JP6103583B2 - 金及びパラジウムを含む高分子保護ナノ粒子担持ハイドロタルサイト触媒、並びにその製造方法及び使用 - Google Patents
金及びパラジウムを含む高分子保護ナノ粒子担持ハイドロタルサイト触媒、並びにその製造方法及び使用 Download PDFInfo
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Description
(1) 金及びパラジウムを含む貴金属とポリビニルピロリドンとを含む高分子保護ナノ粒子と、該高分子保護ナノ粒子を担持するハイドロタルサイトを含む担体と、を含有する触媒組成物。
金のイオンとパラジウムのイオンとをポリビニルピロリドンの存在下で還元して、金及びパラジウムを含む貴金属とポリビニルピロリドンとを含む高分子保護ナノ粒子を形成させる、高分子保護ナノ粒子形成工程;
前記高分子保護ナノ粒子とハイドロタルサイトを含む担体とを接触させて、該高分子保護ナノ粒子を該担体に担持させる、触媒組成物形成工程;
を含む、前記方法。
<1. 触媒組成物>
本発明は、貴金属を含む高分子保護ナノ粒子と、該高分子保護ナノ粒子を担持する担体とを含有する触媒組成物に関する。
[(M2+)1-x(M3+)x(OH)2]x+[(An-)x/n・mH2O]x-
〔式中、M2+は2価金属、M3+は3価金属、An-はn価(nは1以上の整数)のアニオンを表し、xは、0<x≦0.33の範囲であり、mは正の整数である。〕
で表される塩基性の層状粘土化合物を意味する。
M2+が、Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+又はZn2+等であることが好ましく、
M3+が、Al3+、Fe3+、Cr3+、Co3+又はIn3+等であることが好ましく、
An-が、OH-、F-、Cl-、Br-、NO3 -、CO3 2-、SO4 2-、Fe(CN)6 3-、CH3COO-、シュウ酸イオン又はサリチル酸イオン等であることが好ましく、CO3 2-又はOH-であることがより好ましい。
本発明はまた、上記で説明した触媒組成物を製造する方法に関する。
図1は、本発明の触媒組成物を製造する方法の一実施形態を示す工程図である。以下、図1に基づき、本発明の方法の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本発明の方法は、金のイオンとパラジウムのイオンとをポリビニルピロリドンの存在下で還元して、金及びパラジウムを含む貴金属とポリビニルピロリドンとを含む高分子保護ナノ粒子を形成させる、高分子保護ナノ粒子形成工程(工程S11)を含む。
本発明の方法は、前記貴金属が保護された高分子保護ナノ粒子とハイドロタルサイトを含む担体とを接触させて、該高分子保護ナノ粒子を該担体に担持させる、触媒組成物形成工程(工程S12)を含む。
本発明はまた、上記で説明した触媒組成物を用いるカルボニル化合物の製造方法に関する。
図2は、本発明のカルボニル化合物の製造方法の一実施形態を示す工程図である。以下、図2に基づき、本発明の方法の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本発明の方法は、本発明の触媒組成物の存在下において、アルコール化合物を酸化してカルボニル化合物に変換する、アルコール酸化工程(工程S21)を含む。より具体的には、本発明の方法は、本発明の触媒組成物の存在下において、アルコール化合物の少なくとも1個の水酸基を酸化してカルボニル基に変換する、アルコール酸化工程(工程S21)を含む。
本発明の方法は、前記アルコール酸化工程を実施した後に、前記触媒組成物を反応系から分離する触媒組成物分離工程(工程S22)を含んでもよい。
本発明はまた、上記で説明した触媒組成物を用いるカルボン酸化合物の製造方法に関する。
図3は、本発明のカルボン酸化合物の製造方法の一実施形態を示す工程図である。以下、図3に基づき、本発明の方法の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本発明の方法は、本発明の触媒組成物の存在下において、アルデヒド化合物を酸化してカルボン酸化合物に変換する、アルデヒド酸化工程(工程S31)を含む。より具体的には、本発明の方法は、本発明の触媒組成物の存在下において、アルデヒド化合物の少なくとも1個のアルデヒド基を酸化してカルボン酸基に変換する、アルデヒド酸化工程(工程S31)を含む。
本発明の方法は、前記アルデヒド酸化工程を実施した後に、前記触媒組成物を反応系から分離する触媒組成物分離工程(工程S32)、及び触媒組成物分離工程で得られた使用済の前記触媒組成物を、さらなるアルデヒド酸化工程に再使用する、再使用工程(工程S33)を含んでもよい。前記工程は、カルボニル化合物の製造方法に関して言及した条件と同様の条件で実施することができる。
所定量の塩化金酸(x mmol)及び塩化パラジウム(y mmol)(ここで、x + y = 0.1 mmol, y > 0)と、0.1 gの塩化カリウムと、0.580 gのポリビニルピロリドン(PVP;分子量58,000、ACROS社製)とを50 mlの純水に溶解した。この水溶液に、50 mlのエチレングリコール(0.9 mol)を添加して混合した。得られた混合物を2時間加熱還流して金及びパラジウムのイオンを還元し、AuxPdy-PVP保護ナノ粒子を含有する分散液を得た。
合成例1の方法で調製した触媒組成物を、透過型電子顕微鏡(TEM; Hitachi H-7650(100kV), 京都先端ナノテク支援ネットワーク; No. 2011-JAIST-9及び2011-JAIST-33)で観察し、それぞれの触媒組成物に含有されるAuxPdy-PVP保護ナノ粒子から500個の粒子を任意に選択して粒径を測定し、平均粒径を算出した。実施例及び比較例の触媒組成物の組成式、及び触媒組成物に含有されるAuxPdy-PVP保護ナノ粒子の平均粒径を表1に示す。また、各触媒組成物のTEM画像を図4Aに、触媒組成物に含有されるAuxPdy-PVP保護ナノ粒子の粒径分布を図4Bに、それぞれ示す。
合成例1の方法で調製したAuxPdy-PVP保護ナノ粒子について、それぞれX線光電子分光分析(XPS; SHIMADZU・Kratos, AXIS-ULTRA DLD)で観察し、Au 4f7/2由来の結合エネルギーの変化から、各AuxPdy-PVP保護ナノ粒子のAu 4f7/2軌道の電子状態を評価した。実施例1〜4の保護ナノ粒子の組成式、及び保護ナノ粒子ごとのAu 4f7/2由来の結合エネルギーを表2に示す。また、各AuxPdy-PVP保護ナノ粒子のXPSスペクトルを図5Aに、各AuxPdy-PVP保護ナノ粒子のAu 4f7/2由来の結合エネルギーとPd含有量との関係を図5Bに、それぞれ示す。
合成例1の方法で調製したAuxPdy-PVP/HT触媒組成物について、それぞれAu-L3端のX線吸収スペクトルによるX線吸収微細構造(XANES; SPring-8 BL01B1, Proposal No. 2011A1607)を測定し、Au 5d軌道の電子状態を観察した。図6AにAuxPdy-PVP/HT触媒組成物のAu L3-edge XANESスペクトルを示す。測定は、すべてイオンチェンバーを用いた透過法を使用した。図6Bに、それぞれのAuxPdy-PVP/HT触媒組成物のXANESスペクトルのホワイトライン近傍の面積(吸収端近傍の変曲点(E0;11921.74 eV)に対し、-10 eV < E0 < 13 eVの範囲のXANESスペクトル下の面積)をPd含有量に対してプロットした図を示す。この面積は、Au原子の2p軌道から5d軌道への電子遷移に由来し、この面積が少ないほど5d軌道が電子リッチな状態であることを意味する。図6Bに示すように、AuxPdy-PVP/HT触媒組成物の中でも、Pd含有量によりAu 5d軌道の電子密度に違いがあり、この場合は23.01〜 23.55 keV・cm-1の範囲であった。ここで、図6B横軸のPd含有量は、AuxPdy-PVP/HT触媒組成物を調製した際のパラジウムの仕込み量(mol%)である。
合成例1(金のイオン及びパラジウムのイオンの同時還元)とは異なる還元手順として、合成例5としてパラジウムのイオンを先に還元し、次いで金のイオンを連続的に還元する合成法(金のイオン及びパラジウムのイオンを別々に還元する)を例示する。ただし、本発明の技術的範囲はこの実施例に限定されるものではない。
合成例5の方法で調製した触媒組成物を、透過型電子顕微鏡(TEM; Hitachi H-7650(100kV), 京都先端ナノテク支援ネットワーク; No. 2011-JAIST-9および2011-JAIST-33)で観察し、それぞれの触媒組成物に含有されるAuxPdy-PVP保護ナノ粒子からおよそ500個の粒子を任意に選択して粒径を測定し、平均粒径を算出した。実施例の触媒組成物の組成式、及び触媒組成物に含有されるAuxPdy-PVP保護ナノ粒子の平均粒径を表3に示す。また、各触媒組成物のTEM画像を図7Aに、触媒組成物に含有されるAuxPdy-PVP保護ナノ粒子の粒径分布を図7Bに、それぞれ示す。
走査透過電子顕微鏡(STEM; 日本電子JEM-ARM200F (200kV)、京都先端ナノテク支援ネットワーク; No. 2011-JAIST-9及び2011-JAIST-33))を用いて、合成例1及び合成例5で調製したAu60Pd40-PVP保護ナノ粒子の走査透過電子顕微鏡像の高角散乱環状暗視野測定(STEM-HAADF)及び走査透過電子顕微鏡像のエネルギー分散形X線分光測定(STEM-EDS)を行った。図8AにSTEM-HAADF像、図8B及び図8CにSTEM-EDSのライン分析を行った粒子のSTEM-HAADF像とその結果をそれぞれ示す。
アルコールの酸化反応のモデル基質である1-フェニルエタノールを使用して、アルコールの酸化反応に対する比較例及び実施例の触媒組成物の触媒活性を測定した。
装置 :Shimadzu GC-2014
カラム :DB-FFAP(内径0.32 mm×カラム長300 mm;Agilent社製)
キャリアーガス:He
流速 :2.68 ml/分
温度 :100→250℃、昇温温度10℃/分
検出 :FID
ICP発光分析
装置 :Shimadzu ICPS-7000 Ver.2
測定波長:Au(242.795 nm)、Pd(340.458 nm)
実施例2の触媒組成物(Au60Pd40-PVP/HT)を用いて、1-フェニルエタノールの酸化反応におけるターンオーバー数(TON)及びターンオーバー頻度(TOF)を算出した。ここで、TONは、反応に使用した触媒組成物上に担持された金とパラジウムの原子数に対する、生成したアセトフェノンの分子数であり、TOFは、反応に使用した触媒組成物上に担持された金とパラジウムの原子数に対する、生成されるアセトフェノンの分子数の初速度(h-1)である。なお、反応に使用した触媒組成物上に担持された金とパラジウムの原子数とは、ICP測定により算出された貴金属の総モル数(Au + Pd)である。結果を表5に示す。
実施例2の触媒組成物(Au60Pd40-PVP/HT)を用いて、1-フェニルエタノールの酸化反応における触媒組成物の再使用能力を評価した。
1級アルコールであるベンジルアルコールを使用して、アルコールの酸化反応に対する比較例及び実施例の触媒組成物の触媒活性を測定した。
装置 :Shimadzu GC-2014
カラム :DB-FFAP(内径0.32 mm×カラム長300 mm;Agilent社製)
キャリアーガス:He
流速 :2.68 ml/分
温度 :100→250℃、昇温温度10℃/分
検出 :FID
実施例2の触媒組成物(Au60Pd40-PVP/HT)を用いて、ベンジルアルコールの酸化反応における触媒組成物の再使用能力を評価した。
種々の1級及び2級アルコールの酸化反応に対する実施例2の触媒組成物の触媒活性を測定した。
装置 :Shimadzu GC-2014
カラム :DB-FFAP(内径0.32 mm×カラム長300 mm;Agilent社製)
キャリアーガス:He
流速 :2.68 ml/分
温度 :100→250℃、昇温温度10℃/分
検出 :FID
合成例1において、塩化金酸の使用量x=0.0406 mmol、塩化パラジウムの使用量y=0.0188 mmol(ここで、x + y = 0.0594 mmol)に変更した他は、合成例1と同様の手順に従って、AuxPdy-PVP保護ナノ粒子を担持するハイドロタルサイトを含有する実施例9の触媒組成物(約0.9 g)を得た。
合成例8の方法で調製した実施例9の触媒組成物を、透過型電子顕微鏡(TEM; Hitachi H-7100(100kV))で観察し、それぞれの触媒組成物に含有されるAuxPdy-PVP保護ナノ粒子から269個の粒子を任意に選択して粒径を測定し、平均粒径を算出した。実施例9の触媒組成物のTEM画像を図13Aに、該触媒組成物に含有されるAuxPdy-PVP保護ナノ粒子の粒径分布を図13Bに、それぞれ示す。
合成例8の方法で調製した実施例9の触媒組成物を、酸で処理して金及びパラジウムを溶出させた。得られた溶出液中の金及びパラジウムイオンを高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分析により定量した。ICP発光分析の条件は以下の通りである。
装置 :Shimadzu ICPS-7000 Ver.2
測定波長:Au(242.795 nm)、Pd(340.458 nm)
ICP発光分析の結果、実施例9の触媒組成物の金属担持量は、Auが0.0369 mmol/gであり、Pdが0.0216 mmol/gであった。前記の結果より、実施例9の触媒組成物に含有されるAuxPdy-PVP保護ナノ粒子の組成式は、Au60Pd40-PVP/HTと決定された。
1,3-プロパンジオールの酸化反応に対する実施例9の触媒組成物の触媒活性を測定した。
装置 :Waters 515 HPLC Pump
カラム :Rspak KC-811(内径8 mm×カラム長300 mm;Shodex社製)
移動相 :0.1%リン酸水溶液
流速 :1.0 ml/分
温度 :50℃
検出 :RI
合成例8の方法で調製した実施例9の触媒組成物(AuxPdy-PVP/HT)を用いて、1,3-プロパンジオールの酸化反応における触媒組成物の再使用能力を評価した。
合成例8の方法で調製した実施例9の触媒組成物を用いて、アルドースのN-アシル誘導体であるN-アセチルグルコサミンの酸化反応に対する触媒組成物の触媒活性を測定した。
装置 :JASCO PU-980 HPLC Pump
カラム :Shodex Asahipak NH2P-50 4E
(内径4.6 mm×カラム長250 mm;Shodex社製)
移動相 :水
流速 :1.0 ml/分
温度 :30℃
検出 :RI
Claims (7)
- 金及びパラジウムを含む貴金属とポリビニルピロリドンとを含む高分子保護ナノ粒子と、該高分子保護ナノ粒子を担持するハイドロタルサイトを含む担体と、を含有し、該高分子保護ナノ粒子は、1〜5 nmの範囲の平均粒径を有する、アルコール化合物又はアルデヒド化合物の酸化反応用触媒組成物。
- 前記高分子保護ナノ粒子が、2.6〜3.1 nmの範囲の平均粒径を有する、請求項1のアルコール化合物又はアルデヒド化合物の酸化反応用触媒組成物。
- 前記高分子保護ナノ粒子が、金及びパラジウムが不規則に配置された合金構造を有する、請求項1又は2のアルコール化合物又はアルデヒド化合物の酸化反応用触媒組成物。
- 請求項1〜3のいずれか1項のアルコール化合物又はアルデヒド化合物の酸化反応用触媒組成物を製造する方法であって、
金のイオンとパラジウムのイオンとを、ポリビニルピロリドンの存在下でエチレングリコールによって還元して、金及びパラジウムを含む貴金属とポリビニルピロリドンとを含み、且つ1〜5 nmの範囲の平均粒径を有する高分子保護ナノ粒子を形成させる、高分子保護ナノ粒子形成工程;
前記高分子保護ナノ粒子とハイドロタルサイトを含む担体とを水中で接触させて、該高分子保護ナノ粒子を該担体に担持させる、触媒組成物形成工程;
を含む、前記方法。 - 高分子保護ナノ粒子形成工程において、金のイオンとパラジウムのイオンとを同時に還元して、金及びパラジウムが不規則に配置された合金構造を有する高分子保護ナノ粒子を形成させる、請求項4の方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項のアルコール化合物又はアルデヒド化合物の酸化反応用触媒組成物の存在下において、アルコール化合物の水酸基を酸化してカルボニル基に変換するアルコール酸化工程を含む、カルボニル化合物の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項のアルコール化合物又はアルデヒド化合物の酸化反応用触媒組成物の存在下において、アルデヒド化合物のアルデヒド基を酸化してカルボン酸基に変換するアルデヒド酸化工程を含む、カルボン酸化合物の製造方法。
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