広報活動

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2014年8月28日

理化学研究所

ベンゼンの「炭素-炭素結合」を室温で切断

-チタンヒドリド化合物で安定な芳香族化合物の炭素-炭素結合切断に成功-

図

チタンヒドリド化合物によるベンゼンの炭素―炭素結合切断反応のプロセス

6個の炭素原子が正六角形状に配置された「ベンゼン環」を含む芳香族化合物は、石油やバイオマスなどの天然資源に豊富に存在しています。例えば、石油には、ベンゼンやトルエン、キシレンなどのほか、複数のベンゼン環をもつ多環式の芳香族化合物が含まれています。ガソリンや、石油化学製品のもととなる基礎化学品を作るには、芳香族化合物の「炭素-炭素結合」を切断する必要があります。しかし、ベンゼン環は非常に安定で、炭素-炭素結合を切断するためにはゼオライトなどの固体酸触媒を用いて500℃という高温に加熱しなければならず、多くのエネルギーを消費します。また、反応プロセスも複雑で、目的外の化合物も複数生成されます。

これを解消するため、金属化合物を用いて炭素-炭素結合を切断するための研究が行われてきましたが、限定された条件下でのケースがほとんどで、これまで温和な条件での金属化合物によるベンゼンの炭素-炭素結合の切断反応の成功例はありませんでした。理研の研究チームは、2013年に、3つのチタン原子からなる多金属化合物「チタンヒドリド化合物」を開発し、これを使って安定な結合である「窒素-窒素結合」の切断や「窒素-水素結合」の形成に成功しています。そこで、今回、チタンヒドリド化合物とベンゼンの反応による炭素-炭素結合の切断を試みました。

研究チームは、不活性ガスのアルゴン中にチタンヒドリド化合物を置き、ベンゼンと混ぜ合わせて、その反応を調べました。その結果、数日後にはベンゼンが、室温下でまったく異なる生成物に全て変換されていました。詳しく調べたところ、まずベンゼン環が3つのチタン金属上に結合し、その後、これら3つのチタン金属が互いに協力し合って炭素-炭素結合の切断を行っていることが分かりました。このように分子レベルでベンゼン環が切断される様子が明らかになったのは初めてのことです。また、ベンゼンだけでなく炭素が1つ多いトルエンでも、同様の炭素-炭素結合の切断反応が観察できました。

今回の成果は、工業的な芳香族化合物の分解反応のメカニズム解明や、より温和な条件下で選択性よく反応が進行する新しい触媒の開発につながります。また、多金属化合物を用いた芳香族化合物の炭素-炭素結合の切断を応用した骨格変換や、新たな物質変換反応への展開が期待できます。

理化学研究所
環境資源科学研究センター 先進機能触媒研究グループ
グループディレクター 侯 召民 (こう しょうみん)
上級研究員 島 隆則 (しま たかのり)