2015 Fiscal Year Research-status Report
セルロース結晶の熱分解反応制御による超高選択的ケミカルス生産への挑戦
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15K14772
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
河本 晴雄 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (80224864)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂 志朗 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (50205697)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | セルロース / 熱分解 / 反応制御 / 非プロトン性溶媒 / 微結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者らは、非プロトン性溶媒中に溶解させることで、低分子の糖類が熱分解に対して著しく安定化されることを見出している。このような熱分解反応制御をセルロースに対して応用することで、セルロースを焦がすことなく、有用低分子ケミカルスへの変換が可能性になる。しかしながら、一辺が数十ナノメートルの断面よりなる微結晶が無数に集合した複層構造を有するセルロースに対する非プロトン性溶媒の作用については不明である。このような背景から、本研究課題では非プロトン性溶媒を用いたセルロースの熱分解反応制御について検討する。
セルロース微結晶の表面が主に親水性界面よりなることが示唆されており、芳香族化合物のような非プロトン性溶媒のアクセスは容易ではないことが推測される。したがって、本研究ではまず、極性の官能基（>C=O、>S=O >Nなど）を持つ一連の芳香族化合物を用い、それらのセルロース熱分解への影響を網羅的に検討した。その結果、芳香族化合物がセルロースの熱分解（炭化）を抑制しレボグルコサンの選択性を大幅に高める作用を持ち、その効果が極性基を含むものほど高くなることを明らかにした。また、>S=O基を含むスルホランは逆に炭化することなくセルロース分子の解重合を低温度域から促進するとともに、脱水反応も促進することがわかった。これらの結果より、極性な官能基を持つ非プロトン性溶媒を用いることで、セルロース微結晶間に侵入できるようになり、セルロースの熱分解反応を制御できる可能があることが明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
微結晶内部のセルロース分子は熱分解に対して安定であり、微結晶表面の分子より熱分解が進行するものと考えられている。したがって、このように反応性に富む微結晶間に対して非プロトン性溶媒を作用できるかどうかが、セルロースの熱分解反応を制御できるかどうかを決める重要な因子であると考えられた。平成27年度の研究により、極性な官能基を持つ非プロトン性溶媒がセルロースの炭化を効果的に抑制したことから、このような極性な官能基を持つ溶媒は主に親水性表面よりなるセルロース微結晶間へアクセスできることが明らかになった。本成果は微結晶の集合体であるセルロースの熱分解反応を制御できる可能性を示唆しており、予想以上の達成度である。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度において検討した非プロトン性溶媒は、セルロースの熱分解を抑制するグループと解重合を促進するグループに分類できることがわかった。今後、前者については、有用ケミカルスとして利用可能なレボグルコサンの高選択的生産を視野に研究を進める。通常の熱分解では微結晶間での熱分解によりセルロースは主に炭化物へと変化するが、非プロトン性溶を効果的に作用させることで生成するレボグルコサンを高選択的に生産できることが期待される。一方後者については、微結晶間に浸透した後にセルロースの水酸基と化学反応することで非プロトン性溶媒の一部が可逆的に酸性物質へと変化し、セルロースを効果的に解重合する機構を研究代表者らは推定している。平成28年度の研究において、この仮説を検証するとともに、高選択的なケミカルス生産への可能性を探求する。
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| Causes of Carryover |
平成27年度にセルロースの熱分解制御システムの試作を考えていたが、基礎的な検討が長引き、年度内に支出することができなかったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
セルロース熱分解への非プロトン性溶媒の作用を調べるために必要な薬品類、ガラス器具、分析カラムなどの消耗品費として30－40万円程度の支出を計画している。また、基礎的な研究成果により発案される熱分解制御法を具体化するために、既に研究機関に設置してある赤外線イメージ炉あるいは管状炉をベースに、石英管などを用いて熱分解システムを試作することを予定している。さらに、学会での研究発表旅費、原著論文として投稿するための英文校正料など、研究成果を発信するための経費への研究費の使用を予定している。
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