JP2008525189A - 担持された遷移金属触媒の製造方法 - Google Patents

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Abstract

高活性で且つリサイクル可能な担持された遷移金属触媒が、遷移金属錯体と、金属キレート剤と、Ti、AlまたはSiのアルコキシドとを加熱しながら混合した後、水を用いて処理をして、前記反応物質間のゾルゲル反応を誘起することを含む簡単な方法により製造され得る。
【選択図】 なし

Description

本発明は高活性で且つリサイクル可能な担持された遷移金属触媒を簡単に製造する方法に関する。
パラジウムおよびチタン触媒のような遷移金属触媒は、アルケンおよびアルキンの水素化反応、アルコールの酸化反応、ハロゲン化アルキルのオレフィン化反応および炭素-炭素結合形成反応などの多様な産業プロセスに広く用いられる。
均一な遷移金属触媒は再使用のための分離が困難であるので、リサイクル可能な遷移金属触媒を開発するための様々な試みが行われてきたが、リサイクル可能な遷移金属触媒の例としては、無機担体または有機高分子上にパラジウム部を固定させることにより得られる不均一パラジウム触媒;パラジウムナノ粒子;コロイドパラジウム種;および高分子に取り囲まれたパラジウムなどが挙げられる(非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3および非特許文献4参照)。
しかしながら、前記従来のリサイクル可能な触媒は低反応性、不活性化、金属成分の浸出および複雑な合成過程などの問題を有する。
Djakovitch,L.ら、J.Am.Chem.Soc.2001年、123、5990 Kim,S.−W.ら、J.Am.Chem.Soc.2002年、124,7642 Roucoux,A.ら、Chem.Rev.2002年、102,3757 Akiyama,R.ら、J.Am.Chem.Soc.2003年、125、3412
従って、本発明は、高活性で且つリサイクル可能な担持された遷移金属触媒を容易に製造する方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は、有機遷移金属錯体と、金属キレート剤と、Ti、AlおよびSiからなる群より選ばれる金属のアルコキシドとを加熱しながら混合した後、これに水を加えてゾルゲル反応を誘起することを含む、担持された遷移金属触媒の製造方法を提供する。
本発明の方法によれば、高活性で10回以上繰り返し使用した後も本来の活性を維持する、リサイクル可能な担持された遷移金属触媒を容易に合成し得る。本発明の触媒はアルケンおよびアルキンの水素化反応、アルコールの酸化反応、炭素−炭素結合形成反応などに有用である。
本発明の方法は容易に入手可能な3種成分、即ち、有機遷移金属錯体、金属キレート剤、およびTi、AlまたはSiのアルコキシドを加熱混合してから水で処理することで、担体上に担持された遷移金属ナノ粒子を直接で形成することを特徴とする。
本発明の方法によれば、先ず、有機遷移金属錯体、金属キレート剤およびTi、AlまたはSiのアルコキシドを混合し、50〜200℃、好ましくは100〜150℃の温度で2〜20時間加熱してナノサイズの遷移金属の粒子を形成する。次いで、得られた懸濁液に水を加えて加熱して50〜200℃、好ましくは100〜130℃の温度で1〜20時間ゾルゲル反応を行うことで、担体に担持された遷移金属(遷移金属/担体)触媒が得られる。
本発明で用いられる有機遷移金属錯体はPd、Pt、Ru、Ni、Ir、Co、Rh、Os、Sm、Fe、Sc、Se、Re、AuおよびAgからなる群より選ばれる1種以上の遷移金属と、水素化物(H−)、塩化物(Cl−)、シアン化物(CN−)およびアセチル(CH3COO−)などの一つ以上のアニオン性リガンド、または、トリフェニルホスフィン(P(C653)、ジベンジリデンアセトン(C65CH=CHCOCH=CHC65)、カルボニル(CO)およびジエンなどの一つ以上の中性リガンドとを含み得る。
本発明で用いられ得る有機パラジウム錯体の代表的な例としては、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(Pd[P(C6534)、酢酸パラジウム(II)(Pd(OAc)2)、塩化パラジウム(II)、トリスジベンジリデンアセトンジパラジウム(0)((C65CH=CHCOCH=CHC653Pd2)、トリスジベンジリデンアセトンジパラジウム(0)クロロホルム付加化合物((C65CH=CHCOCH=CHC653・Pd2CHCl3)、ビス[1,2−ビス(ジフェニルホスフィノ)エタン]パラジウム(0)(Pd[(C652PCH2CH2P(C6522)、ビス(トリ−t−ブチルホスフィノ)パラジウム(0)(Pd[P(C4932)およびビス(トリシクロへキシルホスフィノ)パラジウム(0)(Pd[P(C61132)が挙げられ、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)が好ましい。
本発明で用いられる金属キレート剤は遷移金属錯体からのナノサイズ遷移金属粒子の形成を助ける役目を果たし、1〜30個のエチレン繰り返し単位を有するポリエチレングリコール(構造:H−(OCH2CH2n−OH、ここで、nは1〜30の整数である)または1〜10個の炭素原子を有するアルコールであり得る。エチレングリコール多重合体は、好ましくはトリエチレングリコールまたはテトラエチレングリコールであり、アルコールは、好ましくはC1-4アルコールである。前記金属キレート剤は遷移金属錯体1モルを基準として1〜500モル、好ましくは5〜50モルの量で用いられる。
本発明で用いられるTi、AlまたはSiのアルコキシドは、テトラアルキルオルトケイ酸塩(Si(OR)4)、チタン(IV)テトラアルコキシド(Ti(OR)4)またはアルミニウム(III)トリアルコキシド(Al(OR)3)(ここで、RはC1-10アルキル、好ましくはC1-4アルキルである)であり得る。前記金属アルコキシド化合物は遷移金属錯体1モルを基準として10〜1000モル、好ましくは150〜300モルの量で用いられ得る。
ゾルゲル反応のために添加する水は金属アルコキシド化合物1モルを基準として1〜100モル、好ましくは2〜10モルの量で用いられ得る。
次いで、前記ゾルゲル反応生成物を濾過し、適切な溶媒で洗浄して乾燥することで、担体に担持された不均一遷移金属触媒が得られる。この生成物を洗浄するのに適した溶媒としては、アセトン、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、ジエチルエーテル、1,4−ジオキサン、ベンゼン、トルエン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メタノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパノール、ジクロロメタンおよびクロロホルムなどがあり、アセトンおよびテトラヒドロフランが好ましい。
本発明の方法によって製造された担体に担持された遷移金属触媒は多量のヒドロキシル基を有する、主にチタニア、アルミナまたはシリカからなる担体上に均一に分散された粒径1〜10nmの複数の遷移金属粒子を有し、使用済みの金属キレート剤の一部を含み得る。均一に分散された複数の小径遷移金属ナノ粒子が存在するので、活性金属の比表面積が広い。
前述のように、本発明の方法によれば、高活性で10回以上繰り返し用いた後も本来の活性を維持し、リサイクル可能な担持遷移金属触媒を容易に合成し得る。本発明の触媒はアルケンおよびアルキンの水素化反応、アルコールの酸化反応、炭素-炭素結合形成反応などに有用である。
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。但し、これらの実施例は本発明を制限しない。
担持されたパラジウム触媒の製造
(実施例1)
テトラエチレングリコール0.42g(2.20mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)0.25g(0.22mmol)、アルミニウム・トリ−(ブトキシド)9.5g(38.5mmol)およびブタノール3mL(32.7mmol)を25mL反応容器内で混合して120℃で10時間維持した。次いで、これに水1.80mLを加え、混合物を同一の温度で0.5時間維持した後、室温に冷却した。沈殿した固形物を濾過し、アセトン10mLで3回洗浄してから24時間乾燥し、アルミナ系担体上に担持されたパラジウム触媒2.75g(パラジウム平均粒径:3nm、パラジウム含量:0.85%、パラジウム収率:98.0%)を得た。
このように得られた担持パラジウム触媒のエネルギー分散X線(EDX)スペクトルを図1Aに示すが、これから複数の微細なパラジウム粒子が存在することが確認できた。この担持パラジウム触媒の低倍率および高倍率の透過電子顕微鏡(TEM)写真を図1Bおよび図1Cにそれぞれ示した。
77KでのN2吸収BET分析および常温でのCO−化学吸着の結果は、実施例1における担持されたパラジウム触媒が611.5m2/g触媒の比表面積、216.53m2/g触媒のパラジウム表面積および48%のパラジウム分散度を有していることを示している。
(実施例2)
テトラエチレングリコール0.190g(1.00mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)0.116g(0.100mmol)およびテトラメチルオルトケイ酸塩2.58g(17.0mmol)を25mL反応容器内で混合して120℃で2時間維持した。次いで、これに水0.920mLを加え、混合物を同一の温度で10時間維持した後、室温に冷却した。沈殿された固形物を濾過し、アセトン10mLで3回洗浄して24時間乾燥し、シリカ系担体上に担持されたパラジウム触媒1.29g(パラジウム平均粒径:5nm、パラジウム含量:0.78%、パラジウム収率:94.5%)を得た。
このように得られた担持パラジウム触媒のTEM写真を図2に示した。
(実施例3)
テトラエチレングリコール0.42g(2.20mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)0.25g(0.22mmol)およびチタンテトライソプロポキシド10.9g(38.5mmol)を25mL反応容器内で混合し、120℃で2時間維持した。次いで、これに水1.80mLを加えて、混合物を同一の温度で10時間維持した後、室温に冷却した。沈殿された固形物を濾過し、アセトン10mLで3回洗浄して24時間乾燥し、チタニア系担体上に担持されたパラジウム触媒3.95g(パラジウム平均粒径:5nm、パラジウム含量:0.59%、パラジウム収率:97.4%)を得た。
このように得られた担持パラジウム触媒のTEM写真を図3に示した。
本発明のパラジウム触媒を用いた多様な有機反応の実施
(実施例4)
Figure 2008525189
トランス−スチルベン0.180g(1.0mmol)、実施例3で製造された担持パラジウム触媒のトランス−スチルベンの量を基準としてパラジウム2モル%に相当する量および酢酸エチル4mLを混合し、1気圧の水素ガス(H2)下で室温で60分間攪拌した。得られた混合物を濾過して溶媒を除去した。得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離剤:ヘキサン/酢酸エチル(10/1))で精製して標題化合物の1,2−ジフェニルエタン0.182g(収率:100%)を得た。
前記反応に用いられた担持されたパラジウム触媒を濾過によって簡単に回収し、この触媒は15回再使用した後にも本来の活性を示した。
(実施例5〜14)
下記表1に記載された条件を用いて実施例4と同様な工程で多様なアルキンまたはアルケンの水素化反応を行い、各々の反応の収率を下記表1に示した。
Figure 2008525189
(実施例15)
Figure 2008525189
フェニルエチルアルコール0.122g(1.0mmol)、実施例1で製造された担持パラジウム触媒のフェニルエチルアルコールの量を基準としてパラジウム0.5モル%に相当する量およびトルエン2mLを混合し、1大気圧下で6時間還流した。得られた混合物を濾過して溶媒を除去し、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離剤:ヘキサン/酢酸エチル(5/1))で精製して標題化合物のアセトフェノン0.120g(収率:99%)を得た。
前記反応に用いられた担持されたパラジウム触媒を濾過によって簡単に回収し、この触媒は15回再使用した後にも本来の活性を示した。
これとは異なり、市販の5%Pd/Al23を前記反応に用いたパラジウムと同量使用して実施例15と同様な工程を行った結果、アセトフェノンを31%という低収率で得た。
(実施例16〜26)
下記表2に示した基質を用いてトリフルオロトルエン(TFT)とトルエンとの混合溶媒に中で実施例15と同様な工程を行って、多様なアルコールまたはジオールの酸化反応、即ち、対応するエステルまたはアルデヒドへの変換反応を行った。観察された収率を下記表2に示した(括弧内の数値はトルエンを溶媒として用いる場合に該当する)。
Figure 2008525189
(実施例27)
Figure 2008525189
実施例15と類似した工程で前記反応式に従うコレステロールの酸化反応を行った(収率:99%)。
(実施例28)
Figure 2008525189
4−ヨード安息香酸メチル0.262g(1.0mmol)、リン酸カリウム0.424g(2.0mmol)、フェニルボロン酸0.461g(2.2mmol)、実施例3で製造された担持パラジウム触媒の4−ヨード安息香酸メチルの量を基準としてパラジウム0.75モル%に相当する量およびトルエン3mLを混合し、アルゴン雰囲気下で110℃で5時間攪拌した。得られた混合物を濾過して溶媒を除去し、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離剤:ヘキサン/酢酸エチル(8/1))で精製して標題化合物のビフェニル−4−カルボン酸メチルエステル0.213g(収率:100%)を得た。
前記反応に用いられた担持されたパラジウム触媒を濾過によって簡単に回収し、この触媒は3回再使用した後にも本来の活性を維持した。
(実施例29)
Figure 2008525189
シクロヘキセン49.4mmolと、実施例1および3で製造された担持されたパラジウム触媒、市販の5%Pd/Cおよび5%Pd/Al23の各々所定量(シクロヘキセンの量を基準としてパラジウム0.83モル%に相応する量)とを混合し、1気圧の水素ガス(H2)下で40℃で24時間攪拌した。得られた混合物を濾過して溶媒を除去し、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(溶離剤:ヘキサン/酢酸エチル(8/1))で精製して標題化合物のシクロヘキサンを得た。
このよう得られたシクロヘキサンの収率を下記表3に示した。
Figure 2008525189
前述のように、本発明の方法によれば、高活性で15回以上繰り返して用いた後も本来の活性を維持し、リサイクル可能な担持遷移金属触媒を容易に合成し得る。本発明の触媒はアルケンおよびアルキンの水素化反応、アルコールの酸化反応、炭素-炭素結合形成反応などに有用である。
以上、本発明を特定の実施態様と関連して記述したが、添付された特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲内で当該分野における熟練者が本発明を多様に変形及び変化させ得ることは明らかである。
実施例1で製造されたパラジウム触媒のエネルギー分散X線(EDX)スペクトルである。 実施例1で製造されたパラジウム触媒の透過電子顕微鏡(TEM)写真である。 実施例1で製造されたパラジウム触媒の透過電子顕微鏡(TEM)写真である。 実施例2で製造されたパラジウム触媒のTEM写真である。 実施例3で製造されたパラジウム触媒のTEM写真である。

Claims (13)

  1. 有機遷移金属錯体と、金属キレート剤と、Ti、AlおよびSiからなる群より選ばれる金属のアルコキシドとを加熱しながら混合した後、これに水を加えてゾルゲル反応を誘起することを含む、担持された遷移金属触媒の製造方法。
  2. 前記有機遷移金属錯体が、Pd、Pt、Ru、Ni、Ir、Co、Rh、Os、Sm、Fe、Sc、Se、Re、AuおよびAgからなる群より選ばれる1種以上の遷移金属を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 前記有機遷移金属錯体がPdを含むことを特徴とする請求項2記載の方法。
  4. 前記有機遷移金属錯体が、水素化物、塩化物、シアン化物、アセチル、トリフェニルホスフィン、ジベンジリデンアセトン、カルボニルおよびジエンからなる群より選ばれる1種以上のリガンドを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  5. 前記有機遷移金属錯体が、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)、酢酸パラジウム(II)、塩化パラジウム(II)、トリスジベンジリデンアセトンジパラジウム(0)、トリスジベンジリデンアセトンジパラジウム(0)クロロホルム付加化合物、ビス[1,2−ビス(ジフェニルホスフィノ)エタン]パラジウム(0)、ビス(トリ−t−ブチルホスフィノ)パラジウム(0)、ビス(トリシクロへキシルホスフィノ)パラジウム(0)およびこれらの混合物からなる群より選ばれることを特徴とする請求項1記載の方法。
  6. 前記金属キレート剤が1〜30個のエチレン繰り返し単位を有するポリエチレングリコールまたは1〜10個の炭素原子を有するアルコールであることを特徴とする請求項1記載の方法。
  7. 前記金属キレート剤が前記遷移金属錯体1モルを基準として1〜500モルの量で用いられることを特徴とする請求項1記載の方法。
  8. 前記金属アルコキシドがテトラアルキルオルトケイ酸塩(Si(OR)4)、チタン(IV)テトラアルコキシド(Ti(OR)4)、アルミニウム(III)トリアルコキシド(Al(OR)3)(ここで、RはC1-4アルキルである)およびこれらの混合物からなる群より選ばれることを特徴とする請求項1記載の方法。
  9. 前記金属アルコキシドが前記遷移金属錯体1モルを基準として10〜1000モルの量で用いられることを特徴とする請求項1記載の方法。
  10. 前記出発物質の混合が50〜200℃の温度で2〜20時間行われることを特徴とする請求項1記載の方法。
  11. 前記金属アルコキシド1モルを基準として水が1〜100モルの量で用いられることを特徴とする請求項1記載の方法。
  12. 前記ゾルゲル反応が50〜200℃の温度で1〜20時間行われることを特徴とする請求項1記載の方法。
  13. 請求項1ないし12の何れか1項の方法によって製造された、担持された遷移金属触媒。
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