固体用触媒のカスタマイズ

May 29, 2023

北海道大学と化学反応設計発見研究所（WPI-ICReDD）の化学者らは、固体状態のメカノケミカル合成用に特別に設計され最適化された初の高性能触媒を開発した。 研究チームは、長いポリマー分子を金属触媒に結合させることで、触媒を液相に閉じ込めることができ、室温近くで効率的な反応が可能になることを発見した。このアプローチは報告されています米国化学会誌に掲載されたこの技術は、化学研究や産業における幅広い用途に適応できれば、コストとエネルギーの節約をもたらす可能性があります。

化学合成反応は通常、溶解した分子が混ざり合って自由に反応できる溶液中で行われます。 しかし、近年、化学者は固体結晶と粉末を一緒に粉砕するメカノケミカル合成と呼ばれるプロセスを開発しました。 このアプローチは、有害な溶媒の使用を削減し、反応をより迅速かつ低温で進行させ、エネルギーコストを節約できるため、有利です。 入手可能な溶媒に溶解しにくい化合物間の反応にも使用できます。

ただし、固体反応は溶液ベースの反応とは非常に異なる環境で発生します。 これまでの研究では、元々溶液中で使用するために設計されたパラジウム錯体触媒は、固体状態のメカノケミカル反応では十分に機能しないことが多く、高い反応温度が必要であることが判明した。 固相反応に未修飾のパラジウム触媒を使用すると、パラジウムが凝集して不活性状態になる傾向があるため、効率が制限されてしまいました。 研究チームは、凝集に関するこのメカノケミカルな問題を克服するための触媒を設計するという、新しい方向に着手することを選択しました。

「私たちは、特別に設計されたホスフィン配位子を介してパラジウムをポリエチレングリコールと呼ばれる大きなポリマー分子に結合させる革新的なソリューションを開発しました」と伊藤肇教授は説明する。

ポリエチレングリコール分子は固体材料間に分子レベルの流体相のように振る舞う領域を形成し、そこでメカノケミカルな鈴木・宮浦クロスカップリング反応がはるかに効率的に進行し、問題となるパラジウムの凝集が発生しません。 大幅に高い生成物収率を達成することに加えて、反応は室温付近で効果的に進行しました。これまで最も性能が高かった代替法では 120℃ まで加熱する必要がありました。 同様のクロスカップリング反応は、研究や化学産業で広く使用されています。

「これは、メカノケミカル反応という独特の環境において、パラジウム錯体触媒の可能性を活用するために特別に改変されたシステムの初めての実証です」と久保田耕司准教授は述べています。

彼らは、これが他の多くの反応や、周期表の遷移金属の他の元素を使用する触媒にも適用できると考えています。

このプロセスや同様のプロセスが広く採用されれば、最終的には商用化学プロセスのコストとエネルギー消費が大幅に削減され、より環境に優しい多くの有用な化学物質の大規模生産が可能になる可能性があります。

- このプレスリリースはもともと北海道大学のウェブサイトに掲載されたものです