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Beyond thiols, beyond gold: Novel NHC-stabilized nanoclusters in catalysis

研究課題

研究課題/領域番号 23K21120
補助金の研究課題番号 21H01949 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分34010:無機・錯体化学関連
研究機関名古屋大学

研究代表者

CRUDDEN Cathleen  名古屋大学, トランスフォーマティブ生命分子研究所, 客員教授 (10721029)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2024年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2023年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2022年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2021年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円)
キーワードnanocluster / gold / N-heterocyclic carbene / chirality / electrocatalysis / catalysis / chiral / C-H oxidation
研究開始時の研究の概要

In this proposal we will design highly active and highly selective Au nanocluster catalysts for the stereospecific oxidation of C-H bonds in complex organic molecules. Catalyst activation methods that do not result in complete degradation of the ligand sphere are critical, as are catalysts that are stable under the oxidative reaction conditions. We will take advantage of the ability to have adjacent metal atoms of the same or different oxidation states to aid in the activation, something that catalysts based on individual metal atoms lack.

研究実績の概要

We set out to investigate whether chiral bis-benzimidazolylidene ligands based on the highly successful DIOP phosphine ligand would also generate chiral NHC-stabilized nanoclusters. We synthesized a chiral Au13 cluster stabilized by a chiral dioxolane-linked bisNHC. The resulting clusters were characterized by electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS), UV-vis spectroscopy, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. We examined the CD spectra of the two enantiomers. As expected, the spectra are perfect mirror images for the two enantiomers. Unfortunately, we could not confirm the exact structure of clusters by XRD analysis, but we performed DFT calculations to explain the experimental observations and give insight into the structural details and their effects on the optical properties and chirality.
Electrochemical and thermal analyses were conducted to probe the reactivity and stability of this cluster, and its behavior as a catalyst for the electrocatalytic reduction of CO2 to CO was examined. The headspace above the reaction mixture in an H-cell was analyzed by gas chromatography equipped with a thermal conductivity detector (GC-TCD), which confirmed the production of 136 equiv of CO relative to cluster with a 74% Faradaic efficiency.

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

We have demonstrated that employing chiral NHC-based ligands to stabilize nanoclusters offers a practical and controllable method for the preparation of highly stable, enantiopure chiral clusters. And cluster displayed high selectivity for the catalytic reduction of CO2 to CO. This result is published in Chem. Mater.

今後の研究の推進方策

Future work will entail the synthesis of new series of gold nanoclusters by using designed NHC ligands to control size and shape of gold core. In particular, we focused on the synthesis of new heterobimetallic clusters stabilized by NHC ligands. For application to catalysis, homogeneous electrochemical investigation of NHC-gold nanoclusters will be established.

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (35件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (8件) 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 15件、 査読あり 15件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 12件、 招待講演 12件)

  • [国際共同研究] Queen's University/Western University/University of Toronto(カナダ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Bergen(ノルウェー)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Queen's University/Universite Laval(カナダ)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] University of St. Andrews(英国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Jyvaskyla(フィンランド)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Queen's University/Universite Laval(カナダ)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Jyvaskyla(フィンランド)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] University of St. Andrews(英国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Electrocatalytic CO2 Reduction with Atomically Precise Au13 Nanoclusters: Effect of Ligand Shell on Catalytic Performance2024

    • 著者名/発表者名
      Levchenko Tetyana I.、Yi Hong、Aloisio Mark D.、Dang Ngoc Kim、Gao Guorui、Sharma Shriya、Dinh Cao-Thang、Crudden Cathleen M.
    • 雑誌名

      ACS Catalysis

      巻: 14 号: 6 ページ: 4155-4163

    • DOI

      10.1021/acscatal.3c06114

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] N-Heterocyclic Carbene-Stabilized Atomically Precise Metal Nanoclusters2024

    • 著者名/発表者名
      Albright Emily L.、Levchenko Tetyana I.、Kulkarni Viveka K.、Sullivan Angus I.、DeJesus Joseph F.、Malola Sami、Takano Shinjiro、Nambo Masakazu、Stamplecoskie Kevin、H?kkinen Hannu、Tsukuda Tatsuya、Crudden Cathleen M.
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 146 号: 9 ページ: 5759-5780

    • DOI

      10.1021/jacs.3c11031

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] N-heterocyclic carbene adsorption states on Pt(111) and Ru(0001)2024

    • 著者名/発表者名
      Zhang Tianchi、Khomane Sonali B.、Singh Ishwar、Crudden Cathleen M.、McBreen Peter H.
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 26 号: 5 ページ: 4083-4090

    • DOI

      10.1039/d3cp03539e

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Enantiopure Chiral Au<sub>13</sub> Nanoclusters Stabilized by Ditopic <i>N</i>-Heterocyclic Carbenes: Synthesis, Characterization, and Electrocatalytic Reduction of CO<sub>2</sub>2024

    • 著者名/発表者名
      Albright Emily L.、Malola Sami、Jacob Samuel I.、Yi Hong、Takano Shinjiro、Mimura Koichi、Tsukuda Tatsuya、H?kkinen Hannu、Nambo Masakazu、Crudden Cathleen M.
    • 雑誌名

      Chemistry of Materials

      巻: 36 号: 3 ページ: 1279-1289

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.3c02288

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Mesoionic carbene-based self-assembled monolayers on gold2024

    • 著者名/発表者名
      Lee Dianne S.、Singh Ishwar、Veinot Alex J.、Aloisio Mark D.、Lomax Justin T.、Ragogna Paul J.、Crudden Cathleen M.
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 15 号: 7 ページ: 2480-2485

    • DOI

      10.1039/d3sc04720b

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Insights into the synthesis of NHC-stabilized Au nanoclusters through real-time reaction monitoring2023

    • 著者名/発表者名
      Liu Junliang、Sato Yusuke、Kulkarni Viveka K.、Sullivan Angus I.、Zhang Wenyu、Crudden Cathleen M.、Hein Jason E.
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 14 号: 38 ページ: 10500-10507

    • DOI

      10.1039/d3sc02077k

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Highly Ordered N-Heterocyclic Carbene Monolayers on Cu(111)2022

    • 著者名/発表者名
      Angove Eloise、Grillo Federico、Fruchtl Herbert A.、Veinot Alex J.、Singh Ishwar、Horton J. Hugh、Crudden Cathleen M.、Baddeley Christopher J.
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 13 号: 8 ページ: 2051-2056

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.1c04073

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Synthesis and Characterization of Enantiopure Chiral Bis NHC-Stabilized Edge-Shared Au<sub>10</sub> Nanocluster with Unique Prolate Shape2022

    • 著者名/発表者名
      Man Renee W. Y.、Yi Hong、Malola Sami、Takano Shinjiro、Tsukuda Tatsuya、H?kkinen Hannu、Nambo Masakazu、Crudden Cathleen M.
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 144 号: 5 ページ: 2056-2061

    • DOI

      10.1021/jacs.1c11857

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] NHC-Stabilized Au10 Nanoclusters and Their Conversion to Au25 Nanoclusters2022

    • 著者名/発表者名
      Lummis Paul A.、Osten Kimberly M.、Levchenko Tetyana I.、Sabooni Asre Hazer Maryam、Malola Sami、Owens-Baird Bryan、Veinot Alex J.、Albright Emily L.、Schatte Gabriele、Takano Shinjiro、Kovnir Kirill、Stamplecoskie Kevin G.、Tsukuda Tatsuya、H?kkinen Hannu、Nambo Masakazu、Crudden Cathleen M.
    • 雑誌名

      JACS Au

      巻: 2 号: 4 ページ: 875-885

    • DOI

      10.1021/jacsau.2c00004

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] N-Heterocyclic carbene-stabilized hydrido Au24 nanoclusters: synthesis, structure, and electrocatalytic reduction of CO22022

    • 著者名/発表者名
      Kulkarni Viveka K.、Khiarak Behnam Nourmohammadi、Takano Shinjiro、Malola Sami、Albright Emily L.、Levchenko Tetyana I.、Aloisio Mark D.、Dinh Cao-Thang、Tsukuda Tatsuya、Hakkinen Hannu、Crudden Cathleen M.
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 144 号: 20 ページ: 9000-9006

    • DOI

      10.1021/jacs.2c00789

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Functionalization of Metal-Supported Graphene by an N-Heterocyclic Carbene2022

    • 著者名/発表者名
      Zhang Tianchi、Khomane Sonali B.、Singh Ishwar、Crudden Cathleen M.、McBreen Peter H.
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 126 号: 34 ページ: 14430-14440

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c02342

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Functionalized N-Heterocyclic Carbene Monolayers on Gold for Surface-Initiated Polymerizations2022

    • 著者名/発表者名
      Choi Yunsoo、Park Chul Soon、Tran Hung-Vu、Li Chien-Hung、Crudden Cathleen M.、Lee T. Randall
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials &amp; Interfaces

      巻: 14 号: 39 ページ: 44969-44980

    • DOI

      10.1021/acsami.2c10985

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Desulfonylative Coupling of Alkylsulfones with <i>gem-</i>Difluoroalkenes by Visible-Light Photoredox Catalysis2022

    • 著者名/発表者名
      Nambo Masakazu、Ghosh Koushik、Yim Jacky C.-H.、Tahara Yasuyo、Inai Naoto、Yanai Takeshi、Crudden Cathleen M.
    • 雑誌名

      ACS Catalysis

      巻: 12 号: 15 ページ: 9526-9532

    • DOI

      10.1021/acscatal.2c02233

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Gender equity in funding2022

    • 著者名/発表者名
      Crudden Cathleen M.
    • 雑誌名

      Nature Reviews Chemistry

      巻: 6 号: 4 ページ: 233-234

    • DOI

      10.1038/s41570-022-00376-8

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Desulfonylative Transformations of Sulfones by Transition-Metal Catalysis, Photocatalysis, and Organocatalysis2022

    • 著者名/発表者名
      Nambo Masakazu、Maekawa Yuuki、Crudden Cathleen M.
    • 雑誌名

      ACS Catalysis

      巻: 12 号: 5 ページ: 3013-3032

    • DOI

      10.1021/acscatal.1c05608

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] N-Heterocyclic carbenes as Ligands for Molecules and Materials2023

    • 著者名/発表者名
      Cathleen M. Crudden
    • 学会等名
      XIII Colombian Symposium of Catalysis
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Area selective ALD employing small molecule inhibitors with carbon as the heteroatom equivalent2023

    • 著者名/発表者名
      Cathleen M. Crudden
    • 学会等名
      American Vacuum Society Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] N-Heterocyclic Carbenes in Materials; Self Assembled Monolayers, Nanoclusters and Atomic Layer Deposition2023

    • 著者名/発表者名
      Cathleen M. Crudden
    • 学会等名
      Samsung Science and Technology Foundation Symposium Los Angeles
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] NHC-Stabilized Atomically Precise Nanoclusters ;Synthesis, Stability and Applications in Catalysis and in Vivo2023

    • 著者名/発表者名
      Cathleen M. Crudden
    • 学会等名
      Gordon Research Conference on Atomically Precise Nanochemistry
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] N-heterocyclic carbenes as novel ligands on planar metal surfaces; self assembled monolayers, on surface ligand dynamics and applications in atomic layer deposition2023

    • 著者名/発表者名
      Cathleen M. Crudden
    • 学会等名
      American Chemical Society spring meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Organometallic materials-N-heterocyclic carbenes as ligands for metal surfaces and clusters2022

    • 著者名/発表者名
      Cathleen M. Crudden
    • 学会等名
      American Chemical Society Spring conference
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Organometallic materials-N-heterocyclic carbenes as ligands for metal surfaces and clusters2022

    • 著者名/発表者名
      Cathleen M. Crudden
    • 学会等名
      Chem Cell Press lecture, University of California at Los Angeles
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Metal catalysts, clusters and surfaces: Cross coupling chemistry and the use of NHCs to form monolayers on surfaces and clusters2022

    • 著者名/発表者名
      Cathleen M. Crudden
    • 学会等名
      Swedish Chemical Society conference
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The power of organometallics: From Catalysts to self-assembled monolayers to atomically precise nanoclusters2022

    • 著者名/発表者名
      Cathleen M. Crudden
    • 学会等名
      Organic Reactions and Processes Gordon Research Conference
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Organometallic chemistry in catalysis and materials2022

    • 著者名/発表者名
      Cathleen M. Crudden
    • 学会等名
      DOC Virtual symposium
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Metal catalysts, clusters and surfaces: Enantiospecific cross coupling reactions and N-heterocyclic carbenes in materials chemistry2022

    • 著者名/発表者名
      Cathleen M. Crudden
    • 学会等名
      Gordon Research Conference on Atomically Precise Nanoclusters
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Advances in cross coupling reactions with sulfones and adventures in the use of N-heterocyclic carbenes for the development of novel nanocluster catalysts2022

    • 著者名/発表者名
      Cathleen M. Crudden
    • 学会等名
      Canadian Society for Chemistry Conference and Exhibition
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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