化学物質生成に変革をもたらし得る新しい NAC 触媒

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(New Nitrogen Assembly Carbon catalyst has potential to transform chemical manufacturing)

2020/8/26 アメリカ合衆国(DOE)・エイムズ国立研究所

Depiction of carbon-based catalyst

・ エイムズ国立研究所が、バイオ・化石燃料、電気触媒反応や燃料電池の製造等の様々な工業プロセスで有用となり得る、より安価でより効率的な金属フリーの炭素ベース触媒について報告。
・ 水素-水素結合や炭素-酸素結合のような強力な化学結合の切断が関与する工業プロセスでは、パラジウムや白金等の遷移金属や貴金属による触媒を利用しているが、原料の高コストや賦存量の課題がある。
・ 今回、不均一触媒の一種で、炭素表面の窒素の配置が触媒活性に著しく影響する NitrogenAssembly Carbons(NACs)の実験を実施。これまで、炭素表面の窒素原子の近接配置では熱力学的に不安定であるため、これらの原子は互いに離れて配置されると考えられていた。
・ NAC 合成における窒素前駆体、熱分解温度と、窒素原子配置との相関性を調査した結果、意図的に準安定の窒素原子を集合させることが可能で、これにより予想外の触媒反応が得られることを発見。
・ このような反応には、アリルエーテルの水素化分解、エチルベンゼンとテトラヒドロキノリンの水素化、および一般的な不飽和官能基(ケトン、アルケン、アルキンやニトロ基)の水素化が含まれる。
・ さらに、NAC 触媒は、高温度・高圧下において液相と気相の両反応で安定した選択性と活性を提示。NAC 表面上の窒素配置の重要性を認識し、その過程でこれが全く新しい種類の化学活性であることを確認した。
・ この結果は、より高度で困難な多岐にわたる化学変換を促進する、遷移金属不要の窒素集合の設計が可能なことを示すものと考える。
URL: https://www.ameslab.gov/news/new-nitrogen-assembly-carbon-catalyst-has-potential-to-transform-chemical-manufacturing

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Nature Communications 掲載論文(フルテキスト)
Transition metal-like carbocatalyst
URL: https://www.nature.com/articles/s41467-020-17909-8

Abstract

Catalytic cleavage of strong bonds including hydrogen-hydrogen, carbon-oxygen, and carbon-hydrogen bonds is a highly desired yet challenging fundamental transformation for the production of chemicals and fuels. Transition metal-containing catalysts are employed, although accompanied with poor selectivity in hydrotreatment. Here we report metal-free nitrogen-assembly carbons (NACs) with closely-placed graphitic nitrogen as active sites, achieving dihydrogen dissociation and subsequent transformation of oxygenates. NACs exhibit high selectivity towards alkylarenes for hydrogenolysis of aryl ethers as model bio-oxygenates without over-hydrogeneration of arenes. Activities originate from cooperating graphitic nitrogen dopants induced by the diamine precursors, as demonstrated in mechanistic and computational studies. We further show that the NAC catalyst is versatile for dehydrogenation of ethylbenzene and tetrahydroquinoline as well as for hydrogenation of common unsaturated functionalities, including ketone, alkene, alkyne, and nitro groups. The discovery of nitrogen assembly as active sites can open up broad opportunities for rational design of new metal-free catalysts for challenging chemical reactions.

 

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