JP2019043869A - Manufacturing method of oxide of aromatic hydrocarbon and catalyst - Google Patents

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フダ ミフタフル
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慶伍 南澤
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真 田邊
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Abstract

To provide a manufacturing method of oxide of aromatic hydrocarbon by an oxidation reaction of aromatic hydrocarbon such as toluene, and a catalyst.SOLUTION: A product mainly containing oxide of which the methyl group is converted to a carboxyl group, oxide of which the methyl group is converted to an aldehyde group, and oxide of which the methyl group is converted to hydroxymethyl group is obtained by an oxidation reaction using aromatic hydrocarbon represented by the formula (I) and having the methyl group as a substituent, under oxygen atmosphere in the presence of a catalyst in which Group 8 to Group 11 single element cluster having 4 to 60 carbon atoms is carried on a carrier, wherein at least one of R is a methyl group, n Rs are each independently the methyl group or a phenyl group, and n is an integer of 1 to 6.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、芳香族炭化水素の酸化物の製造方法および触媒に関する。   The present invention relates to a process for producing an oxide of aromatic hydrocarbon and a catalyst.

近年、白金や金等の貴金属元素で構成するナノ粒子の触媒活性が注目されている。一方、ナノ粒子よりも原子数が少なくサイズの小さいサブナノ粒子の合成が報告されている(非特許文献1、特許文献1〜4)。この1nm程度のサブナノ粒子は、わずか数十以下の原子から構成され、量子サイズ効果に基づいてバンドギャップが大きくかつ離散的となることや、元素固有の特異な幾何構造を形成することから、大きさや形といった単純な構造的特徴に基づいて議論されてきた従来のナノ粒子の考え方では捉えられない側面を有し、ナノ粒子以上の触媒活性や反応選択性を発現することが期待される。   In recent years, the catalytic activity of nanoparticles composed of noble metal elements such as platinum and gold has attracted attention. On the other hand, synthesis of subnanoparticles having a smaller number of atoms and smaller size than nanoparticles has been reported (Non-Patent Document 1, Patent Documents 1 to 4). This subnanoparticle of about 1 nm is composed of only a few tens of atoms or less, and the band gap becomes large and discrete based on the quantum size effect, and forming a unique geometrical structure unique to the element, It has an aspect that can not be captured by the conventional concept of nanoparticles that has been discussed based on simple structural features such as sheath shape, and is expected to express catalytic activity and reaction selectivity over nanoparticles.

サブナノ粒子の製造方法として、本発明者らによるフェニルアゾメチンデンドリマーを鋳型として用いる方法が探索、開発されている。フェニルアゾメチンデンドリマーは、末端のイミンから中心に向かってイミンの電子密度が増加するという電子密度勾配によって、最内層イミンから優先的に、段階的に金属塩と錯形成する。これにより金属塩の精密な集積が可能となり、金属塩の個数および組成を規定したデンドリマー錯体を調製できる。この金属塩が配位したデンドリマー錯体を還元することで、粒径分布が極めて小さい精密に制御された金属サブナノ粒子の形成が可能となる(非特許文献1、特許文献1〜4)。この白金等のサブナノ粒子は、3〜5nmのナノ粒子よりも遙かに高い質量当たりの酸素還元触媒活性を示すこと等が報告されている。   As a method for producing sub-nanoparticles, a method using phenylazomethine dendrimer by the present inventors as a template has been searched and developed. Phenylazomethine dendrimers are preferentially and stepwise complexed with metal salts from the innermost layer imine by an electron density gradient in which the electron density of the imine increases from the terminal imine toward the center. This enables precise accumulation of metal salts, and makes it possible to prepare dendrimer complexes in which the number and composition of metal salts are defined. By reducing the dendrimer complex to which this metal salt is coordinated, it becomes possible to form a precisely controlled metal sub-nanoparticle having a very small particle size distribution (Non-Patent Document 1, Patent Documents 1 to 4). It is reported that this subnanoparticle such as platinum exhibits a much higher oxygen reduction catalytic activity per mass than nanoparticles of 3 to 5 nm.

一方、炭化水素の酸化反応は、工業的な原料や中間体を得るうえで重要であり、従来より多くの検討がされている。炭化水素の結合エネルギーは、脂肪族炭化水素では、メタンで105.0kcal/mol、プロパンで98.6kcal/mol、イソブタンで96.5kcal/mol、芳香族炭化水素では、ベンゼン環に三級炭素を持つクメンで84.9kcal/mol、二級炭素を持つインダンで85.9kcal/mol、エチルベンゼンで85.8kcal/molと報告されている(Acc. Chem. Res. 2003, 36, 255. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 936.)。   On the other hand, the oxidation reaction of hydrocarbons is important in obtaining industrial raw materials and intermediates, and has been studied more than ever. The binding energy of hydrocarbons is 105.0 kcal / mol for methane, 98.6 kcal / mol for propane, 96.5 kcal / mol for isobutane for aliphatic hydrocarbons, and benzene at the aromatic ring for tertiary carbon 84.9 kcal / mol for cumene, 85.9 kcal / mol for indane with secondary carbon and 85.8 kcal / mol for ethylbenzene (Acc. Chem. Res. 2003, 36, 255. J. Phys Chem. A 2004, 108, 936.).

本発明者らは、フェニルアゾメチンデンドリマーを鋳型として用いた白金サブナノ粒子の担持体を炭化水素の酸化反応に触媒として用いる検討を行っており、最近では結合エネルギーが小さく炭化水素の中では反応性が比較的高いと考えられる、ベンゼン環に二級炭素を持つインダンを基質とした酸素酸化反応について報告している(非特許文献1、特許文献4の実施例)。しかし、ベンゼン環に一級炭素を持つトルエンは、その結合エネルギーは89.7kcal/molであり、上記脂肪族炭化水素と、ベンゼン環に二級もしくは三級炭素を持つ芳香族炭化水素との間の比較的高い結合エネルギーを持ち、サブナノ粒子を触媒に用いた酸化反応については未だ検討されていない。   The present inventors have investigated using a support of platinum sub-nanoparticles using a phenylazomethine dendrimer as a template as a catalyst for the oxidation reaction of hydrocarbons, and recently the binding energy is small and the reactivity among hydrocarbons is low. An oxygen oxidation reaction using indane having a secondary carbon in the benzene ring, which is considered to be relatively high, as a substrate is reported (Examples of Non-Patent Document 1 and Patent Document 4). However, toluene having a primary carbon in the benzene ring has a binding energy of 89.7 kcal / mol, and it is between the aliphatic hydrocarbon and an aromatic hydrocarbon having a secondary or tertiary carbon in the benzene ring. It has relatively high binding energy, and the oxidation reaction using subnanoparticles as a catalyst has not been studied yet.

酸化反応は、資源化学、燃料化学、有機合成化学、環境化学等の化学諸領域において基礎的で、基幹的な反応操作である。この酸化反応については気相反応、液相反応のいずれにおいても様々な触媒を用いることが試みられており、各種の金属触媒が実用化されてもいる。しかしながら、これまでの触媒酸化反応では、空気あるいは酸素を酸化剤とする場合には、高温条件を要する場合や、液相反応においては有機溶媒の使用や多段階反応を要するなど環境負荷が大きい場合が多く、また触媒反応効率が必ずしも良好ではないという問題があった。   The oxidation reaction is a basic and fundamental reaction operation in the chemical fields such as resource chemistry, fuel chemistry, organic synthetic chemistry and environmental chemistry. It has been attempted to use various catalysts in both gas phase reaction and liquid phase reaction for this oxidation reaction, and various metal catalysts have been put to practical use. However, when catalytic oxidation reactions so far use air or oxygen as an oxidant, high temperature conditions are required, or liquid phase reactions require large amounts of environmental load, such as the use of organic solvents and multi-step reactions. And the catalytic reaction efficiency is not always good.

トルエンの工業的酸化法としては、塩素酸化によるベンズアルデヒドの製造が知られているが、多段階反応で、環境負荷が大きく、副生成物の酸が生成する。一方、空気酸化反応で、トルエンからベンズアルデヒドを生成する方法が知られている。この方法は一段階反応で、環境負荷が小さく、副生成物は水のみである。しかし、工業的に有用性の高い生成物の選択性、触媒回転頻度(TOF)、穏和な条件で短時間に転化率を向上させること等を総合的に考慮すると、更なる改良が望まれている。例えば、安息香酸等は、安息香酸ベンジルのようなエステル化合物に比べて工業的な需要が多いことから、その観点では安息香酸等の収率割合の高いことが望まれている。   Production of benzaldehyde by chlorine oxidation is known as an industrial oxidation method of toluene, but the environmental load is large and a by-product acid is produced in a multistep reaction. On the other hand, a method of producing benzaldehyde from toluene by air oxidation reaction is known. This method is a one-step reaction with low environmental impact and only water as a by-product. However, further improvement is desired in consideration of product selectivity with high industrial utility, catalyst turnover frequency (TOF), and improvement of conversion rate in a short time under mild conditions. There is. For example, benzoic acid and the like have a large industrial demand compared with ester compounds such as benzyl benzoate, and from that viewpoint, it is desired that the yield ratio of benzoic acid and the like be high.

このような背景において、トルエンの酸素酸化に触媒としてナノ粒子等の微粒化された不均一系の触媒を用いた検討も報告されている(非特許文献2〜4)。   Under such circumstances, studies using finely divided heterogeneous catalysts such as nanoparticles as catalysts for oxygen oxidation of toluene have also been reported (Non-Patent Documents 2 to 4).

Hutchingsらは、パラジウムと金を合金化したナノ粒子(〜5nm)をゾル固定化によってカーボンに担持した触媒を用い、トルエンを酸素雰囲気中で48時間反応させることにより、ベンズアルデヒド、ベンジルアルコール、安息香酸、安息香酸ベンジルの混合物が得られ、触媒回転頻度は50〜69であったと報告している(非特許文献2)。ただし、工業的に有用なベンズアルデヒド、ベンジルアルコール、安息香酸は全体の5%しか得られず、ほとんどエステル化反応まで進み生成物は安息香酸ベンジルが占めている。   Hutchings et al. Used benzal, benzyl alcohol, benzoic acid by reacting toluene in an oxygen atmosphere for 48 hours using a catalyst in which palladium and gold alloyed nanoparticles (̃5 nm) are supported on carbon by sol immobilization. It is reported that a mixture of benzyl benzoate was obtained, and the catalyst rotation frequency was 50 to 69 (Non-patent Document 2). However, industrially useful benzaldehyde, benzyl alcohol and benzoic acid are only 5% of the total, and almost all the esterification reaction proceeds and the product is benzyl benzoate.

Zhongらは、メソポーラスシリカSBA-15に、第7族元素の酸化物である酸化マンガン(MnO)を担持した触媒を用い、180℃で1時間反応させることによりベンズアルデヒドを選択性37.5%で得られたと報告しているが、触媒回転頻度は500程度である(非特許文献3)。 Zhong et al. Selected 37.5% selectivity of benzaldehyde by reacting at 180 ° C. for 1 hour using a catalyst in which manganese oxide (MnO x ), which is an oxide of group 7 element, is supported on mesoporous silica SBA-15. The catalyst rotation frequency is about 500 (non-patent document 3).

Jiangらは、10nmの金ナノ粒子をγ−MnOに担持したAu/γ−MnOを触媒とし、160℃、48時間でトルエンの酸化を行い、ベンズアルデヒドが選択性55〜60%で得られたと報告しているが、エステル化反応まで進んだ安息香酸ベンジルの割合も多く、TOFは50〜60程度である(非特許文献4)。 Jiang et al. Catalyzed the oxidation of toluene at 160 ° C. for 48 hours by using Au / γ-MnO 2 supported on γ-MnO 2 with 10 nm gold nanoparticles as a catalyst, and benzaldehyde was obtained with a selectivity of 55 to 60%. Although it has been reported that the proportion of benzyl benzoate which has advanced to the esterification reaction is also large, the TOF is about 50 to 60 (Non-patent Document 4).

Yamamoto, K. et al. Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 9810.Yamamoto, K. et al. Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 9810. Hutchings, G.J. et al. Science, 2011, 331, 195.Hutchings, G. J. et al. Science, 2011, 331, 195. Zhong, W. et al. Chemical Engineering Journal, 2015, 280, 737-747.Zhong, W. et al. Chemical Engineering Journal, 2015, 280, 737-747. Jiang, F. et al. Chinese Journal of Catalyst, 2013, 34, 1683-1689.Jiang, F. et al. Chinese Journal of Catalyst, 2013, 34, 1683-1689.

特開2010−18610号公報JP, 2010-18610, A 特開2013−159588号公報JP, 2013-159588, A 国際公開第2004/9076531号International Publication No. 2004/9076531 特開2017−087151号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2017-087151

しかしながら、工業的に有用性の高い生成物の選択性、触媒回転頻度、穏和な条件で短時間に高収率で目的物を得る点を全体的により向上し得る新規な技術が望まれていた。   However, there has been a demand for a novel technology that can generally improve the industrially useful product selectivity, the catalyst rotation frequency, and the point of obtaining the desired product in a high yield in a short time under mild conditions. .

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、トルエンのように1級炭素のメチル基がベンゼン環に結合した芳香族炭化水素を基質とした酸化反応において、工業的に有用性の高い生成物の選択性を高め、触媒回転頻度を高めることができ、かつ穏和な条件で短時間に転化率を向上させることが可能な芳香族炭化水素の酸化物の製造方法および触媒を提供することを課題としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is industrially useful in an oxidation reaction based on an aromatic hydrocarbon in which a methyl group of primary carbon is bonded to a benzene ring such as toluene. Provided is a method and a catalyst for producing an aromatic hydrocarbon oxide capable of enhancing high product selectivity, increasing catalyst turnover frequency, and capable of improving conversion in a short time under mild conditions. The problem is that.

上記の課題を解決するために、本発明の芳香族炭化水素の酸化物の製造方法は、次式(I):   In order to solve the above-mentioned subject, the manufacturing method of the oxide of the aromatic hydrocarbon of the present invention is a following formula (I):

(式中、Rのうち少なくとも1つは1級炭素のメチル基であり、n個のRはそれぞれ独立に前記メチル基、またはフェニル基である。nは1〜6の整数を示す。)で表される、前記メチル基を置換基に有する芳香族炭化水素を基質として、酸素雰囲気下、元素数が4〜60である第8族から第11族までの単一元素クラスターを担体に担持した触媒の存在下、酸化反応することにより、前記メチル基がカルボキシ基に変換された酸化物、アルデヒド基に変換された酸化物、およびヒドロキシメチル基に変換された酸化物を主成分とする生成物を得ることを特徴としている。 (Wherein, at least one of R is a primary carbon methyl group, and n Rs are each independently the methyl group or a phenyl group. N is an integer of 1 to 6.) Using the aromatic hydrocarbon having the methyl group as a substituent as a substrate, a single-element cluster of groups 8 to 11 having an element number of 4 to 60 is supported on a support under an oxygen atmosphere. A product comprising an oxide in which the methyl group is converted to a carboxy group by an oxidation reaction in the presence of a catalyst, an oxide converted to an aldehyde group, and an oxide converted to a hydroxymethyl group. It is characterized by getting

この芳香族炭化水素の酸化物の製造方法において、前記芳香族炭化水素がトルエンであり、前記主成分の酸化物が、安息香酸、ベンズアルデヒド、およびベンジルアルコールであることが好ましい。   In the method of producing an oxide of an aromatic hydrocarbon, it is preferable that the aromatic hydrocarbon is toluene and the oxide of the main component is benzoic acid, benzaldehyde and benzyl alcohol.

この芳香族炭化水素の酸化物の製造方法において、前記単一元素クラスターが、貴金属または銅のクラスターであることが好ましい。   In the method of producing an oxide of an aromatic hydrocarbon, the single element cluster is preferably a noble metal or a cluster of copper.

この芳香族炭化水素の酸化物の製造方法において、前記単一元素クラスターが、前記単一元素の金属塩が集積されたデンドリマーの還元物であることが好ましい。   In the method for producing an aromatic hydrocarbon oxide, preferably, the single element cluster is a reduced product of a dendrimer in which the metal salt of the single element is accumulated.

この芳香族炭化水素の酸化物の製造方法において、温度90〜180℃、酸素圧0.1MPa以上で前記酸化反応を行うことが好ましい。   In the method for producing an aromatic hydrocarbon oxide, the oxidation reaction is preferably performed at a temperature of 90 to 180 ° C. and an oxygen pressure of 0.1 MPa or more.

本発明の触媒は、次式(I):   The catalyst of the present invention has the following formula (I):

(式中、Rのうち少なくとも1つは1級炭素のメチル基であり、n個のRはそれぞれ独立に前記メチル基、またはフェニル基である。nは1〜6の整数を示す。)で表される、前記メチル基を置換基に有する芳香族炭化水素を基質として、酸素雰囲気下、酸化反応することにより、前記メチル基がカルボキシ基に変換された酸化物、アルデヒド基に変換された酸化物、およびヒドロキシメチル基に変換された酸化物を主成分とする生成物を得るための触媒であって、元素数が4〜60である第8族から第11族までの単一元素クラスターが担体に担持されている。 (Wherein, at least one of R is a primary carbon methyl group, and n Rs are each independently the methyl group or a phenyl group. N is an integer of 1 to 6.) An oxide in which the methyl group is converted to a carboxy group, an oxidation in which the methyl group is converted to an aldehyde group by performing an oxidation reaction in an oxygen atmosphere using an aromatic hydrocarbon having the methyl group as a substituent as a substrate And a catalyst for obtaining a product containing an oxide converted to a hydroxymethyl group as a main component, the single-element cluster of groups 8 to 11 having 4 to 60 elements It is supported by a carrier.

本発明によれば、トルエンのように1級炭素のメチル基がベンゼン環に結合した芳香族炭化水素を基質とした酸化反応において、工業的に有用性の高い生成物の選択性を高め、触媒回転頻度を高めることができ、かつ穏和な条件で短時間に転化率を向上させることができる。   According to the present invention, it is possible to increase the selectivity of a product having high industrial utility in an oxidation reaction based on an aromatic hydrocarbon in which a primary carbon methyl group is bonded to a benzene ring such as toluene, and a catalyst The frequency of rotation can be increased, and the conversion can be improved in a short time under mild conditions.

触媒におけるクラスターの白金元素数を10〜60まで変えてトルエンの酸素酸化反応を行い、生成物の種類および転化率と触媒回転頻度を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having changed the number of platinum elements of the cluster in a catalyst to 10-60, carried out the oxygen oxidation reaction of toluene, and measured the kind and conversion ratio of a product, and catalyst rotation frequency. 白金元素数12のクラスター(Pt12)の担持体と白金元素数28のクラスター(Pt28)の担持体を用いて、ケッチェンブラックに担持する白金担持量を変えてトルエンの酸素酸化反応を行い、生成物の種類および転化率と触媒回転頻度を測定した結果を示すグラフである。Using a support of platinum element number 12 cluster (Pt 12 ) and a platinum element number 28 cluster (Pt 28 ), the amount of platinum carried on ketjen black is changed to carry out an oxygen oxidation reaction of toluene It is a graph which shows the result of having measured the kind of product, conversion rate, and catalyst rotation frequency. 白金元素数19のクラスター(Pt19)の担持体と白金元素数13のクラスター(Pt13)の担持体を用いて、酸素圧を変えてトルエンの酸素酸化反応を行い、生成物の種類および転化率と触媒回転頻度を測定した結果を示すグラフである。The oxygen oxidation reaction of toluene is carried out by using a support of platinum element number 19 cluster (Pt 19 ) and a platinum element number 13 cluster (Pt 13 ), and the oxygen oxidation reaction of toluene is carried out to select the type of product and conversion It is a graph which shows the result of having measured the rate and catalyst rotation frequency. 白金元素数19のクラスター(Pt19)の担持体を用いて、反応温度を130℃から180℃まで10℃毎に変えてトルエンの酸素酸化反応を行い、生成物の種類および転化率と触媒回転頻度を測定した結果を示すグラフである。Using a support of platinum element number 19 clusters (Pt 19 ), the reaction temperature is changed from 130 ° C. to 180 ° C. every 10 ° C. to carry out an oxygen oxidation reaction of toluene, the type and conversion of products and catalyst rotation It is a graph which shows the result of having measured frequency. 白金元素数13のクラスター(Pt13)の担持体を用いて、反応温度を130℃から180℃まで10℃毎に変えてトルエンの酸素酸化反応を行い、生成物の種類および転化率と触媒回転頻度を測定した結果を示すグラフである。Using a support of platinum element number 13 clusters (Pt 13 ), the reaction temperature is changed from 130 ° C. to 180 ° C. every 10 ° C. to carry out an oxygen oxidation reaction of toluene, and the type and conversion of products and catalyst rotation It is a graph which shows the result of having measured frequency. 白金元素数19のクラスター(Pt19)の担持体と白金元素数13のクラスター(Pt13)の担持体を用いて、反応温度160℃、酸素圧1MPaの条件でトルエンの酸素酸化反応を行い、反応時間5〜40時間での転化率と触媒回転頻度の経時変化を測定した結果を示すグラフである。Using a support of a platinum 19 cluster (Pt 19 ) and a platinum 13 cluster (Pt 13 ), the oxygen oxidation reaction of toluene is carried out under the conditions of a reaction temperature of 160 ° C. and an oxygen pressure of 1 MPa. It is a graph which shows the result of having measured the time-dependent change of the conversion ratio and catalyst rotation frequency in reaction time 5-40 hours. 触媒の金属クラスターにおいて各種の単一金属種を用いてトルエンの酸素酸化反応を行い(金属元素数28:Pt(白金)以外に、貴金属としてAu(金)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、卑金属として銅(Cu))、生成物の種類および転化率と触媒回転頻度を測定した結果を示すグラフである。Oxygen oxidation reaction of toluene is carried out using various single metal species in the metal cluster of the catalyst (metal element number 28: in addition to Pt (platinum), Au (gold), Ru (ruthenium), Rh (rhodium) as noble metals It is a graph which shows the result of having measured Pd, palladium (palladium), copper (Cu) as a base metal, the kind of product, conversion rate, and catalyst rotation frequency. 触媒の金属クラスターにおいて各種の単一金属種を用いてトルエンの酸素酸化反応を行い(金属元素数60:Pt(白金)以外に、貴金属としてAu(金)、卑金属として銅(Cu))、生成物の種類および転化率と触媒回転頻度を測定した結果を示すグラフである。Oxygen oxidation reaction of toluene was carried out using various single metal species in metal clusters of catalyst (metal element number 60: in addition to Pt (platinum), Au (gold) as noble metal, copper (Cu) as base metal) formed It is a graph which shows the result of having measured the kind of substance, conversion rate, and catalyst rotation frequency.

以下に、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明の触媒は、元素数が4〜60である第8族から第11族までの単一元素クラスターが担体に担持されている。   In the catalyst of the present invention, single element clusters of groups 8 to 11 each having an element number of 4 to 60 are supported on a support.

この単一元素クラスターは、1種類の元素のみからなるサブナノ粒子である。従来、単純な濃度制御や担体の添加等の条件下で、還元法により白金化合物から合成した白金ナノ粒子としては、粒径2〜5nm、白金元素数に換算すると1000以上のものが知られている。これに対して本発明に使用されるサブナノ粒子の単一元素クラスターは、粒子の粒径が例えば0.8〜1.8nm、特に1.2nm以下の範囲内にある。フェニルアゾメチンデンドリマーを鋳型として精密に合成した元素数12、28、60の白金サブナノ粒子(Pt12、Pt28、Pt60)は、それぞれサイズ分布の少ない粒径0.9、1.0、1.2nmのクラスターとなることが確認されている。いくつかの原子が集まり、それらの一部もしくは全体が直接結合することによって形成される多面体型の原子集団は一般にクラスターと称されているが、その意味において、このサブナノ粒子はクラスターである。 This single element cluster is a sub-nanoparticle consisting of only one type of element. Conventionally, as platinum nanoparticles synthesized from a platinum compound by a reduction method under conditions such as simple concentration control and addition of a carrier, those having a particle size of 2 to 5 nm and 1000 or more in number of platinum elements are known. There is. On the other hand, single-element clusters of sub-nanoparticles used in the present invention have a particle size of, for example, 0.8 to 1.8 nm, particularly 1.2 nm or less. Platinum sub-nanoparticles (Pt 12 , Pt 28 and Pt 60 ) of 12 , 28 and 60 elements precisely synthesized using phenylazomethine dendrimer as a template have particle sizes of 0.9, 1.0, and 1. each having a small size distribution. It has been confirmed to be a 2 nm cluster. Although a polyhedral atomic group formed by direct bonding of some or all of the atoms is generally referred to as a cluster, in this sense, this sub-nanoparticle is a cluster.

触媒回転頻度を高めることができ、かつ穏和な条件で短時間に転化率を向上させることが可能なこと等を考慮すると、単一元素クラスターの元素数として、10〜60、その中でも元素数19を中心とする15〜25は好ましい範囲である。   Considering that the catalyst rotation frequency can be increased and the conversion rate can be improved in a short time under mild conditions etc., the number of elements of a single element cluster is 10 to 60, among which the number of elements is 19 15 to 25 centered on are preferred ranges.

単一元素クラスターの構成元素のうち、第8族元素としては、鉄、ルテニウム、オスミウム等が挙げられる。第9族元素としては、コバルト、ロジウム、イリジウム等が挙げられる。第10族元素としては、ニッケル、パラジウム、白金等が挙げられる。第11族元素としては、銅、銀、金等が挙げられる。   Iron, ruthenium, an osmium etc. are mentioned as an 8th group element among the constituting elements of a single element cluster. Examples of the group 9 element include cobalt, rhodium, iridium and the like. Examples of the group 10 element include nickel, palladium, platinum and the like. Examples of the group 11 element include copper, silver, gold and the like.

これらの中でも、好ましい単一元素クラスターとして、貴金属または銅のクラスターが挙げられる。   Among these, preferred single element clusters include noble metal or copper clusters.

ここで貴金属は、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムである。工業的な使用の観点等を考慮すると、好ましい貴金属としては、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウムを挙げることができる。酸化反応は、触媒金属に結合した活性酸素種の形成、基質のラジカル種の生成、ラジカル反応という段階を経ることから金属の酸素親和性が重要であるが、親和性が高い金属は酸化物として安定化すると反応性が低くなる。貴金属は親和性が低い傾向があり、酸素を吸着しにくく反応性は高くなると考えられる。貴金属は、室温でも酸素を解離吸着し、酸化力の強い原子状酸素を作る。しかし一般に貴金属を触媒として室温で有機物の酸化反応を行っても持続せずに失活する傾向があるが、本発明の触媒は触媒回転頻度が高いことを特徴としている。   Here, the noble metals are gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium and osmium. In view of industrial use and the like, preferred noble metals include gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium and ruthenium. The oxidation reaction involves the formation of reactive oxygen species bound to the catalytic metal, the formation of radical species of the substrate, and the radical reaction, so the oxygen affinity of the metal is important, but the metal with high affinity is an oxide Stabilization reduces reactivity. The noble metals tend to have low affinity, and are considered to be difficult to adsorb oxygen and to be highly reactive. Noble metals carry out dissociative adsorption of oxygen even at room temperature to form highly oxidative atomic oxygen. However, although the oxidation reaction of an organic substance at room temperature generally using a noble metal as a catalyst tends to be inactivated without being sustained, the catalyst of the present invention is characterized by a high catalyst turnover frequency.

また工業生産においては、温度や圧力において穏和な反応条件が求められる。これまで卑金属元素は酸素親和性が高く安定な酸化物を形成するため、触媒設計が困難であると認識されていた。最近、元素戦略の観点から安価な卑金属元素を含む触媒開発の研究が注目されているが、本発明において卑金属元素の銅のクラスターは、工業的に有用性の高い生成物の選択性を高め、触媒回転頻度を高めることができ、かつ穏和な条件で短時間に転化率を向上させることができる点で好適である。   In industrial production, mild reaction conditions are required at temperature and pressure. Until now, it has been recognized that catalyst design is difficult because the base metal element forms a stable oxide with high oxygen affinity. Recently, research on catalyst development containing inexpensive base metal elements from the viewpoint of elemental strategy has attracted attention, but in the present invention, copper clusters of base metal elements increase the selectivity of products having high industrial utility, It is preferable in that the catalyst rotation frequency can be increased, and the conversion can be improved in a short time under mild conditions.

本発明の触媒は、単一元素クラスターを担体に担持することによって、サブナノ金属粒子の凝集等を抑え、触媒活性の低下を効果的に抑えることが可能となる。   In the catalyst of the present invention, by supporting single element clusters on a support, it is possible to suppress aggregation of sub-nano metal particles and the like, and to effectively suppress a decrease in catalytic activity.

単一元素クラスターが担持される担体の形状は、特に限定されるものではなく、粒状、繊維状、顆粒状、膜状、板状等、各種のものであってよい。単位重量当たりの表面積が大きく触媒に適している点を考慮すると、粒状(粉末状)が好ましい。   The shape of the carrier on which the single element cluster is supported is not particularly limited, and may be various types such as granular, fibrous, granular, film, plate and the like. Granules (powdery) are preferred in view of the large surface area per unit weight and the suitability of the catalyst.

担体としては、炭素材料、例えば、カーボンブラック(ケッチェンブラック、オイルファーネスブラック、ガスブラック、アセチレンブラック、ランプブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等)、活性炭、カーボンファイバー等の非晶質(微結晶)カーボン、フラーレン、ナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェン等のナノカーボン、グラファイト等の3次元結晶等が挙げられる。これらの炭素材料は多孔質物質であってもよく、細孔表面に単一元素クラスターを担持できる。   As the carrier, carbon materials, for example, carbon black (ketjen black, oil furnace black, gas black, acetylene black, lamp black, thermal black, channel black, etc.), amorphous carbon such as activated carbon and carbon fiber (microcrystal) Carbon, fullerene, nano-carbon such as nanotube, graphene, graphene oxide, etc., three-dimensional crystal such as graphite, etc. may be mentioned. These carbon materials may be porous materials, and can support single element clusters on the pore surface.

この他、担体として無機材料を用いることができる。無機材料としては、例えば、シリカゲル、アルミナ、チタニア、マグネシア、ジルコニア、酸化鉄、酸化銅、ガラス、珪砂、タルク、マイカ、クレイ、ウォラスナイト等が挙げられる。   Besides, inorganic materials can be used as a carrier. Examples of the inorganic material include silica gel, alumina, titania, magnesia, zirconia, iron oxide, copper oxide, glass, silica sand, talc, mica, clay, wollastonite and the like.

担体の内部面積、親和性、汎用性、安定性、耐久性の点から、本発明に好ましい担体として、ケッチェンブラック(KB)、グラファイト化メソポーラスカーボン(GMC)、酸化グラフェン(GO)、酸化アルミニウム(Al)等が挙げられる。 Ketjen black (KB), graphitized mesoporous carbon (GMC), graphene oxide (GO), aluminum oxide as a preferable carrier according to the present invention from the viewpoint of the internal area, affinity, versatility, stability, and durability of the carrier (Al 2 O 3 ) and the like.

担体への担持は、例えば、単一元素クラスターを内包したデンドリマーを有機溶媒等の適宜の溶媒に溶解した溶液を用いて、担体分散液との混合、含浸、塗布、滴下等によって担体に接触させた後、乾燥することによって行うことができる。必要に応じて粉砕処理を行ってもよい。   The carrier is supported by, for example, using a solution in which a dendrimer containing a single element cluster is dissolved in an appropriate solvent such as an organic solvent, and contacting with the carrier by mixing with a carrier dispersion, impregnation, coating, dropping, etc. It can be done by drying. Pulverization may be performed as necessary.

単一元素クラスターの担体への担持量としては、特に限定されないが、触媒活性を向上させるために担持量を高くすることや、単一元素クラスターの凝集が起こりにくいこと等が考慮すると、0.1Wt%以上が好ましく、0.2Wt%以上がより好ましく、0.3Wt%以上がさらに好ましく、0.4Wt%以上が特に好ましい。上限は特に限定されないが、触媒回転頻度の低下を抑制する点を考慮すると、3Wt%以下が好ましく、2Wt%以下がより好ましく、1.5Wt%以下がさらに好ましい。   The amount of the single-element cluster supported on the carrier is not particularly limited. However, considering the increase in the supported amount to improve the catalytic activity, the difficulty in causing aggregation of the single-element cluster, etc. 1 Wt% or more is preferable, 0.2 Wt% or more is more preferable, 0.3 Wt% or more is more preferable, and 0.4 Wt% or more is particularly preferable. The upper limit is not particularly limited, but in view of suppressing a decrease in the catalyst rotation frequency, 3 Wt% or less is preferable, 2 Wt% or less is more preferable, and 1.5 Wt% or less is more preferable.

本発明の触媒における好ましい例においては、単一元素クラスターが、前記単一元素の金属塩が集積されたデンドリマーの還元物である。   In a preferred example of the catalyst of the present invention, the single element cluster is a reduced product of a dendrimer in which the metal salt of the single element is accumulated.

デンドリマーは、中心から規則的に分枝した構造を持つ樹状高分子であり、コアとなる中心分子と、側鎖部分となるデンドロンとから構成される。また、デンドロン部分の分岐回数は世代とも呼ばれる。デンドリマーの中心分子から一段階分岐した部分を第1世代、二段階分岐した部分を第2世代と呼ぶ。一般にデンドリマーはコアから規則正しく、完全に樹状分岐をしているポリマーであり、中心付近が疎、表面付近が密な球形構造をしており、中心から分岐を繰り返すごとに世代数が増えていく。これに対してハイパーブランチポリマーは、完全な樹状構造を持つデンドリマーとは異なり、不完全な樹状分岐を持つポリマーである。本発明においてデンドリマーは、このような部分的に分岐ユニットの欠陥をもつハイパーブランチ型高分子であってもよい。   A dendrimer is a dendritic polymer having a regularly branched structure from the center, and is composed of a core molecule serving as a core and a dendron serving as a side chain moiety. Also, the number of branches of the dendron part is also called a generation. The part branched one step from the central molecule of the dendrimer is called the first generation, and the part branched two steps is called the second generation. In general, a dendrimer is a polymer that is regularly and completely tree-like branched from the core, is sparse near the center and has a dense spherical structure near the surface, and the number of generations increases as branching is repeated from the center . Hyperbranched polymers, on the other hand, are polymers with incomplete dendritic branching, unlike dendrimers with a perfect dendritic structure. In the present invention, the dendrimer may be a hyperbranched polymer having such a partially branched unit defect.

デンドリマーは、ダイバージェント法、コンバージェント法等によって製造することができる。ダイバージェント法は、官能基を複数持つ分子をコアとし、中心から外側に向かって枝を伸ばしていく方法である。コンバージェント法は、外側から内側に枝を伸ばしていき、最後にコアに接着させて球状高分子にする方法であり、デンドリマーの外殻となる部分から内側に向かってデンドロンの合成を進めていき、最後にコアにいくつかのデンドロンを結合させる。   The dendrimer can be produced by the divergent method, the convergent method or the like. The divergent method is a method in which a molecule having a plurality of functional groups is used as a core, and a branch is extended outward from the center. The convergence method is a method in which a branch is extended from the outside to the inside and is finally adhered to the core to form a spherical polymer, and the synthesis of dendron is promoted from the part to be the outer shell of dendrimer toward the inside. Finally, attach some dendrons to the core.

デンドリマーは、金属塩と相互作用する環境の異なる部位を持つ。ここでデンドリマーの「環境の異なる部位」とは、デンドリマーにおける金属塩を集積し得る部位であって、金属塩との相互作用が互いに異なる部位を意味する。当該部位は、金属塩との錯形成部位、イオン結合部位、共有結合部位を含む。「錯形成部位」とは、デンドリマーにおける金属塩との錯体を形成する部位を意味し、シッフ塩基となる部分である。1方向の電子密度勾配型デンドリマーでは、錯形成強度等の相互作用の強度が内層から外層へ次第に弱くなるように段階的に変化し、環境の異なる部位を形成するが、その他に、例えば、最外層に電子供与性の配位子を持つデンドリマーが、最外層だけ強い配位環境になった場合には、最も相互作用が強い部位が最外層となるように、内層における相互作用がそれよりも弱い部位とともに、環境の異なる部位を形成する。   Dendrimers have different sites of environment that interact with metal salts. Here, "a different site of environment" of the dendrimer means a site at which the metal salt in the dendrimer can be accumulated and which has different interaction with the metal salt. The site includes a complexing site with a metal salt, an ionic binding site, and a covalent binding site. The “complex formation site” means a site that forms a complex with a metal salt in a dendrimer, and is a part to be a Schiff base. In one-direction electron density gradient type dendrimers, the strength of interaction such as complexing strength changes stepwise so as to become weaker gradually from the inner layer to the outer layer, and forms different sites in the environment, but, for example, When a dendrimer having an electron-donating ligand in the outer layer has a strong coordination environment only in the outermost layer, the interaction in the inner layer is higher than that in the outermost layer, so that the site with the strongest interaction is the outermost layer. Together with the weak sites, they form different sites in the environment.

上記の環境の異なる部位は、コア自体に有していてもよい。したがってデンドリマーの内層には、1世代目の当該部位の他、コアも含むものとする。1方向の電子密度勾配型デンドリマーでは、コアから末端にかけて塩基性勾配が生じているため、コアやそれに最も近い1世代目の錯形成部位の錯形成定数が最も高く、外側に向かって段階的に錯形成定数が減少していく。この錯形成定数の差が駆動力となって、金属塩は段階的に中心に近い1世代目から2世代目、3世代目と集積されていく。各層までが充填される数は、コアの分岐数が4の場合、4、12、28、60となり、コアの分岐数が3の場合、3、9、21、45となり、コアの分岐数が2の場合、2、6、14、30となる。コアに1つの配位サイトを追加したピリジルトリフェニルメタンコアのデンドリマーでは、1、1、3、2、6となる。この場合、最初にコアのピリジン部位で錯形成し、その後内層から外層へと段階的に錯形成する。その際、各層において、最初にピリジルトリフェニルメタンコアのピリジン部と結合しているデンドロンの錯形成部位(イミン部位)と錯形成し、次いで各層のその他の錯形成部位と錯形成すると考えられる。   Different parts of the above environment may be included in the core itself. Therefore, in addition to the said site | part of the 1st generation, a core shall also be included in the inner layer of a dendrimer. In one-direction electron density gradient type dendrimers, a basic gradient is generated from the core to the end, so the complex formation constant of the core and the first generation complex formation site closest to it is the highest, and it is stepwise toward the outside The complexation constant decreases. The difference in the complexation constant becomes the driving force, and the metal salt is gradually accumulated from the first generation to the second generation to the third generation, which are close to the center. The number of layers filled is 4, 12, 28 and 60 when the number of core branches is four, and 3, 9, 21 and 45 when the number of core branches is three, and the number of core branches is In the case of 2, it becomes 2, 6, 14, 30. In a pyridyltriphenylmethane core dendrimer in which one coordination site is added to the core, it becomes 1, 1, 3, 2, 6. In this case, complexation is first performed at the pyridine site of the core and then stepwise complexation from the inner layer to the outer layer. At that time, in each layer, it is thought that the complexation site (imine site) of the dendron first bound to the pyridine moiety of the pyridyltriphenylmethane core is formed, and then the complexation site is formed with other complexation sites of each layer.

本発明においてデンドリマーは、樹状構造の分岐点に錯形成部位として電子供与性の結合または原子を含むものが好ましい。例えば、電子供与体になる孤立電子対を持つ窒素原子や酸素原子を含むデンドリマー等が挙げられる。金属塩が配位することのできる窒素原子としては、アゾメチン結合(−CH=N−)中の窒素原子等が挙げられる。本発明においてデンドリマーは、このように錯形成部位がイミン部位を含むことが好ましい。   In the present invention, the dendrimer preferably contains an electron donating bond or atom as a complexing site at the branch point of the dendritic structure. For example, a dendrimer containing a nitrogen atom or an oxygen atom having a lone electron pair to be an electron donor can be mentioned. As a nitrogen atom which a metal salt can coordinate, the nitrogen atom in an azo methine bond (-CH = N-) etc. are mentioned. In the present invention, in the dendrimer, it is preferable that the complexing site thus contains an imine site.

本発明に使用されるデンドリマーとしては、例えば、フェニルアゾメチンデンドリマーや、ポリアミドアミンデンドリマー、ポリプロピレンイミンデンドリマー等のポリアルキレンイミンデンドリマー、ポリベンジルエーテルデンドリマー等のポリアリールアルキルエーテルデンドリマー等が挙げられる。   Examples of the dendrimer used in the present invention include phenylazomethine dendrimers, polyalkylenimine dendrimers such as polyamidoamine dendrimers, polypropylenimine dendrimers and the like, polyarylalkylether dendrimers such as polybenzyl ether dendrimers, and the like.

これらの中でも、フェニルアゾメチンデンドリマーが好ましい。フェニルアゾメチンデンドリマーは、π共役による剛直な構造であるため非常に硬いことを特徴とし、分子の内部には十分な広さの空間が確保され、金属塩と錯体を形成する配位サイトを多数有していることから、多数の金属塩を内層から外層へ各段階の錯形成部位に精密集積するのに適している。   Among these, phenylazomethine dendrimers are preferred. Phenylazomethine dendrimers are characterized by a very rigid structure because they have a rigid structure by π conjugation, and a sufficiently wide space is secured inside the molecule, and there are many coordination sites that form complexes with metal salts. Therefore, it is suitable for precise accumulation of many metal salts from the inner layer to the outer layer at the complexation site of each step.

フェニルアゾメチンデンドリマーとしては、例えば、下記式(1)で表される化合物が挙げられる。   As a phenyl azo methine dendrimer, the compound represented by following formula (1) is mentioned, for example.

上記式(1)中のAは、フェニルアゾメチンデンドリマーのコアとなる中核分子基であり、フェニルアゾメチンデンドリマー分子は、この中核分子基を中心として、外側に向かって式(1)中のBで表される単位の連鎖を成長させる。その結果、成長後のフェニルアゾメチンデンドリマー分子は、上記Aを中心として、上記Bが連鎖して放射状に成長した構造を有する。Bが連鎖する回数を「世代」と呼び、中核分子基Aに隣接する世代を第1世代として、外側に向かって世代数が増加していく。上記式(1)中のAは、次式   A in the above formula (1) is a core molecular group to be the core of the phenyl azomethine dendrimer, and the phenyl azomethine dendrimer molecule is represented by B in the formula (1) toward the outside centering on this core molecular group. Grow a chain of units to be As a result, the phenylazomethine dendrimer molecule after growth has a structure in which the B is radially grown with the A at the center. The number of times B is linked is called "generation", and the generation adjacent to the core molecular group A is the first generation, and the number of generations increases outward. A in the above equation (1) is the following equation

の構造で表され、Rは、単環または多環の芳香族基、ヘテロ芳香族基、ポルフィリン基、フタロシアニン基、サイクラム基等が挙げられ、これらは置換基を有してもよい。 R 2 is a monocyclic or polycyclic aromatic group, heteroaromatic group, porphyrin group, phthalocyanine group, cyclam group or the like, and these may have a substituent.

上記式(1)中のBは、上記Aに対して1個のアゾメチン結合を形成させる次式   B in the above formula (1) is a formula which forms one azomethine bond to the above A

の構造で表され、Rは、同一又は異なって置換基を有してもよい芳香族基を表す。このBは、フェニルアゾメチンデンドリマーの世代を構成し、中核分子基Aに直接結合するBが第1世代となる。 R 3 represents an aromatic group which may have the same or different substituents. This B constitutes the generation of phenylazomethine dendrimers, and B directly bonded to the core molecular group A becomes the first generation.

上記一般式(1)中のRは、末端基として上記Bにアゾメチン結合を形成する次式   R in the above general formula (1) forms an azomethine bond in the above B as a terminal group.

の構造で表され、Rは、同一又は異なって置換基を有してもよい芳香族基を表す。Rは、フェニルアゾメチンデンドリマー分子の放射状に伸びた構造の末端に位置することになる。 And R 4 represents an aromatic group which may have the same or different substituents. R 1 will be located at the end of the radially extended structure of the phenylazomethine dendrimer molecule.

上記式(1)において、qは、フェニルアゾメチンデンドリマーの上記Bの構造を介しての世代数を表し、pは、フェニルアゾメチンデンドリマーの末端基Rの数を表し、p=2rである。 In the above formula (1), q represents the number of generations of the phenylazomethine dendrimer through the structure of B, p represents the number of terminal groups R 1 of the phenylazomethine dendrimer, and p = 2 q r .

置換基を有してもよい芳香族基であるR、R、Rは、それぞれ独立に、その骨格構造として、フェニル基またはその類縁の構造であってよく、例えば、フェニル基、ビフェニル基、ビフェニルアルキレン基、ビフェニルオキシ基、ビフェニルカルボニル基、フェニルアルキル基等の各種のものが挙げられる。これらの骨格は、置換基として、塩素原子、臭素原子、フッ素原子等のハロゲン原子、メチル基、エチル基等のアルキル基、クロロメチル基、トリフルオロメチル基等のハロアルキル基、メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基、メトキシエチル基等のアルコキシアルキル基、アルキルチオ基、カルボニル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基等の各種の置換基が例示される。上記骨格は、これらの置換基を、任意に1または複数有することができる。 Each of R 2 , R 3 and R 4 which is an aromatic group which may have a substituent may be independently a phenyl group or a structure similar to that of a phenyl group as its backbone structure, for example, a phenyl group or biphenyl Examples include various groups such as groups, biphenyl alkylene groups, biphenyl oxy groups, biphenyl carbonyl groups, and phenyl alkyl groups. These skeletons have, as a substituent, a halogen atom such as chlorine atom, bromine atom or fluorine atom, an alkyl group such as methyl group or ethyl group, a haloalkyl group such as chloromethyl group or trifluoromethyl group, a methoxy group or an ethoxy group And various substituents such as an alkoxyalkyl group such as methoxyethyl group, an alkyl alkyl group, an alkylthio group, a carbonyl group, a cyano group, an amino group and a nitro group. The skeleton may optionally have one or more of these substituents.

上記式R(−N=)で表される中核部分において、rとしては、特に限定されないが、例えば1〜4の整数が挙げられる。また、上記式(1)におけるqは、特に限定されないが、2〜6であることが好ましく例示される。 Although it does not specifically limit in the core part represented by said Formula R < 2 > (-N =) r , For example, the integer of 1-4 is mentioned. Moreover, q in the said Formula (1) is although it does not specifically limit, It is preferable that it is 2-6.

上記式(1)で表されるフェニルアゾメチンデンドリマーは、単分子化合物としては比較的大きな分子(例えば、4世代(q=3)のフェニルアゾメチンデンドリマーであれば、直径約2nm程度である。)であり、分子内に、金属原子が配位することのできる窒素原子を所定の間隔で複数有する。このため、フェニルアゾメチンデンドリマーは、単分子化合物としては比較的大きな分子サイズの内部に、複数個の金属元素を1原子ずつ規則的に配置させることができる。   The phenylazomethine dendrimer represented by the above formula (1) is a relatively large molecule as a monomolecular compound (for example, in the case of a 4-generation (q = 3) phenylazomethine dendrimer, the diameter is about 2 nm). In the molecule, a plurality of nitrogen atoms to which metal atoms can be coordinated are provided at predetermined intervals. Therefore, in the phenylazomethine dendrimer, a plurality of metal elements can be regularly arranged one by one in a relatively large molecular size as a monomolecular compound.

フェニルアゾメチンデンドリマーのサイズは、世代数、末端に結合する芳香族基のサイズ、末端に結合する芳香族基が有する置換基のサイズを適宜選択することで調整できる。その構造に基づいてフェニルアゾメチンデンドリマーのサイズを調整することで、フェニルアゾメチンデンドリマーを用いて形成されるデンドリマーの金属塩集積体のサイズを調整することができる。   The size of the phenylazomethine dendrimer can be adjusted by appropriately selecting the number of generations, the size of the aromatic group bonded to the terminal, and the size of the substituent that the aromatic group bonded to the terminal has. By adjusting the size of the phenylazomethine dendrimer based on its structure, the size of the metal salt aggregate of the dendrimer formed using the phenylazomethine dendrimer can be adjusted.

デンドリマーの金属塩集積体を製造する際には、最初の工程として、デンドリマーを含む溶液を調製する。デンドリマーとその金属塩集積体を溶解させる溶媒は、これらを溶解させることができるものであれば特に限定されない。例えば、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、1,1−ジクロロエタン、四塩化炭素等の含塩素系有機溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、アニソール、アセトフェノン等の芳香族系有機溶媒、シクロヘキサノン、テトラヒドロフラン、リモネン、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、アセトニトリル等の有機溶媒が挙げられる。これらは2種以上を組み合わせて使用してもよい。   In producing a metal salt assembly of dendrimer, as a first step, a solution containing the dendrimer is prepared. The solvent for dissolving the dendrimer and the metal salt aggregate thereof is not particularly limited as long as it can dissolve these. For example, chlorine-containing organic solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, 1,1-dichloroethane and carbon tetrachloride, aromatic organic solvents such as benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, anisole and acetophenone, cyclohexanone, Organic solvents such as tetrahydrofuran, limonene, propylene glycol monoethyl ether acetate, acetonitrile and the like can be mentioned. These may be used in combination of 2 or more types.

金属塩を混合する前の溶液中におけるデンドリマーの濃度は、特に限定されないが、0.001〜100μmol/Lが好ましく、0.01〜10μmol/Lがより好ましい。   The concentration of the dendrimer in the solution before mixing the metal salt is not particularly limited, but is preferably 0.001 to 100 μmol / L, and more preferably 0.01 to 10 μmol / L.

次の工程として、金属塩を溶液と混合し、金属塩が集積したデンドリマーの金属塩集積体を得る。デンドリマーに集積させる金属塩における金属元素は、単一元素クラスターの金属種として前述したものである。金属塩におけるカウンターアニオンもしくは配位子としては、特に限定されないが、例えば、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン等のハロゲンイオンや、トリフルオロメタンスルホン酸、酢酸、アセチルアセトン、アセトニトリル、サレン、テトラフルオロホウ酸イオン等が挙げられる。   As a next step, the metal salt is mixed with the solution to obtain a metal salt assembly of dendrimer in which the metal salt is accumulated. The metal elements in the metal salt to be accumulated in the dendrimer are those described above as metal species of single element clusters. The counter anion or ligand in the metal salt is not particularly limited, and examples thereof include halogen ions such as chloride ion, bromide ion and iodide ion, trifluoromethanesulfonic acid, acetic acid, acetylacetone, acetonitrile, salen, tetrafluoro A borate ion etc. are mentioned.

金属塩をデンドリマー溶液と混合する方法としては、特に限定されないが、金属塩溶液のデンドリマー溶液への滴下等が挙げられる。   The method for mixing the metal salt with the dendrimer solution is not particularly limited, and examples include dropping of the metal salt solution into the dendrimer solution.

デンドリマーと金属塩とが混合されると、金属元素がデンドリマーの錯形成部位に配位し、デンドリマーの内部に取り込まれる。1方向の電子密度勾配型デンドリマーでは、このとき、金属元素はデンドリマーの中心部側の錯形成部位に優先的に配位するので、中心部側に存在する錯形成部位から外側に存在する錯形成部位の順に配位する。すなわち、金属塩はデンドリマーのコアもしくは第1世代の錯形成部位から外側に世代順に配位する。そのため、デンドリマーと金属塩とのモル比を制御することにより、デンドリマーの所望の位置に金属元素を配置できる。   When the dendrimer and the metal salt are mixed, the metal element is coordinated to the complexing site of the dendrimer and is incorporated inside the dendrimer. In the unidirectional electron density gradient type dendrimer, at this time, the metal element is preferentially coordinated to the complexing site on the central side of the dendrimer, and thus the complexation existing outside from the complexing site existing on the central side Coordinate in order of site. That is, the metal salt coordinates in a generation order from the core of the dendrimer or the complex formation site of the first generation to the outside. Therefore, the metal element can be disposed at a desired position of the dendrimer by controlling the molar ratio of the dendrimer and the metal salt.

このデンドリマーの金属塩集積体は、還元することによって、その金属元素のサブナノ粒子を製造することができる。   The metal salt assembly of the dendrimer can be reduced to produce sub-nanoparticles of the metal element.

デンドリマーの金属塩集積体の還元は、例えば、金属塩に対して還元作用を有し、これを0価の状態まで還元することができる還元剤を用いて溶液中で行うことができる。このような還元剤としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウム、水素化シアノホウ素ナトリウム、水素、ヒドラジン類、水素化アルミニウムリチウム、水素化ジイソブチルアルミニウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素テトラn−ブチルアンモニウム、水素化ホウ素メチルアンモニウム、水素化トリエチルホウ素リチウム、ボラン錯体類、トリアセトキシホウ素ナトリウム、水素化ホウ素亜鉛、水素化トリブチルホウ素リチウム、水素化トリブチルホウ素カリウム、Schwartz試薬、Stryker試薬、水素化トリブチルスズ、水素化ナトリウム、水素化リチウム、水素化カルシウム、ベンゾフェノンケチルラジカル類、金属ナフタレニド類、過酸化水素等が挙げられる。   The reduction of the metal salt aggregate of the dendrimer can be carried out in solution, for example, using a reducing agent which has a reducing action on the metal salt and can be reduced to a zero-valent state. As such a reducing agent, for example, sodium borohydride, sodium cyanoborohydride, hydrogen, hydrazines, lithium aluminum hydride, diisobutylaluminum hydride, lithium borohydride, tetra n-butylammonium borohydride, Methyl ammonium borohydride, lithium triethylborohydride, borane complexes, sodium triacetoxyborohydride, zinc borohydride, lithium tributylborohydride, potassium tributylborohydride, Schwartz's reagent, Stryker's reagent, tributyltin hydride, hydrogenation Sodium, lithium hydride, calcium hydride, benzophenone ketyl radicals, metal naphthalenides, hydrogen peroxide and the like can be mentioned.

このようにしてデンドリマーの金属塩集積体を還元することで、集積させた金属塩の数に相当する大きさのサブナノ金属粒子を、デンドリマーに包含されたものとして調製することができる。   By reducing the metal salt aggregate of the dendrimer in this way, sub-nano metal particles of a size corresponding to the number of metal salts collected can be prepared as included in the dendrimer.

このようなサブナノ金属粒子は、前述したように担体に担持し、本発明の触媒が得られる。   Such sub-nano metal particles are supported on a support as described above to obtain the catalyst of the present invention.

本発明の芳香族炭化水素の酸化物の製造方法において使用される基質は、上記式(I)で表される。   The substrate used in the method for producing an oxide of an aromatic hydrocarbon of the present invention is represented by the above formula (I).

式(I)において、Rのうち少なくとも1つは1級炭素のメチル基である。本発明の触媒によれば、ベンゼン環に結合した前記メチル基を酸化することで、前記メチル基がカルボキシ基に変換された酸化物、アルデヒド基に変換された酸化物、およびヒドロキシメチル基に変換された酸化物を主成分とする生成物が得られることを特徴としている。   In formula (I), at least one of R is a primary carbon methyl group. According to the catalyst of the present invention, by oxidizing the methyl group bonded to the benzene ring, an oxide in which the methyl group is converted into a carboxy group, an oxide converted into an aldehyde group, and a hydroxymethyl group are converted It is characterized in that a product based on the above oxide is obtained.

n個のRはそれぞれ独立に前記メチル基、またはフェニル基である。   Each of n R's is independently a methyl group or a phenyl group.

その中でも、前記メチル基は1〜3個が好ましく、1〜2個がより好ましく、1個がさらに好ましい。   Among them, 1 to 3 methyl groups are preferable, 1 to 2 methyl groups are more preferable, and 1 is more preferable.

nは1〜6の整数を示す。その中でも、nは1〜3の整数が好ましく、1〜2の整数がより好ましい。   n is an integer of 1 to 6; Among them, n is preferably an integer of 1 to 3, and more preferably an integer of 1 to 2.

芳香族炭化水素は、1種単独もしくは2種以上の混合物を基質として用いることができる。芳香族炭化水素としては、例えば、トルエン、O−キシレン、m−キシレン、p−キシレン等が挙げられる。これらの中でも、工業的な有用性等を考慮すると、好ましいものとしてトルエンが挙げられる。   The aromatic hydrocarbon can be used alone or in combination of two or more as a substrate. As an aromatic hydrocarbon, toluene, O-xylene, m-xylene, p-xylene etc. are mentioned, for example. Among them, preferred is toluene, in consideration of industrial utility and the like.

本発明の方法においては、芳香族炭化水素を基質として、酸素雰囲気下、本発明の触媒の存在下、酸化反応する。本発明の触媒の使用量は、特に限定されないが、基質に対する単一元素クラスターのモル%(単一元素クラスター/基質)として、1.0×10−3〜1.0×10−2モル%が好ましく、1.2×10−3〜5.6×10−3モル%がより好ましい。 In the method of the present invention, the oxidation reaction is carried out in the presence of the catalyst of the present invention in an oxygen atmosphere using an aromatic hydrocarbon as a substrate. The amount of the catalyst of the present invention to be used is not particularly limited, but it is 1.0 × 10 −3 to 1.0 × 10 −2 mole percent as mole percent of single-element cluster with respect to substrate (single-element cluster / substrate) Is preferable, and 1.2 × 10 −3 to 5.6 × 10 −3 mol% is more preferable.

酸化反応は、反応容器内に、本発明の触媒と芳香族炭化水素を入れ、容器内を酸素で置換して行うことができる。反応容器は、耐圧性、密閉性、安全性等を確保でき、容器内を加熱可能なものであれば特に限定されず、そのスケールは工業的プロセス等の目的に応じて適宜のものとすることができる。   The oxidation reaction can be carried out by placing the catalyst of the present invention and an aromatic hydrocarbon in a reaction vessel and replacing the inside of the vessel with oxygen. The reaction vessel is not particularly limited as long as it can ensure pressure resistance, hermeticity, safety, etc. and can heat the inside of the vessel, and the scale thereof should be appropriate according to the purpose of an industrial process or the like. Can.

酸化反応は、主に基質の芳香族炭化水素が液相である状態で行われる。酸化反応は、溶媒を使用せずに基質の芳香族炭化水素のみで行うことができる。基本的に溶媒等は使用しないが、本発明の効果を損なわない範囲内において溶媒や添加剤の使用を妨げない。   The oxidation reaction is carried out mainly in the state where the substrate aromatic hydrocarbon is in the liquid phase. The oxidation reaction can be carried out with only the substrate aromatic hydrocarbon without using a solvent. Although a solvent or the like is basically not used, the use of a solvent or an additive is not hindered as long as the effect of the present invention is not impaired.

酸化反応の条件は、触媒回転頻度と転化率を考慮すると、酸素圧は0.1MPa以上が好ましく、例えば0.1〜10MPaの範囲で行うことができる。酸素圧の上限は、反応性の点からは特に限定されない。   As for the conditions of the oxidation reaction, in consideration of the catalyst rotation frequency and the conversion rate, the oxygen pressure is preferably 0.1 MPa or more, and can be performed, for example, in the range of 0.1 to 10 MPa. The upper limit of the oxygen pressure is not particularly limited in terms of reactivity.

反応温度は、特に限定されないが、穏和な条件での反応を考慮すると90〜180℃が好ましく、触媒回転頻度と転化率を考慮すると150〜180℃がより好ましく、160〜180℃がさらに好ましい。190℃以上の高温にした場合、自動酸化が起こりやすいので、その点では反応条件として望ましくない。   The reaction temperature is not particularly limited, but is preferably 90 to 180 ° C. in consideration of the reaction under mild conditions, more preferably 150 to 180 ° C. in consideration of the catalyst rotation frequency and the conversion, and still more preferably 160 to 180 ° C. When the temperature is raised to 190 ° C. or higher, auto-oxidation is likely to occur, which is not desirable as the reaction condition in that respect.

反応時間は、特に限定されないが、反応の十分な進行と短時間での反応を考慮すると、5〜40時間が好ましく、5〜10時間がより好ましい。本発明の触媒を用いるとこのような短時間でも反応が進行する。   The reaction time is not particularly limited, but it is preferably 5 to 40 hours, more preferably 5 to 10 hours, in consideration of the progress of the reaction and the reaction in a short time. When the catalyst of the present invention is used, the reaction proceeds even in such a short time.

以上のような条件で酸化反応することにより、基質の芳香族炭化水素における前記メチル基がカルボキシ基に変換された酸化物、アルデヒド基に変換された酸化物、およびヒドロキシメチル基に変換された酸化物を主成分とする生成物が得られる。基質がトルエンの場合、この主成分の生成物は、安息香酸、ベンズアルデヒド、およびベンジルアルコールである。   An oxide in which the methyl group in the aromatic hydrocarbon of the substrate is converted to a carboxy group, an oxide converted to an aldehyde group, and an oxidation converted to a hydroxymethyl group by performing an oxidation reaction under the above conditions An object-based product is obtained. When the substrate is toluene, the products of this main component are benzoic acid, benzaldehyde and benzyl alcohol.

ここで、本発明において「主成分」とは、生成物のうち、前記メチル基がカルボキシ基に変換された酸化物、アルデヒド基に変換された酸化物、およびヒドロキシメチル基に変換された酸化物がいずれも、その他の生成物、例えば安息香酸ベンジルのような、前記メチル基がカルボキシ基に変換された酸化物と、ヒドロキシメチル基に変換された酸化物とが縮合したエステル等よりも多いことを意味する。   Here, in the present invention, the “main component” means, among the products, an oxide in which the methyl group is converted to a carboxy group, an oxide converted to an aldehyde group, and an oxide converted to a hydroxymethyl group. In any case, it is more than other products such as, for example, an ester obtained by condensation of an oxide in which the methyl group is converted to a carboxy group and an oxide in which the methyl group is converted to a hydroxymethyl group, such as benzyl benzoate. Means

ある態様では、前記メチル基がカルボキシ基に変換された酸化物、アルデヒド基に変換された酸化物、およびヒドロキシメチル基に変換された酸化物が生成物に占める割合が90モル%以上、95モル%以上、98モル%以上、あるいは99モル%以上である。   In one embodiment, an oxide in which the methyl group is converted to a carboxy group, an oxide converted to an aldehyde group, and an oxide converted to a hydroxymethyl group account for at least 90 mol%, at least 95 mol of the product. % Or more, 98 mol% or more, or 99 mol% or more.

ある態様では、前記メチル基が1つの芳香族炭化水素を基質とした場合、前記メチル基がカルボキシ基に変換された酸化物、アルデヒド基に変換された酸化物、およびヒドロキシメチル基に変換された酸化物のうち、前記メチル基がカルボキシ基に変換された酸化物の生成量が最も多い。典型的な一例において、生成量は前記メチル基がカルボキシ基に変換された酸化物>アルデヒド基に変換された酸化物>ヒドロキシメチル基に変換された酸化物の順である。   In one aspect, when the methyl group is based on one aromatic hydrocarbon, an oxide in which the methyl group is converted into a carboxy group, an oxide converted into an aldehyde group, and a hydroxymethyl group are converted Among the oxides, the production amount of the oxide in which the methyl group is converted to a carboxy group is the largest. In a typical example, the amount of production is in the order of the oxide in which the methyl group is converted to a carboxy group> the oxide converted to an aldehyde group> the oxide converted to a hydroxymethyl group.

触媒反応では、触媒回転頻度(TOF)で示される活性値の高さや転化率とともに、得られる生成物の選択性が重要である。トルエンからの生成物として、工業材料として様々な展開ができる反応性の広い物質が有用であり、安息香酸、ベンズアルデヒド、ベンジルアルコールは有用な物質となっている。   In the catalytic reaction, the selectivity of the product obtained is important as well as the high activity value and conversion as indicated by the catalyst turnover frequency (TOF). As a product from toluene, a broad reactive substance capable of various developments as an industrial material is useful, and benzoic acid, benzaldehyde and benzyl alcohol are useful substances.

安息香酸は、ベンズアルデヒドの酸化反応で増加する。酸型保存料の一種であり、抗菌・静菌作用があるので、水溶性のナトリウム塩等は清涼飲料等の保存料として添加されている。防腐作用があり、醤油や清涼飲料(炭酸飲料も含む)に保存剤として、また膀胱炎や気管支炎治療に使用される。工業的には媒染剤として、学術上はアルカリ標準液の標定に使用される。現在までの主な工業的製法としては、トルエンを塩素化してベンゾトリクロリドとし、次いで加水分解するか、無水フタル酸を水蒸気とともに熱した触媒の上に通す方法が知られている。最近はトルエンの空気酸化によっても製造されている。実験室的にはトルエンを硝酸または二クロム酸カリウムで酸化して得られる。   Benzoic acid is increased in the oxidation reaction of benzaldehyde. Since it is a type of acid-type preservative and has antibacterial and bacteriostatic effects, water-soluble sodium salts and the like are added as preservatives for soft drinks and the like. It has antiseptic properties and is used as a preservative in soy sauce and soft drinks (including carbonated drinks) and for the treatment of cystitis and bronchitis. Industrially it is used as a mordant and academically it is used to standardize alkaline standard solutions. As the main industrial processes to date, it is known to chlorinate toluene to benzotrichloride and then hydrolyze or pass phthalic anhydride over steam heated catalyst. Recently, it is also produced by air oxidation of toluene. In the laboratory, it is obtained by oxidizing toluene with nitric acid or potassium dichromate.

ベンズアルデヒドは、トルエンの酸化反応、あるいはベンジルアルコールの酸化反応で増加する。現在までの主な工業的製法としては、塩化ベンザルの加水分解によって製造する方法が知られている。安価な香料として用いられる他、抗炎症作用が認められている。   Benzaldehyde is increased by the oxidation reaction of toluene or the oxidation reaction of benzyl alcohol. As a main industrial production method to date, the method of producing by hydrolysis of benzal chloride is known. Besides being used as an inexpensive perfume, it has been recognized to have an anti-inflammatory effect.

ベンジルアルコールは、トルエンの酸化反応で増加する。ベンズアルデヒドを触媒存在下で水素化したり、還元剤を用いて還元したりすると得られる。溶剤として優れており、毒性が低く、蒸気圧が小さい。アルコールとエーテルに溶けやすく、空気中で酸化されて安息香酸に変化する。   Benzyl alcohol is increased by the oxidation reaction of toluene. It is obtained by hydrogenating benzaldehyde in the presence of a catalyst or reducing it with a reducing agent. Excellent solvent, low toxicity, low vapor pressure. Soluble in alcohol and ether, oxidized in air to benzoic acid.

なお、トルエンの酸素酸化反応において、安息香酸ベンジルはベンズアルデヒドと安息香酸の縮合反応で増加するが、本発明の触媒を用いた方法によれば、安息香酸ベンジルはほとんど生成しない。   In the oxygen oxidation reaction of toluene, benzyl benzoate is increased by the condensation reaction of benzaldehyde and benzoic acid, but according to the method using the catalyst of the present invention, benzyl benzoate is hardly generated.

本発明の方法によって得られた芳香族炭化水素の酸化物の各々は、常法によって単一成分毎に分離、精製してから目的に応じて使用してもよい。   Each of the oxides of aromatic hydrocarbons obtained by the method of the present invention may be separated and refined into single components by a conventional method and then used according to the purpose.

本発明の芳香族炭化水素の酸化物の製造方法ならびに触媒によれば、トルエンのように1級炭素のメチル基がベンゼン環に結合した芳香族炭化水素を基質とした酸化反応において、工業的に有用性の高い生成物の選択性を高め、触媒回転頻度を高めることができ、かつ穏和な条件で短時間に転化率を向上させることができる。触媒回転頻度は一般的に触媒活性能力の指標とされており、転化率は金属のコストを考慮し実装化の観点でみるとその評価は重要である。本発明の芳香族炭化水素の酸化物の製造方法ならびに触媒によれば、触媒回転頻度はその一例として200atom−1−1以上、300atom−1−1以上、400atom−1−1以上、さらには600〜1000atom−1−1であり、転化率はその一例として2%以上、さらには3〜6%である。 According to the method and catalyst for producing an oxide of an aromatic hydrocarbon of the present invention, it is possible to industrially carry out an oxidation reaction based on an aromatic hydrocarbon in which a methyl group of primary carbon is bonded to a benzene ring such as toluene. The selectivity of highly useful products can be increased, the catalyst turnover frequency can be increased, and the conversion can be improved in a short time under mild conditions. The catalyst turnover frequency is generally regarded as an indicator of catalyst activity ability, and the conversion rate is important from the viewpoint of implementation considering the cost of metal. According to the method and catalyst for producing an oxide of an aromatic hydrocarbon of the present invention, the catalyst rotation frequency is, for example, 200 atom -1 h -1 or more, 300 atom -1 h -1 or more, 400 atom -1 h -1 or more, further it is 600~1000atom -1 h -1, the conversion rate of 2% or more as an example, even at 3-6%.

以下に、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.

図1〜図8において、トルエン酸化反応の転化率(Conversion)は、グラフ縦軸の「Product」(生成物量:μmol)および「Yield」(収率:%)で示している。触媒回転頻度はグラフ縦軸の「TOF」(Turnover Frequency:atom−1−1)で示している。
1.触媒の調製
グローブボックス雰囲気下、クロロホルムとアセトニトリルの混合溶媒(クロロホルム:アセトニトリル=1:1)にテトラフェニルメタンをコアとする第4世代のフェニルアゾメチンデンドリマー(TPM−G4)を溶解した溶液(3.0μM)に、目的とする単一元素クラスターの元素数に応じて10〜60当量のPtCl溶液(溶媒:アセトニトリル、3.0mM)あるいは28当量のCuCl、RhCl、AuCl、RuCl、[Pd(NCMe)](BFの溶液を加えて、金属塩の錯形成を行った。ただし、Pt19の金属塩の集積には、ピリジンをコアとする第4世代のフェニルアゾメチンデンドリマー(PyTPM−G4)を用いて集積条件を検討した。
In FIG. 1 to FIG. 8, the conversion rate (Conversion) of the toluene oxidation reaction is shown by “Product” (product amount: μmol) and “Yield” (yield:%) on the graph vertical axis. The catalyst rotation frequency is indicated by “TOF” (Turnover Frequency: atom −1 h −1 ) on the graph vertical axis.
1. Preparation of Catalyst A solution (3. 3) of a fourth generation phenylazomethine dendrimer (TPM-G4) having tetraphenylmethane as its core dissolved in a mixed solvent of chloroform and acetonitrile (chloroform: acetonitrile = 1: 1) under a glove box atmosphere. 10 to 60 equivalents of PtCl 4 solution (solvent: acetonitrile, 3.0 mM) or 28 equivalents of CuCl 2 , RhCl 3 , AuCl 3 , RuCl 3 , or 0 μM) depending on the number of elements of the target single element cluster. A solution of [Pd (NCMe) 4 ] (BF 4 ) 2 was added to complex the metal salt. However, for accumulation of the metal salt of Pt 19 , accumulation conditions were examined using a fourth generation phenylazomethine dendrimer (PyTPM-G4) having pyridine as a core.

90分間の攪拌後、全金属当量数の60倍当量のNaBHを加えたメタノール溶液(ca. 530mM)で還元を行った。その反応溶液をメタノールで分散させたケッチェンブラック(Ketjenblack:KB)と混合し、デンドリマー錯体をKBに集積し担持させた。KBに担持させた触媒をメンブレンフィルターでろ過して、メタノールでの洗浄後、真空乾燥した。
2.トルエンの酸素酸化反応および触媒活性評価
2−1.反応条件
オートクレーブ内に、調製した触媒(白金の場合、例えば担持量0.47wt% 10mg)とトルエン(2mL)を加えた。その後、容器内を酸素でパージして置換を行い、以下に記載の反応温度、酸素圧、反応時間で加熱反応を行った。加熱後、一部の溶液を採取し、得られたトルエン酸化物についてH NMR、GC−MSスペクトルによる測定を行い、観測されたシグナル強度を用いて、生成物の種類毎に転化率と触媒回転頻度を算出した。
2−2.白金元素数の検討(図1)
白金とトルエンのモル比(Pt/Toluene)0.0012mol%、反応温度160℃、酸素圧1MPaのO雰囲気下、反応時間5時間の条件で、白金元素数を10〜60まで変えて生成物の種類およびトルエンからの転化率と触媒回転頻度を測定した。その結果を図1に示す。酸化反応による生成物は安息香酸、ベンズアルデヒド、ベンジルアルコールが大部分を占め、エステル化合物である安息香酸ベンジルの生成はほとんどみられなかった。主生成物である安息香酸、ベンズアルデヒド、ベンジルアルコールの中では安息香酸が最も多く、生成量は概ね安息香酸、ベンズアルデヒド、ベンジルアルコールの順であった。触媒活性については、電気化学による酸素還元反応の場合やインダン酸化の場合(非特許文献1)と同じ傾向があり、白金元素数19のクラスターの担持体Pt19@TPM−G4/KBを用いた場合における触媒活性(収率6.34%、TOF 1038atom−1−1)が最も高かった。触媒回転頻度については、総じて非特許文献2、4のようなナノ粒子を触媒とした場合に比べて高かった。白金元素数28、60のクラスターの担持体ではTOFがいずれも400atom−1−1程度であるのに対し、白金元素数19以下のクラスターの担持体ではTOFがいずれも800atom−1−1以上であり、白金元素数19以下で増加する傾向がみられた。
2−3.ケッチェンブラックに担持するPt担持量の検討(図2)
白金元素数12のクラスター(Pt12)の担持体と白金元素数28のクラスター(Pt28)の担持体を用いて、ケッチェンブラックに担持する白金担持量の検討を行った。条件は、反応温度160℃、酸素圧1MPa、反応時間5時間、担持量0.47wt%とした。その結果を図2に示す。生成物の選択性は、白金担持量により大きく変動することはなかった。Pt12とPt28のいずれの場合も担持量の増加により反応生成物の量が増え、担持量0.47wt%では転化率と触媒回転頻度の増加が顕著になった。それよりも担持量を増やすと転化率は次第に増加し、触媒回転頻度は次第に低下する傾向がみられた。
2−4.酸素圧および酸素濃度への依存性(図3)
白金元素数19のクラスター(Pt19)の担持体と白金元素数13のクラスター(Pt13)の担持体を用いて、反応における酸素圧および酸素濃度への依存性について検討した。条件は、反応温度160℃、反応時間5時間、担持量0.47wt%とした。その結果を図3に示す。同図においてグラフ横軸は酸素圧(MPa)を示している。生成物の選択性は、酸素圧および酸素濃度により大きく変動することはなかった。Pt13とPt19のいずれの場合も酸素圧0.1〜1MPaでは同様な触媒活性を示し、0.1MPaの穏和な反応条件でも十分に進行することが分かった。空気中の反応では触媒活性がみられないことから、本反応では酸素雰囲気であることが必須となる。
2−5.反応温度の影響(図4、図5)
白金元素数19のクラスター(Pt19)の担持体と白金元素数13のクラスター(Pt13)の担持体を用いて、反応温度を130℃から180℃まで10℃毎に変えて検討を行った。条件は、酸素圧1MPa、反応時間5時間、担持量0.47wt%とした。その結果を図4、図5に示す。生成物の選択性は、反応温度により大きく変動することはなかった。反応温度150〜180℃で効率良く反応が進行し、特に転化率と触媒回転頻度の点で160〜180℃が良好であった。反応温度130℃、140℃では触媒活性が低下した。また190℃以上の高温にした場合、自動酸化が起こりやすいので、その点では反応条件として望ましくない。
2−6.反応時間の影響(図6)
白金元素数19のクラスター(Pt19)の担持体と白金元素数13のクラスター(Pt13)の担持体を用いて、反応温度160℃、酸素圧1MPaの条件で、反応時間5〜40時間での経時変化を確認した。その結果を図6に示す。Pt13とPt19のいずれの場合も反応時間5〜10時間でほぼ100%反応が進行した。TOFはそれ以降減少しているが、クラスター化した白金ナノ粒子の担持体からの逸脱や、白金サブナノ粒子の分解等が考えられる。
2−7.単一貴金属、およびCuを用いたトルエンの触媒活性(図7、図8)
単一貴金属として、Pt(白金)以外に、Au(金)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、卑金属としてCu(銅)の検討を行った。条件は、Pt(白金)で最適な反応温度160℃、酸素圧1MPa、反応時間5時間、担持量0.47wt%、金属元素数28とした。その結果を図7に示す。またCu(銅)、Pt(白金)、Au(金)について、金属元素数60として同条件にて検討を行った。その結果を図8に示す。担持量を重量百分率で統一しているため、物質量は同じではない。よって、原子量の小さい軽元素(金属)では転化率は高く、触媒回転頻度は低く算出される傾向はある。また触媒回転頻度の場合、前項で述べたように、クラスター化したナノ粒子の担持体からの逸脱や、サブナノ粒子の分解等によって低下する可能性はある。図7より、転化率と触媒回転頻度はPt(白金)に比べて増減はあるが、いずれの金属の場合も触媒活性が確認された。図8の金属元素数60の場合も同様の傾向がみられた。得られる生成物の選択性は、金属種、および金属元素数により大きく変動することはなかった。
After stirring for 90 minutes, reduction was performed with a methanol solution (ca. 530 mM) to which 60 equivalents of NaBH 4 of the total number of metal equivalents was added. The reaction solution was mixed with ketjen black (Ketjenblack: KB) dispersed with methanol, and the dendrimer complex was accumulated and supported on KB. The catalyst supported on KB was filtered through a membrane filter, washed with methanol and then vacuum dried.
2. Oxygen oxidation reaction of toluene and catalytic activity evaluation 2-1. Reaction conditions In an autoclave, the prepared catalyst (for platinum, for example, supported amount: 0.47 wt% 10 mg) and toluene (2 mL) were added. Thereafter, the inside of the vessel was purged with oxygen for replacement, and heating reaction was performed at the reaction temperature, oxygen pressure, and reaction time described below. After heating, a portion of the solution is collected, and the obtained toluene oxide is measured by 1 H NMR and GC-MS spectra, and the conversion and catalyst for each type of product are measured using the observed signal intensity. The rotation frequency was calculated.
2-2. Examination of the number of platinum elements (Figure 1)
The molar ratio of platinum to toluene (Pt / Toluene) 0.0012 mol%, reaction temperature 160 ° C., oxygen pressure 1 MPa, O 2 atmosphere, reaction time 5 hours, changing the number of platinum elements to 10 to 60 products And the conversion rate from toluene and the catalyst turnover frequency were measured. The results are shown in FIG. The products of the oxidation reaction were mostly benzoic acid, benzaldehyde and benzyl alcohol, and the formation of the ester compound benzyl benzoate was hardly observed. Among the main products benzoic acid, benzaldehyde and benzyl alcohol, benzoic acid is the most abundant, and the amount of production is generally in the order of benzoic acid, benzaldehyde and benzyl alcohol. The catalytic activity tends to be the same as in the case of electrochemical oxygen reduction reaction or in the case of indane oxidation (Non-Patent Document 1), and a platinum element number 19 cluster carrier Pt 19 @ TPM-G4 / KB was used The catalytic activity (yield 6.34%, TOF 1038 atom −1 h −1 ) in the case was the highest. The catalyst rotation frequency was generally higher than in the case of using nanoparticles such as non-patent documents 2 and 4 as a catalyst. To TOF is carrier clusters of platinum element number 28,60 in the range of about any 400atom -1 h -1, even TOF is either the carrier of the platinum element number 19 or less of the cluster 800atom -1 h -1 It is the above, and the tendency which increases with platinum element number 19 or less was seen.
2-3. Examination of the amount of Pt supported on ketjen black (Fig. 2)
The supported amount of platinum supported on ketjen black was examined using a supported body of a platinum element number 12 (Pt 12 ) and a supported amount of a platinum element number 28 (Pt 28 ). The conditions were a reaction temperature of 160 ° C., an oxygen pressure of 1 MPa, a reaction time of 5 hours, and a supported amount of 0.47 wt%. The results are shown in FIG. Product selectivity did not vary significantly with platinum loading. In both cases of Pt 12 and Pt 28, the amount of reaction product increased due to the increase in the loading amount, and at the loading amount of 0.47 wt%, the increase in the conversion rate and the catalyst rotation frequency became remarkable. When the loading amount was further increased, the conversion gradually increased, and the catalyst turnover frequency tended to gradually decrease.
2-4. Oxygen pressure and dependence on oxygen concentration (Figure 3)
The dependence of the reaction on the oxygen pressure and the oxygen concentration was examined using a support of platinum element number 19 (Pt 19 ) and a platinum element number 13 cluster (Pt 13 ). The conditions were a reaction temperature of 160 ° C., a reaction time of 5 hours, and a loading of 0.47 wt%. The results are shown in FIG. In the figure, the horizontal axis of the graph indicates oxygen pressure (MPa). Product selectivity did not vary significantly with oxygen pressure and oxygen concentration. Pt 13 and indicates one oxygen pressure 0.1~1MPa the same catalytic activity in the case of the Pt 19, was found to proceed sufficiently even under mild reaction conditions 0.1 MPa. Since no catalytic activity is observed in the reaction in air, an oxygen atmosphere is essential in this reaction.
2-5. Influence of reaction temperature (Fig. 4, Fig. 5)
The reaction temperature was varied from 130 ° C. to 180 ° C. at every 10 ° C. using a support of platinum 19 carbon (Pt 19 ) and a support of platinum 13 carbon (Pt 13 ) . The conditions were an oxygen pressure of 1 MPa, a reaction time of 5 hours, and a supported amount of 0.47 wt%. The results are shown in FIG. 4 and FIG. Product selectivity did not vary significantly with reaction temperature. The reaction proceeded efficiently at a reaction temperature of 150 to 180 ° C., and in particular, 160 to 180 ° C. was favorable in terms of the conversion rate and the catalyst rotation frequency. At a reaction temperature of 130 ° C. and 140 ° C., the catalyst activity decreased. When the temperature is raised to 190 ° C. or higher, auto-oxidation tends to occur, which is not desirable as a reaction condition.
2-6. Influence of reaction time (Figure 6)
Using a support of platinum element number 19 cluster (Pt 19 ) and a platinum element number 13 cluster (Pt 13 ), reaction temperature 160 ° C., oxygen pressure 1 MPa, reaction time 5 to 40 hours Change over time was confirmed. The results are shown in FIG. Nearly 100% of the reaction had proceeded with Pt 13 and reaction time 5-10 hours For both Pt 19. The TOF has been decreasing since then, but deviations from the support of clustered platinum nanoparticles, decomposition of platinum sub-nanoparticles, etc. are considered.
2-7. Catalytic activity of toluene with single noble metal and Cu (Figure 7, Figure 8)
In addition to Pt (platinum), investigations were conducted on Au (gold), Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Pd (palladium) as a single precious metal, and Cu (copper) as a base metal. The conditions were Pt (platinum), the optimum reaction temperature of 160 ° C., the oxygen pressure of 1 MPa, the reaction time of 5 hours, the supported amount of 0.47 wt%, and the number of metal elements was 28. The results are shown in FIG. In addition, Cu (copper), Pt (platinum), and Au (gold) were examined under the same conditions as the number 60 of metal elements. The results are shown in FIG. The amount of substance is not the same because the loading amount is standardized by weight percentage. Therefore, in the case of light elements (metals) having a small atomic weight, the conversion ratio tends to be high, and the catalyst rotation frequency tends to be low. In addition, in the case of the catalyst rotation frequency, as described in the preceding paragraph, there is a possibility that the catalyst rotation frequency may be lowered due to the deviation from the support of clustered nanoparticles, the decomposition of sub-nanoparticles, and the like. From FIG. 7, although the conversion rate and the catalyst rotation frequency increase or decrease compared to Pt (platinum), the catalytic activity was confirmed for any of the metals. The same tendency was observed in the case of the number 60 of metal elements in FIG. The selectivity of the resulting product did not vary significantly with the metal species and the number of metal elements.

Claims (6)

次式(I):
(式中、Rのうち少なくとも1つは1級炭素のメチル基であり、n個のRはそれぞれ独立に前記メチル基、またはフェニル基である。nは1〜6の整数を示す。)で表される、前記メチル基を置換基に有する芳香族炭化水素を基質として、酸素雰囲気下、元素数が4〜60である第8族から第11族までの単一元素クラスターを担体に担持した触媒の存在下、酸化反応することにより、前記メチル基がカルボキシ基に変換された酸化物、アルデヒド基に変換された酸化物、およびヒドロキシメチル基に変換された酸化物を主成分とする生成物を得る、芳香族炭化水素の酸化物の製造方法。
The following equation (I):
(Wherein, at least one of R is a primary carbon methyl group, and n Rs are each independently the methyl group or a phenyl group. N is an integer of 1 to 6.) Using the aromatic hydrocarbon having the methyl group as a substituent as a substrate, a single-element cluster of groups 8 to 11 having an element number of 4 to 60 is supported on a support under an oxygen atmosphere. A product comprising an oxide in which the methyl group is converted to a carboxy group by an oxidation reaction in the presence of a catalyst, an oxide converted to an aldehyde group, and an oxide converted to a hydroxymethyl group. A process for the production of oxides of aromatic hydrocarbons,
前記芳香族炭化水素がトルエンであり、前記主成分の酸化物が、安息香酸、ベンズアルデヒド、およびベンジルアルコールである請求項1に記載の芳香族炭化水素の酸化物の製造方法。   The method for producing an oxide of an aromatic hydrocarbon according to claim 1, wherein the aromatic hydrocarbon is toluene, and the oxide of the main component is benzoic acid, benzaldehyde, and benzyl alcohol. 前記単一元素クラスターが、貴金属または銅のクラスターである請求項1または2に記載の芳香族炭化水素の酸化物の製造方法。   The method for producing an oxide of an aromatic hydrocarbon according to claim 1 or 2, wherein the single element cluster is a noble metal or a cluster of copper. 前記単一元素クラスターが、前記単一元素の金属塩が集積されたデンドリマーの還元物である請求項1〜3のいずれか一項に記載の芳香族炭化水素の酸化物の製造方法。   The method for producing an oxide of an aromatic hydrocarbon according to any one of claims 1 to 3, wherein the single element cluster is a reduced product of a dendrimer in which the metal salt of the single element is accumulated. 温度90〜180℃、酸素圧0.1MPa以上で前記酸化反応を行う請求項1〜4のいずれか一項に記載の芳香族炭化水素の酸化物の製造方法。   The method for producing an oxide of an aromatic hydrocarbon according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxidation reaction is performed at a temperature of 90 to 180 ° C and an oxygen pressure of 0.1 MPa or more. 次式(I):
(式中、Rのうち少なくとも1つは1級炭素のメチル基であり、n個のRはそれぞれ独立に前記メチル基、またはフェニル基である。nは1〜6の整数を示す。)で表される、前記メチル基を置換基に有する芳香族炭化水素を基質として、酸素雰囲気下、酸化反応することにより、前記メチル基がカルボキシ基に変換された酸化物、アルデヒド基に変換された酸化物、およびヒドロキシメチル基に変換された酸化物を主成分とする生成物を得るための触媒であって、元素数が4〜60である第8族から第11族までの単一元素クラスターが担体に担持されている触媒。
The following equation (I):
(Wherein, at least one of R is a primary carbon methyl group, and n Rs are each independently the methyl group or a phenyl group. N is an integer of 1 to 6.) An oxide in which the methyl group is converted to a carboxy group, an oxidation in which the methyl group is converted to an aldehyde group by performing an oxidation reaction in an oxygen atmosphere using an aromatic hydrocarbon having the methyl group as a substituent as a substrate And a catalyst for obtaining a product containing an oxide converted to a hydroxymethyl group as a main component, the single-element cluster of groups 8 to 11 having 4 to 60 elements Catalyst supported on a carrier.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114524724A (en) * 2020-11-23 2022-05-24 中国科学院大连化学物理研究所 Method for preparing biphenyl dicarboxylic acid by catalyzing oxidation of dimethyl biphenyl

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