる本申請研究の重要な基盤技術を確立することが出来たと言える。以上の理由から、(2)おおむね順調に進展している と評した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究では、主催する研究室が独自に見出した四座PNNP配位子に支持されたコバルト(I)錯体が示す新しい金属-配位子協働効果である「水素貯蔵」機能を用いて、新規触媒反応の開発に取り組む。これを応用することで、強固な結合切断を伴う不活性分子の資源利用やポリマーの解重合など、学術的および工業的観点の両面から重要な課題である、種々の高難度触媒反応の達成を目指す。
2023年度の取り組みでは、四座PNNP配位子に支持されたコバルト(I)錯体が、水素活性化を達成した後に、基質に対して効率的な電荷移動を起こすことを見出した。
本年度は、本反応の基質適用範囲を調べることで、四座PNNP配位子に支持されたコバルト(I)錯体が、種々の置換基を有する安息香酸ベンジル類の水素化分解によるアルカン生成を達成した。また、反応中間体の単離にも成功し、四座PNNP配位子に支持されたコバルト(I)錯体が水素活性化後に生成する錯体種が、金属を介して基質へ電荷移動を行うことを明らかにした。また、速度論解析を行い、基質濃度に関して反応の初速度をプロットすると、飽和挙動が見えられたことから、反応には基質との会合体を生成する前駆平衡が含まれることが示された。最終的には、Hammet plotを作成し、律速段階に錯体から基質への電荷移動過程が含まれることが示された。別途実験により、反応途中でアルキルラジカルが発生することも確認したことから、これが分子内におけるHydrogen Atom Transfer (HAT)を受け、アルカンへと変換されると結論付けた。
本研究により、ポリエステル類などのポリマー分解反応を最終目標に掲げる本申請研究の重要な基盤技術を確立することが出来た。以上の理由から、(2)おおむね順調に進展している と評した。

今後の研究の推進方策

開発した触媒は、基質への電子移動を鍵として、水素化分解を達成することを見出した。今後は、触媒の電子供与能を向上させるべく、支持配位子への電子供与基の導入など、触媒構造に検討を加える。理論計算を用いた機構解析を行い、最適な触媒構造を迅速に導出することを目指す。最終的には、改良した触媒系を用いてポリエステル他、種々の安定化合物の水素化分解反応の達成を目指す。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 5件、 招待講演 9件)

  • [雑誌論文] Suzuki‐Miyaura Cross‐Coupling Reaction Using Palladium Catalysts Supported on Phosphine Periodic Mesoporous Organosilica2023

    • 著者名/発表者名
      Iizuka Kosuke、Maegawa Yoshifumi、Shimoyama Yoshihiro、Sakamoto Kei、Kayakiri Natsuko、Goto Yasutomo、Naganawa Yuki、Tanaka Shinji、Yoshida Masaru、Inagaki Shinji、Nakajima Yumiko
    • 雑誌名

      Chemistry A European Journal

      巻: 30 号: 8

    • DOI

      10.1002/chem.202303159

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydroxylation-Depolymerization of Oxyphenylene-Based Super Engineering Plastics To Regenerate Arenols2023

    • 著者名/発表者名
      Minami Yasunori、Inagaki Yuuki、Tsuyuki Tomoo、Sato Kazuhiko、Nakajima Yumiko
    • 雑誌名

      JACS Au

      巻: 3 号: 8 ページ: 2323-2332

    • DOI

      10.1021/jacsau.3c00357

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] One‐Pot Synthesis of Polymers Containing P-C Bonds in the Main Chain2023

    • 著者名/発表者名
      Mathew Siby、Naganawa Yuki、Jiang Fan、Wischert Raphael、Streiff Stephane、Metivier Pascal、Nakajima Yumiko
    • 雑誌名

      Macromolecular Rapid Communications

      巻: 44 号: 9

    • DOI

      10.1002/marc.202200921

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Heterolytic cleavage of a Si-H bond by a metal-ligand cooperation of a cationic iridium amido complex and hydrosilylation of aldehydes2022

    • 著者名/発表者名
      Iizuka Kosuke、Nakajima Yumiko、Sato Kazuhiko
    • 雑誌名

      Dalton Transactions

      巻: 51 号: 34 ページ: 12781-12785

    • DOI

      10.1039/d2dt01733d

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Recent progress in transition metal complexes supported by multidentate ligands featuring group 13 and 14 elements as coordinating atoms2022

    • 著者名/発表者名
      Komuro Takashi、Nakajima Yumiko、Takaya Jun、Hashimoto Hisako
    • 雑誌名

      Coordination Chemistry Reviews

      巻: 473 ページ: 214837-214837

    • DOI

      10.1016/j.ccr.2022.214837

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 高機能ヒドロシリル化触媒の開発と有機ケイ素新材料への展開2023

    • 著者名/発表者名
      中島裕美子
    • 学会等名
      日本セラミック協会「ハイブリッド化による新材料開発を目指す会」令和5年ハイブリッド材料シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Long-range metal-ligand cooperation behavior of phenanthroline-based PNNP-cobalt(I) complex and its application in catalysis2023

    • 著者名/発表者名
      Yumiko Nakajima
    • 学会等名
      Catalysis; Fine Chemicals
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 四座PNNP配位子に支持された3d金属錯体を用いた結合切断反応とその応用2023

    • 著者名/発表者名
      中島裕美子
    • 学会等名
      第39回有機合成化学セミナー
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Esters Hydrogenolysis via β-C-O Bond Cleavage Catalyzed by a Phenanthroline-Based PNNP-Cobalt(I) Complex2023

    • 著者名/発表者名
      Yumiko Nakajima
    • 学会等名
      10th Pacific Symposium on Radical Chemistry (PSRC-10)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of hydrosilylation catalysts for silane coupling agent syntheses2023

    • 著者名/発表者名
      Yumiko Nakajima
    • 学会等名
      52th North American Si Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Precise Synthesis of Organosilicon Compounds for High Performance Materials2022

    • 著者名/発表者名
      Yumiko Nakajima, Yuki Naganawa
    • 学会等名
      Asia Pacific Society for Material Research (APSMR) 2022 Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Si-Cl Bond Cleavage Induced by an Iron Complex Bearing a Phenanthroline-Based PNNP Ligand2022

    • 著者名/発表者名
      Yumiko Nakajima, Kosuke Iizuka, Tomohiro Takeshita, Shiori Fujimori
    • 学会等名
      8th Asian Conference on Coordinatio Chemistry
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] (平面四座PNNP配位子に支持された3d金属錯体の金属-配位子協働効果と触媒作用2022

    • 著者名/発表者名
      中島裕美子
    • 学会等名
      第130回触媒討論会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] (20)平面四座PNNP配位子を有する3d金属錯体の金属-配位子協働効果と触媒作用2022

    • 著者名/発表者名
      中島裕美子
    • 学会等名
      有機合成化学協会 有機合成2月セミナー
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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