酢酸のケトン化反応におけるケテンの気相中間体としての役割を解明(Ketene as a Gas-Phase Intermediate in Acetic Acid Ketonization)

2026-10-30 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

米国パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)などの研究チームは、酢酸からアセトンを生成するケトン化反応において、ケテン(CH₂=C=O)が気相を移動する反応中間体として機能することを実験と理論計算によって明らかにした。研究では、酸化チタン(TiO₂)のナノ粒子を積層した触媒を用い、層の厚さや酢酸の吸着量による生成物の変化を調べた。その結果、薄い触媒層では主にケテンが生成する一方、厚い触媒層ではケテンが粒子表面から脱離し、粒子間の空隙を移動して隣接する表面で再反応することで、アセトンの生成量が大幅に増加することが判明した。温度プログラム反応分光法、バッチ反応器実験、密度汎関数理論(DFT)計算を組み合わせ、ケテンが表面エノラートなどと反応してβ-ケト酸中間体を形成する経路を示した。本成果は、不均一系触媒の反応選択性が活性点の化学的性質だけでなく、触媒粒子間の物質移動や空隙構造にも左右されることを示しており、バイオマス由来カルボン酸から化学原料や燃料前駆体を製造する触媒の設計指針となる。

酢酸のケトン化反応におけるケテンの気相中間体としての役割を解明(Ketene as a Gas-Phase Intermediate in Acetic Acid Ketonization)

TiO2(101) single crystals and thin catalyst layers yield ketene with essentially no acetone. As acetic acid saturates deeper layers in thicker TiO2 films, ketene undergoes more interparticle collisions and acetone formation increases. (Image by Zdenek Dohnálek | Pacific Northwest National Laboratory)

<関連情報>

TiO2上での酢酸ケトン化における気相中間体としてのケテン Ketene as a gas phase intermediate in acetic acid ketonization on TiO2

Jiayan Xu, William JI DeBenedetti, Xingyu Wang, Yiqing Wu, Libor Kovarik, Christopher R. O’Connor, Feng Gao, Janos Szanyi, Yong Wang, Annabella Selloni, Greg A. Kimmel & Zdenek Dohnálek
Nature Communications  Published:28 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-77945-8

Abstract

Reactive gas-phase intermediates are often underappreciated in heterogeneous catalysis, despite their potential to control key catalytic steps. Here, we provide direct experimental evidence that ketene can act as an intermediate in acetic acid ketonization, a mechanism that has long been debated. Using faceted TiO2(101) nanoparticles assembled into layers of controlled thickness, we show that ketene, formed from surface acetate, migrates through interparticle voids via desorption-readsorption events before reacting with surface acetate to yield acetone. Surface science and reactor studies reveal a direct correlation between ketene and acetone production and the depth to which the particle layers are saturated. Ab initio calculations support ketene’s reactivity via low-barrier coupling pathways that converge on a common β-ketoacid intermediate. Here, we show that ketene can act as a mobile gas-phase intermediate and underscore the broader importance of spatially decoupled elementary steps in determining reactivity and selectivity in catalytic systems.

0502有機化学製品
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