\ 76倍の活性向上!/ 高い耐硫黄性を示す新規水素化触媒の開発に成功

\ 76倍の活性向上!/ 高い耐硫黄性を示す新規水素化触媒の開発に成功

持続可能な医薬品合成プロセスの開発に期待

2023-4-17工学系
基礎工学研究科准教授満留敬人

研究成果のポイント

  • 触媒活性の阻害原因となる硫黄化合物に高い耐性を示す水素化触媒の開発に成功。
  • ルテニウムナノ粒子をリン化することによって触媒活性・耐硫黄性が著しく向上することを発見。
  • 開発した触媒は温和な条件下で硫黄含有芳香族ニトロ化合物の水素化反応を高効率で促進。
  • 医薬中間体として重要な硫黄含有アニリン類を省資源・省エネルギーで合成。

概要

大阪大学大学院基礎工学研究科の満留敬人准教授らは、失活の原因となる硫黄化合物に対して高い耐性を示す新規水素化触媒の開発に成功しました。今回開発したリン化ルテニウム触媒は、医薬品化学の分野で重要な反応である硫黄含有芳香族ニトロ化合物の水素化反応に高い活性・選択性・耐久性を示しました。また、開発した触媒を用いて種々の医薬中間体の合成を行い、医薬品合成プロセスにおける本触媒の有用性を実証しています。

水素化反応は化学工業において最も重要な反応の一つです。しかしながら、従来の水素化触媒は硫黄化合物による触媒被毒によって活性が著しく低下することが問題となっていました。したがって、高い耐硫黄性を示す水素化触媒の開発が求められています。

今回、満留敬人准教授らの研究グループは、ルテニウムナノ粒子をリン化すると、水素化能と硫黄耐性が著しく向上することを見出しました。硫黄含有芳香族ニトロ化合物の水素化反応において、開発したリン化ルテニウム触媒(Ru2P/SiO2)はリン化していなルテニウム触媒(Ru/SiO2)に比べ76倍の活性を示しました(図1)。Ru2P/SiO2触媒は常圧水素下という温和な条件において、様々な種類の硫黄含有芳香族ニトロ化合物の水素化を高選択的に促進することができます。

硫黄含有芳香族ニトロ化合物のアニリン類への変換は、医薬品合成プロセスにおいて重要な反応です。本触媒は種々の医薬中間体の合成に適用することが可能でした(図2)。現在、これらの反応は鉄や亜鉛といった金属や亜ジチオン酸ナトリウムなどの有毒な還元剤を用いて行われており、反応に伴って量論量の廃棄物が副生することが問題となっています。一方、開発した触媒を用いた反応系は無毒な水素ガスを還元剤として用いており、副生物は水のみです。本触媒は持続可能な医薬品合成プロセスの開発に貢献すると期待されます。

本研究成果は、米国化学会誌「ACS Catalysis」(オンライン)に、4月13日(木)午後8時(日本時間)に公開されました。

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研究の背景

水素化反応は化学工業において最も重要な反応の一つです。しかしながら、従来の水素化触媒は耐硫黄性が低く、硫黄が存在する反応系では活性が著しく低下することが問題となっていました。本研究では、硫黄存在下でも効率的に反応を促進できる水素化触媒の開発に取り組みました。

研究の内容

本研究グループでは、SiO2担体上に直径約3ナノメートルのリン化ルテニウムナノ粒子を固定化した触媒(Ru2P/SiO2)が硫黄含有芳香族ニトロ化合物の水素化反応を高効率に促進することを見出しました。開発したRu2P/SiO2はリン化していないルテニウム触媒(Ru/SiO2)に比べて著しく高い活性・耐硫黄性を示しました。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

本研究では、高い耐硫黄性を示す水素化触媒の開発に成功しました。硫黄化合物による触媒活性の低下は様々な化学プロセスで問題となっています。本研究で得られた知見は、触媒被毒に対して耐性を持つ新規触媒の開発及び持続可能な化学プロセスの開発に貢献すると期待されます。

特記事項

本研究成果は、米国化学会誌「ACS Catalysis」(オンライン)に、4月13日(木)午後8時(日本時間)に公開されました。

タイトル:“Robust Ruthenium Phosphide Catalyst for Hydrogenation of Sulfur-Containing Nitroarenes”
著者名:Hiroya Ishikawa, Naoki Nakatani, Sho Yamaguchi, Tomoo Mizugaki, Takato Mitsudome*

なお、本研究は、科学研究費補助金(基盤研究(B)研究代表者:満留敬人)、CREST 「分解と安定化」、JST さきがけ「未来材料」などの支援の下に行われました。

参考URL

大阪大学大学院 基礎工学研究科 化学工学領域 触媒設計グループ(水垣研究室)
http://www.cheng.es.osaka-u.ac.jp/Mizugakilabo/home.html

SDGsの目標

  • 07 エネルギーをみんなにそしてクリーンに
  • 09 産業と技術革新の基盤をつくろう

用語説明

触媒被毒

硫黄などを含む化合物が触媒に強く吸着し、触媒の本来持っている活性・選択性・耐久性などの能力を低下させること。

ナノ粒子

100ナノメートル(nm)以下の直径の粒子を指します。 1ナノメートルは、1メートルの10億分の1という長さを示す単位。