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2011 年度 実施状況報告書

マイクロ・ナノバブルを用いた金属フリー過酸化水素合成による不斉酸化反応の開発

研究課題

研究課題/領域番号 23655079
研究機関静岡大学

研究代表者

間瀬 暢之  静岡大学, 工学部, 准教授 (40313936)

研究期間 (年度) 2011-04-28 – 2013-03-31
キーワードマイクロナノバブル / 過酸化水素 / 金属フリー / 気-液反応 / 気-液-固反応 / 酸化反応 / 還元反応 / アントラキノン法
研究概要

全化学プロセスの30%に達するとされる酸化反応を安全・クリーン・低エネルギーで進行させることは、生産性・安全性を向上し、消費エネルギーの削減につながることから、持続可能な社会を構築する上で重要である。過酸化水素は原子利用効率が高く (47%)、副生成物が水だけのクリーンな酸化剤であるが、その効率的な生成法の確立が強く望まれている。過酸化水素の主な工業的合成法として、アントラキノン法が利用されている。この手法のメリットは高濃度の過酸化水素を合成できることであるが、鍵反応である接触水素化の工程は気相-液相反応であるため、従来法では加熱、高圧条件を必要としてきた。また、コスト低減のため一度に大量の過酸化水素を合成することが望まれるが、貯蔵、運搬が必要となり、安全面を考慮すると爆発性の過酸化水素を高濃度で大量に保有するリスクは避けるべきである。本研究では気液界面を効率的に増大させるマイクロナノバブルに着目し、マイクロナノバブルを用いた気相-液相反応により、常温・常圧下、その場 (オンサイト)での過酸化水素合成を検討した。アントラキノン法での過酸化水素合成について、水素雰囲気下 (Balloon)、水素バブリング (Bubbling)、水素マイクロナノバブル (Micronanobubble)の3種類の気体導入手法について比較検討を行った。その結果、マイクロナノバブル発生装置を用いた場合、2倍の反応性で過酸化水素を生成した。これはマイクロナノバブルを系中に発生させることで、cm-mmバブリングよりも液相中に高度に水素が分散、溶解し、溶存水素濃度が増加したと考えられる。高い溶存水素濃度を維持したことにより、アントラキノンの接触水素化反応が促進され、続くアントラヒドロキノンの自動酸化工程を経て生成される過酸化水素の収率が向上したと推察される。

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

研究の全体構想である「極めて環境負荷が低い次世代型酸化反応の確立」をするために、初期の本研究開発のポイントは大きく二つあり、ステージI: マイクロナノバブルの過酸化水素生成への活用ステージII: 生成した過酸化水素の酸化反応への活用、基質一般性・反応適応性の拡張である。まずはこの二つのポイントに焦点を絞り、本手法の優位性を確立する必要があり、当該年度において、(a) マイクナノバブル発生装置の改良、(b) マイクロナノバブルの過酸化水素生成への活用 を検討した。その結果、マイクロナノバブル手法の優位性が確認された。具体的には、アントラキノン法での過酸化水素合成において、水素雰囲気下 (Balloon)、水素バブリング (Bubbling)、水素マイクロナノバブル (Micronanobubble)の3種類の気体導入手法について比較検討を行った結果、マイクロナノバブル発生装置を用いた場合、2倍の反応性で過酸化水素を生成した。さらに、触媒量を検討した結果、10 mol%のときに最も高い収率(84%)で過酸化水素が合成された。また、固定化された触媒を用いているため、触媒の回収が容易であり、触媒の繰り返し利用を検討した結果、4回再利用しても反応性の低下は観測されなかった。以上の結果より、当初の予定通り、本研究課題はおおむね順調に発展している。

今後の研究の推進方策

今後、マイクロナノバブル発生装置を用いた接触水素化、続く空気酸化を、流路の切り替えによりワンポットで行い、過酸化水素を合成する。その後、反応後の溶液に水を加え、マイクロナノバブル発生装置を用いた液-液抽出を行う。さらに、生成した過酸化水素水を有機反応へと活用し、基質一般性・反応適応性の拡張を検討する。

次年度の研究費の使用計画

次年度の計画において、生成した過酸化水素を有機反応へと活用することから、合成反応用試薬・触媒、反応・精製用有機溶媒、有機合成用ガラス器具の購入に研究費を充当する。また、マイクロナノバブル発生装置の配管・バルブの最適化を行い、安全性・効率性の高い過酸化水素発生システムの構築に研究費を使用する。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2012 2011 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (8件) 備考 (1件) 産業財産権 (2件)

  • [雑誌論文] Aerobic copper/TEMPO-catalyzed oxidation2011

    • 著者名/発表者名
      Mase, N.; Mizumori, T.; Tatemoto, Y.
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 47 (7) ページ: 2086-2088

    • 査読あり
  • [雑誌論文] マイクロ・ナノバブルを用いた有機合成: 工業スケールを指向した日本発の次世代型気相-液相反応の実現へ2011

    • 著者名/発表者名
      間瀬暢之; 水森智也
    • 雑誌名

      配管技術

      巻: 53 (5) ページ: 48-52

  • [学会発表] マイクロ・ナノバブルを用いた効率的気相-液相-固相水素化反応プロセスの開発2012

    • 著者名/発表者名
      磯村省吾・永野利久・間瀬暢之
    • 学会等名
      日本化学会第92春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学 (神奈川県)
    • 年月日
      2012 – 327
  • [学会発表] マイクロ・ナノバブルを用いた効率的気相-液相酸化反応プロセスの開発2012

    • 著者名/発表者名
      水森智也・間瀬暢之
    • 学会等名
      日本化学会第92春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学 (神奈川県)
    • 年月日
      2012 – 326
  • [学会発表] マイクロ・ナノバブルを利用した気相-液相型有機合成反応2011

    • 著者名/発表者名
      水森智也・磯村省吾・間瀬暢之
    • 学会等名
      第4回有機触媒シンポジウム
    • 発表場所
      東京理科大学 (東京都)
    • 年月日
      2011 – 917
  • [学会発表] Environmentally-Friendly Organic Synthesis2011

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Mizumori, Shogo Isomura, Nobuyuki Mase
    • 学会等名
      ISPC 2011
    • 発表場所
      Kyoto International Conference Center (Kyoto)
    • 年月日
      2011 – 812
  • [学会発表] グリーンケミストリーに基づいた環境調和型物質合成プロセスの開発2011

    • 著者名/発表者名
      間瀬暢之
    • 学会等名
      スクリプスバイオメディカルフォーラム(招待講演)
    • 発表場所
      新大阪ワシントンホテルプラザ (大阪府)
    • 年月日
      2011 – 123
  • [学会発表] マイクロ・ナノバブル手法による新規効率的水素付加反応2011

    • 著者名/発表者名
      磯村 省吾・水森 智也・永野 利久・間瀬 暢之
    • 学会等名
      第42回中部化学関係学協会支部連合秋季大会
    • 発表場所
      信州大学 (長野県)
    • 年月日
      2011 – 115
  • [学会発表] マイクロ・ナノバブルによる気体の過飽和溶解を利用した有機合成反応の効率化2011

    • 著者名/発表者名
      水森智也・磯村省吾・間瀬暢之
    • 学会等名
      第42回中部化学関係学協会支部連合秋季大会
    • 発表場所
      信州大学 (長野県)
    • 年月日
      2011 – 115
  • [学会発表] マイクロ・ナノバブルの過飽和溶解を利用した効率的気相-液相反応手法の開発2011

    • 著者名/発表者名
      水森智也・磯村省吾・間瀬暢之
    • 学会等名
      第55回香料・テルペンおよび精油化学に関する討論会
    • 発表場所
      筑波大学 (茨城県)
    • 年月日
      2011 – 1120
  • [備考]

    • URL

      http://www.ipc.shizuoka.ac.jp/~tnmase/

  • [産業財産権] 芳香族アミン化合物の製造方法2012

    • 発明者名
      間瀬 暢之 他4名
    • 権利者名
      間瀬 暢之 他4名
    • 産業財産権番号
      特許: 特願2012-034882
    • 出願年月日
      2012年02月21日
  • [産業財産権] 基質と水素との反応生成物の製造方法2011

    • 発明者名
      間瀬 暢之 他3名
    • 権利者名
      間瀬 暢之 他3名
    • 産業財産権番号
      特許: 特願2011-158551
    • 出願年月日
      2011年07月20日

URL: 

公開日: 2013-07-10  

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