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2016 年度 実施状況報告書

脱ヒドロキシメチル化減炭反応を促進する貴金属ナノ粒子-金属酸化物複合体触媒の開発

研究課題

研究課題/領域番号 16K14479
研究機関大阪大学

研究代表者

實川 浩一郎  大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (50235793)

研究分担者 水垣 共雄  大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (50314406)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
キーワード触媒反応 / 複合系触媒 / 減炭反応 / ナノ粒子 / バイオマス
研究実績の概要

バイオマス化合物を汎用化成品に変換するためには、ターゲットとする化合物に多数存在する酸素官能基を水素化分解してC-OH結合をC-H結合に変換する必要がある。本研究では1級アルコールのヒドロキシメチル基を脱離させて、1炭素減炭した化合物を得る反応を促進する新規な触媒を開発することを目的として研究展開した。平成28年度は、還元剤として汎用される分子状水素を用いるので水素活性化能力を有する貴金属と、脱酸素を行うので酸素官能基に対して親和性の高い金属酸化物とを複合化させた固体触媒を調製し、両者が協奏的に作用して多段階の素反応(金属酸化物の脱酸素・金属アルコキシドの生成・水酸基の脱水素・カルボニル基の脱離・末端水素化などの各ステップ)を効率的に進行させることを中心に検討した。
触媒の活性中心として用いる貴金属は水素雰囲気で還元されてナノ粒子化し、担体となる金属酸化物の表面で複合体を形成している。この貴金属ナノ粒子上で解離した水素は金属酸化物の格子酸素を還元して構造欠陥ができ、その欠陥空隙に1級アルコールの水酸基が捕捉されて金属アルコキシドが生成する。次にアルコキシドのβヒドリド脱離によって末端ホルミル基となった後、貴金属によって脱カルボニル化が起こり、同時に貴金属種によって活性化された水素種が末端攻撃して炭素1個が減じた化合物が得られる。
以上の指針に基づき、Pt, Ru等の貴金属とハイドロキシアパタイトやセリアのような酸化物担体を複合化させた触媒を調製し、1級水酸基を有する各種のジオール類やレブリン酸などのバイオマス化合物を基質とする脱ヒドロキシメチル化反応を行なったところ、高い活性と選択性を示して目的反応が進行することを確認した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

平成28年度は概要に示した設計指針に基づき、水素活性化能を有する貴金属としてRu、Ptを中心に検討し、酸化物担体としてはセリア(CeO2)またはハイドロアキシパタイト(HAP)を用いて、目的とする反応を進行させる複合系触媒を合成した。その触媒を用いて以下に示す検討を行った。 (1)1,4-ペンタンジオールをモデル化合物に選び、各種ナノ粒子触媒を用いて、各種の反応条件、特に温和な条件で効率よく脱ヒドロキシメチル反応が進行するか確認した。その結果、特にRu/CeO2触媒について予想通りの活性が見られて、当初予想した設計指針が正しいことが判明した。(2)この触媒の特性を明らかにするため、各種分光スペクトルを測定し、触媒のキャラクタリゼーションを行ない活性発現のメカニズムを検討した。
Ruが高い反応活性を示したのは、当初に予想したメカニズムにおいて、反応中間体として生成するルテニウムカルボニル(Ru-CO)種が水素化されてメタンとなり、これが活性種から速やかに脱離するので反応が効率よく進行したものと考えられる。通常はカルボニル種は金属に強く結合するのでターンオーバーしにくいが、ナノ粒子を用いているので、COを吸着しているRu種と水素を活性化しているRu種がナノ粒子上に隣接して存在し、カルボニルの水素化とメタンの脱離が容易に進行するために、このような高い触媒活性が見られたと考えている。以上の結果は当初予想したもの以上であり、すでにいくつかの学会で報告して論文も投稿準備中である。

今後の研究の推進方策

平成28年度で反応の基本的な検討を行なった触媒を用いて、研究の第2段階として基質の拡張性と、触媒反応の実用化を目指した検討を行なう。特にRu/CeO2触媒は水を反応溶媒とする系で高い活性と選択性を示すことを見出しており、環境調和型反応に対して、(i)再生可能資源であるバイオマスを用いること、(ii)環境に理想的な溶媒である水を用いることの2点が特徴となる。現在この触媒を用いて、各種基質に対する反応性を検討しており、特にファインケミストリーへの適用も考えて他の含酸素官能基、エステルや含窒素官能基を含む基質にも展開する計画である。さらに今後の触媒反応の実用化を目指して、バッチ式でスケールアップした系での反応や、実用化を目指したフロー系での反応の検討も行なう。また、この触媒系の開発によって、バイオマス由来のポリオール類を基質に用い、選択的な還元的脱炭反応による有用ケミカルズ合成のプロセスが可能になるので、その展開に向けて検討を行う計画である。
一般に固体触媒は活性が低いために反応に高温を必要とし、ファインケミストリーに適用する官能基変換反応には用いることが困難であった。我々は金属をナノ粒子化することによって固体触媒を活性化し、さらに担体と複合化させることによって協奏的な機能を発揮させ、効率的な触媒を開発する方向について知見を得ることができた。今後はこのような設計指針に基づき、液相での環境調和型の官能基変換反応に高活性高選択性を示す反応を開発できる。

次年度使用額が生じた理由

効率的な使用により若干の残額が発生した.

次年度使用額の使用計画

平成29年度分と合わせて使用する計画である。

  • 研究成果

    (30件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 5件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Synthesis of Tetraline Derivatives through Depolymerization of Polyethers with Aromatic Compounds Using Heterogeneous Titanium-Exchanged Montmorillonite Catalyst2016

    • 著者名/発表者名
      Z. Maeno, H. Torii, S. Yamada, T. Mitsudome, T. Mizugaki, Koichiro Jitsukawa
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 6 ページ: 89231 - 89233

    • DOI

      10.1039/c6ra20864a

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Green, Multi-Gram One-Step Synthesis of Core-Shell Nanocomposites in Water and Their Catalytic Application to Chemoselective Hydrogenations2016

    • 著者名/発表者名
      T. Urayama, T. Mitsudome, Z. Maeno, T. Mizugaki, Koichiro Jitsukawa, K. Kaneda
    • 雑誌名

      Chemistry A European Journal

      巻: 22 ページ: 17962-17966

    • DOI

      10.1002/chem.201604763

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] On-demand Hydrogen Production from Organosilanes at Ambient Temperature Using Heterogeneous Gold Catalysts2016

    • 著者名/発表者名
      T. Mitsudome, T. Urayama, T. Kiyohiro, Z. Maeno, T. Mizugaki, Koichiro Jitsukawa, K. Kaneda
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 6 ページ: 37682

    • DOI

      10.1038/srep37682

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 層状固体酸触媒の特性を活かすたポリエーテル解重合反応による有用化成品合成2017

    • 著者名/発表者名
      前野 禅・山田翔太・満留敬人・水垣共雄・實川浩一郎
    • 学会等名
      第119回触媒討論会
    • 発表場所
      首都大学東京(東京都八王子市)
    • 年月日
      2017-03-22
  • [学会発表] 金ナノ粒子によるヒドロシランの高効率酸化と水素生成反応への応用2017

    • 著者名/発表者名
      満留敬人・浦山鉄平・前野 禅・水垣共雄・實川浩一郎・金田清臣
    • 学会等名
      第119回触媒討論会
    • 発表場所
      首都大学東京(東京都八王子市)
    • 年月日
      2017-03-22
  • [学会発表] ルテニウム担持酸化セリウム触媒を用いたレブリン酸から2-ブタノールへの高選択的な還元的脱炭酸反応2017

    • 著者名/発表者名
      水垣共雄・東郷渓都・前野 禅・満留敬人・實川浩一郎・金田清臣
    • 学会等名
      第119回触媒討論会
    • 発表場所
      首都大学東京(東京都八王子市)
    • 年月日
      2017-03-21
  • [学会発表] コア-シェル型金属ナノ粒子の環境調和型一段階合成法の開発とその化学選択的還元反応における触媒作用2017

    • 著者名/発表者名
      満留敬人・浦山鉄平・前野 禅・水垣共雄・實川浩一郎・金田清臣
    • 学会等名
      97回春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2017-03-19
  • [学会発表] Development of Supported Ruthenium Catalysts for Green One-pot Transformation of Phenol Derivatives to Biphenols2017

    • 著者名/発表者名
      前野 禅・満留敬人・水垣共雄・實川 浩一郎
    • 学会等名
      97回春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2017-03-19
  • [学会発表] 分子状酸素を酸化剤に用いたカテコール類と活性メチレン化合物の酸化的クロスカップリング反応を促進する固定化金属触媒の開発2017

    • 著者名/発表者名
      山本昌信・前野 禅・満留敬人・水垣共雄・實川 浩一郎
    • 学会等名
      97回春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2017-03-18
  • [学会発表] プロトン交換型モンモリロナイト触媒を用いたポリエーテルの解重合によるグリコールジエステル合成反応2017

    • 著者名/発表者名
      御堂河内 薫・前野 禅・満留敬人・水垣共雄・實川 浩一郎
    • 学会等名
      97回春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2017-03-18
  • [学会発表] 金ナノ粒子触媒を用いたヒドロシランの高効率酸化と水素生成反応への応用2017

    • 著者名/発表者名
      満留敬人・浦山鉄平・前野 禅・水垣共雄・實川浩一郎・金田清臣
    • 学会等名
      97回春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2017-03-16
  • [学会発表] ハイドロキシアパタイト固定化Pt-Mo触媒を用いたバイオマス由来カルボン酸からアルコールへの選択的水素化反応2017

    • 著者名/発表者名
      新田晃大・東郷渓都・水垣共雄・前野 禅・満留敬人・實川 浩一郎・金田清臣
    • 学会等名
      97回春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2017-03-16
  • [学会発表] ルテニウム担持酸化セリウム触媒を用いた水素を還元剤とするレブリン酸の脱炭酸反応2017

    • 著者名/発表者名
      水垣共雄・東郷渓都・前野 禅・満留敬人・實川 浩一郎・金田清臣
    • 学会等名
      97回春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2017-03-16
  • [学会発表] 高効率な分子変換反応を促進するコア-シェル型金ナノ粒子触媒の開発2017

    • 著者名/発表者名
      満留 敬人・ 浦山 鉄平・ 前野 禅・ 水垣 共雄・實川 浩一郎・ 金田 清臣
    • 学会等名
      化学工学会第82年会
    • 発表場所
      芝浦工業大学(東京都江東区)
    • 年月日
      2017-03-07
  • [学会発表] 酸素分子の関与するユニークな酸化反応系の開発2016

    • 著者名/発表者名
      實川 浩一郎
    • 学会等名
      第49回酸化反応討論会
    • 発表場所
      徳島大学(徳島県徳島市)
    • 年月日
      2016-11-12
    • 招待講演
  • [学会発表] Selective Transformations of Levulinic Acid to Valuable Chemicals using Heterogeneous Metal Catalysts2016

    • 著者名/発表者名
      Tomoo Mizugaki, Zen Maeno, Takato Mitsudome, Koichiro Jitsukawa, Kiyotomi Kaneda
    • 学会等名
      International Symposium in Catalysis and Fine Chemicals 2016 (C&FC 2016)
    • 発表場所
      Howard Civil Service International House(台北市/台湾)
    • 年月日
      2016-11-11
    • 国際学会
  • [学会発表] Efficient depolymerization of polyethers with carboxylic acid derivatives to various esters using proton-exchanged montmorillonite catalyst2016

    • 著者名/発表者名
      Zen Maeno, Syota Yamada, Takato Mitsudome, Tomoo Mizugaki, Koichiro Jitsukawa
    • 学会等名
      International Symposium in Catalysis and Fine Chemicals 2016 (C&FC 2016)
    • 発表場所
      Howard Civil Service International House(台北市/台湾)
    • 年月日
      2016-11-11
    • 国際学会
  • [学会発表] カチオン交換型モンモリロナイト触媒を用いたエステル交換によるグリセロールの位置選択的アシル化反応2016

    • 著者名/発表者名
      森田崇聖・前野 禅・満留敬人・水垣共雄・實川浩一郎・金田清臣
    • 学会等名
      第2回キャタリストクラブ例会【第9回触媒表面化学研究発表会】
    • 発表場所
      関西大学(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2016-10-28
  • [学会発表] アルキンの高選択的部分水素化反応を促進するコア-シェル型セリア内包金ナノ粒子触媒の設計2016

    • 著者名/発表者名
      満留敬人・ 前野禅・水垣共雄・實川浩一郎・金田清臣
    • 学会等名
      第118回触媒討論会
    • 発表場所
      岩手大学(岩手県盛岡市)
    • 年月日
      2016-09-22
  • [学会発表] レブリン酸からC5有用化合物への高選択的変換に向けた白金- モリブデン酸化物固定触媒の開発2016

    • 著者名/発表者名
      水垣共雄・東郷渓都・前野 禅・満留敬人・實川浩一郎・金田清臣
    • 学会等名
      第118回触媒討論会
    • 発表場所
      岩手大学(岩手県盛岡市)
    • 年月日
      2016-09-21
  • [学会発表] プロトン交換型モンリロナイト触媒を用いたカルボン酸誘導体とのポリエーテルの解重合によるグリコールジエステル合成2016

    • 著者名/発表者名
      前野 禅・山田翔太・満留敬人・水垣共雄・實川浩一郎
    • 学会等名
      第118回触媒討論会
    • 発表場所
      岩手大学(岩手県盛岡市)
    • 年月日
      2016-09-21
  • [学会発表] レブリン酸の高選択的変換に高活性を示すハイドロキシアパタイト固定化Pt-Mo触媒のXAFS解析2016

    • 著者名/発表者名
      水垣 共雄
    • 学会等名
      第13回産業利用報告会
    • 発表場所
      兵庫県民会館(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2016-09-08
  • [学会発表] 高効率バイオマス変換に向けた固定化Pt-Mo触媒の開発~レブリン酸からC5ケミカルズへの高選択的水素化反応2016

    • 著者名/発表者名
      東郷渓都・水垣共雄・前野禅・満留敬人・實川浩一郎・金田清臣
    • 学会等名
      第10回触媒道場
    • 発表場所
      旅館まつさき(石川県能美市)
    • 年月日
      2016-08-30
  • [学会発表] 不均一系触媒を用いた高効率液相有機合成反応2016

    • 著者名/発表者名
      水垣 共雄
    • 学会等名
      第10回触媒道場
    • 発表場所
      旅館まつさき(石川県能美市)
    • 年月日
      2016-08-30
  • [学会発表] Design of core-Pd/shell-Ag nanocomposite catalyst for selective semihydrogenation of alkynes to alkenes2016

    • 著者名/発表者名
      Teppei Urayama,Takato Mitsudome, Zen Maeno, Tomoo Mizugaki, Koichiro Jitsukawa, Kiyotomi Kaneda
    • 学会等名
      252nd American Chemical Society National Meeting & Exposition
    • 発表場所
      Pennsylvania Convention Center(Philadelphia, USA)
    • 年月日
      2016-08-24
    • 国際学会
  • [学会発表] Highly Efficient Depolymerization of Polyethers with Carboxylic Acid Derivatives to Glycol Diesters Using Heterogeneous Montmorillonite Catalyst2016

    • 著者名/発表者名
      Zen Maeno, Takato Mitsudome, Tomoo Mizugaki, Koichiro Jitsukawa
    • 学会等名
      Novel Catalysts for Energy and Environmental Issues
    • 発表場所
      北海道大学(北海道札幌市)
    • 年月日
      2016-07-01
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of Pt-Mo Catalysts for Valorization of Levulinic Acid2016

    • 著者名/発表者名
      水垣共雄・東郷渓都・前野 禅・満留敬人・實川浩一郎・金田 清臣
    • 学会等名
      International Symposium on Catalytic Conversions of Biomass (ISCCB-2016)
    • 発表場所
      NTUH International Convention Center(台北市/台湾)
    • 年月日
      2016-06-29
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] レブリン酸からC5-有用化成品への変換反応を進行させる固定化Pt-Mo触媒の開発2016

    • 著者名/発表者名
      東郷渓都・水垣共雄・實川浩一郎・金田 清臣
    • 学会等名
      第5回 JACI/GSCシンポジウム
    • 発表場所
      ANAクラウンプラザホテル神戸(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2016-06-02
  • [学会発表] 固定化ルテニウム触媒を用いたテトラメチルビフェノールの環境調和型ワンポット合成2016

    • 著者名/発表者名
      前野 禅・満留敬人・水垣共雄・實川浩一郎
    • 学会等名
      第5回 JACI/GSCシンポジウム
    • 発表場所
      ANAクラウンプラザホテル神戸(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2016-06-02
  • [学会発表] プロトン交換型モンモリロナイト触媒によるカルボン酸誘導体を用いたポリエーテルのエステルへの解重合反応2016

    • 著者名/発表者名
      山田翔太・水垣共雄・前野禅・満留敬人・實川浩一郎・金田清臣
    • 学会等名
      第5回 JACI/GSCシンポジウム
    • 発表場所
      ANAクラウンプラザホテル神戸(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2016-06-02

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公開日: 2018-01-16  

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