[スポンサーリンク]

スポットライトリサーチ

ウレタンを選択的に分解する触媒の開発―カルボニル基を保持してウレタンからホルムアミドとアルコールへ分解ー

[スポンサーリンク]

第624回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院工学系研究科(野崎研究室)修士1年の山田 悠斗さんにお願いしました。

今回ご紹介するのは、ウレタンの化学選択的水素化分解に関する研究です。Ir触媒を用いたウレタンからのホルムアミドとアルコールへの化学選択的水素化分解を報告されました。一般的なカルボニル基の求電子性と異なり、より反応性が高いアミドやエステルの存在下でもウレタンを選択的に水素化分解することを明らかにされています。また開発された触媒を用いて、汎用のポリウレタンフォームの水素化分解も実現されています。本研究は、J. Am. Chem. Soc. 誌 原著論文およびプレスリリースに公開されており、J. Am. Chem. Soc. 誌 Supplementary coverにも選ばれています。

Chemoselective Hydrogenolysis of Urethanes to Formamides and Alcohols in the Presence of More Electrophilic Carbonyl Compounds
Iwasaki, T.; Yamada, Y.; Naito, N.; Nozaki, K. J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 25562–25568. DOI: 10.1021/jacs.4c06553

研究を指導された岩﨑孝紀 准教授野崎京子 教授から、山田さんについて以下のコメントを頂いています。それでは今回もインタビューをお楽しみください!

岩﨑孝紀 准教授より

今回山田君が開発してくれたウレタンのホルムアミドとアルコールへの選択的水素化分解反応は、以前に報告したウレアの水素化分解[Nat. Commun. 2024]の大きな宿題の一つでした。

今回用いたイリジウム触媒に関連する研究としてカルボニル化合物の中で最も求電子性が低いとされるウレアのホルムアミドとアミンへの水素化分解とそれを利用したポリウレアの分解を行っていました。その中で、ウレアは水素化分解を受けるのに対してウレタンは全く水素化分解を受けないことを見出していました。NEDOの研究費の関係で研究成果を企業に紹介する機会が多くあったのですが、決まって「ウレアではなくてウレタンは切れませんか?」と質問されていました。生産量から考えるとポリウレタンのリサイクルに興味を持つ人が多いのは当然ですね。余談になりますが、ポリウレタンフォームと呼ばれているものはかなりの量のウレア結合を含んでいることをウレタンの水素化分解に取り組んでから知りました。

いずれにせよウレタンの水素化分解とそれをポリウレタンに応用するという明確な目標ができたタイミングで山田君が卒研生として配属され、この目標に取り組んでくれることになりました。共著者で1学年上の内藤君が学部卒業から留学までの3ヶ月ほどの間しっかりと実験テクニックを山田君に継承してくれたこともあって、院試前にはウレタンも分解できることを示してくれたことには感動しました。

院試明けから添加剤の効果(CsOt-Buの合成は金属セシウムを使わない安全な方法で合成しました)を明らかにして最適条件に辿り着いた後は、山田君の持ち前の圧倒的な実験スピードで基質展開、他のカルボニル化合物との化学選択性、ポリウレタンの分解まで一気に実験を進めてくれました。院試休みを除けば実質1年で論文投稿までこぎつけたのは山田君の努力の賜物だと思います。

Amazonで買ったポリウレタンやポリウレタンと他のポリマーの複合材料(簡単に言えば食器洗い用のスポンジです)が山田君のデスクに積まれていますが、これらも早晩分解してくれることと期待しています。

野崎京子 教授より

ポリウレタン原料の世界市場は新興国を中心に住宅や家具、衣類向けなどの用途の増加が見込まれ、2027年には2021年比24.9%増の2,899万トンが予測されています(富士経済プレスリリース第22088号より転載https://www.fuji-keizai.co.jp/press/detail.html?cid=22088&view_type=2&la=ja)。ケミカルリサイクルは喫緊の課題であり、加水分解によりジアミンとポリオールに分解する手法が多く検討されていますが、今回はアミンではなくホルムアミドで回収できたことが特徴です。ホルミル基は再重合に活かせる可能性があります。

岩﨑グループでウレアの加水素分解を初めて達成した柘植さん、そのあと触媒の改良に取り組んだ内藤さんら卒業生のあとを引き継いだ山田さんは、持ち前のセンスの良さを最大限に発揮して、ついにこのプロジェクトのラスボスを仕留めました。サイエンスから応用まで広い視点で研究を進められるのが彼の魅力です。

Q1. 今回プレスリリースとなったのはどんな研究ですか?簡単にご説明ください。

イリジウム触媒により、水素分子を用いてウレタンを選択的にホルムアミドとアルコールへ分解できることを明らかにしました。従来のウレタンの水素化分解ではアミン、メタノール、アルコールが得られるのに対し、本研究では一般的な化学選択性を触媒により覆し、ウレタンよりも反応性が高いとされているホルムアミドが生成物として得られる点が従来の例と対照的です。さらに、ウレタン結合は一般にエステルやアミドよりも反応しにくいことが知られていますが、本水素化分解ではエステルやアミドなどが混在してもウレタンを選択的に分解します。

さらに、本水素化分解はポリウレタンの分解へも応用が可能です。ポリウレタンはスポンジのような身の回りの物質から建築用断熱材にまで幅広く用いられている高分子材料ですが、ウレタン結合の安定性からそのケミカルリサイクルが困難だとされてきました。そうした背景の元、ポリウレタンのモデル分子に対して本触媒による水素化分解を試みたところ、ジホルムアミドとジオールが分解生成物として得られました。本研究は、ポリウレタンをジホルムアミドとジオールへ水素化分解した初めての例であり、これらの脱水素カップリング[1]と組み合わせると、ポリウレタンの水素分子の移動のみによるケミカルリサイクルへ応用できることが期待されます。さらに、本触媒を用いて、汎用ポリウレタンフォームの水素化分解も達成しました。そのため、ポリウレタンの新たなケミカルリサイクル手法としての工業的な応用が期待されます。

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

一般的なカルボニル化合物の化学選択性の逆転という科学的な側面と、ポリウレタンのケミカルリサイクルへの応用という工業的な側面の両方の点から俯瞰して研究を進めることができたことに面白さを感じています。解析にかなり苦労しましたが、実際のポリウレタンにもみられるような分子内にエステルを含むポリウレタンを反応させた際にエステルが損なわれずに分解できたことや、溶媒に浸していても溶けることがなかった汎用ポリウレタンフォームの分解の進行を実際に確認したときは、触媒の力の凄さを実感しました。

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか?またそれをどのように乗り越えましたか?

反応条件の最適化にはしばらくの時間を費やしました。ウレア水素化の触媒として研究室の先輩により開発された錯体と、CsOt-Buを用いた条件により、条件の最適化に成功しました。危険を伴いそうで自力での合成が困難だったCsOt-Buについて、岩﨑准教授に合成していただき、それを用いて高い活性を実現できたことは感慨深いです。また、イリジウム錯体を開発し、ウレアの水素化分解を発表した[2]研究室の先輩である柘植さん、内藤さんには感謝の気持ちでいっぱいです。

反応機構の具体的な解明には未だ苦戦しており、今後、反応機構の解明に向けてさらに取り組んでいきたいと思っています。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか?

ポリウレタンのリサイクルという社会の課題に挑む研究の経験を通じて、化学の力で持続可能な社会の実現に貢献できることを感じ、このような研究の面白さを実感したので、今後も有機化学を用いて社会課題の解決に携われるような研究を行いたいと思います。

Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

ここまで読んでいただきありがとうございました。ここには書ききれなかった内容もあるので興味を持っていただければ是非論文にも目を通していただけると幸いです。

最後に、本研究を遂行するにあたり野崎京子教授、岩﨑孝紀准教授をはじめ、多くの方々のご指導とご助力を賜わりました。この場を借りて御礼申し上げます。

研究者の略歴

名前:山田 悠斗やまだ ゆうと
所属:東京大学工学系研究科化学生命工学専攻 野崎研究室 修士1年
略歴:
2024年3月 東京大学工学部化学生命工学科 卒業
2024年4月〜現在 東京大学大学院工学系研究科化学生命工学専攻 在学

関連文献

  1. Futter, J.; Rieger, B. From CO2 to Polyurethanes: Catalytic Dehydrogenative Coupling of Diols and Diformamides as Isocyanate Surrogates. In Book of Abstracts; ACS Spring, 2024: New Orleans, LA; Paper M10.
  2. Iwasaki, T.; Tsuge, K.; Naito, N.; Nozaki, K. Chemoselectivity Change in Catalytic Hydrogenolysis Enabling Urea-Reduction to Formamide/Amine over More Reactive Carbonyl Compounds. Nat. Commun. 2023, 14, 3279. DOI: 10.1038/s41467-023-38997-2

hoda

投稿者の記事一覧

大学院生です。ケモインフォマティクス→触媒

関連記事

  1. つぶれにくく元にも戻せる多孔性結晶の開発
  2. ミツバチに付くダニに効く化学物質の研究開発のはなし
  3. 光分解性シアニン色素をADCのリンカーに組み込む
  4. 【ナード研究所】新卒採用情報(2027年卒)
  5. クレブス回路代謝物と水素でエネルギー炭素資源を創出
  6. 13族元素含有ベンゼンの合成と性質の解明
  7. キラル情報を保存したまま水に溶ける不斉結晶
  8. グラム陰性菌を爆沈!!Darobactin Aの全合成

注目情報

ピックアップ記事

  1. 首席随員に野依良治氏 5月の両陛下欧州訪問
  2. 第134回―「脳神経系の理解を進める分析化学」Jonathan Sweeder教授
  3. 二酸化セレン Selenium Dioxide
  4. 理研、放射性同位体アスタチンの大量製造法を開発
  5. 科学とは「未知への挑戦」–2019年度ロレアル-ユネスコ女性科学者日本奨励賞
  6. 1,3-ジチアン 1,3-Dithiane
  7. マイクロ波化学が挑むプラスチックのリサイクル
  8. ピナー ピリミジン合成 Pinner Pyrimidine Synthesis
  9. 化学企業のグローバル・トップ50が発表【2021年版】
  10. ノーベル賞の合理的予測はなぜ難しくなったのか?

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2024年8月
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031  

注目情報

最新記事

水分はどこにあるのか【プロセス化学者のつぶやき】

前回まで1. 設定温度と系内の実温度のお話2. 温度値をどう判断するか3. 反応操作をし…

「MI×データ科学」コース 〜LLM・自動実験・計算・画像とベイズ最適化ハンズオン〜

1 開講期間2026年5月26日(火)、29日(金) 計2日間2 コースのねらい、特色近…

材料の数理モデリング – マルチスケール材料シミュレーション –

材料の数理モデリング概要材料科学分野におけるシミュレーションを「マルチスケール」で理解するた…

第59回天然物化学談話会@宮崎(7/8~10)

ごあいさつ天然物化学談話会は、全国の天然物化学および有機合成化学を研究する大学生…

トッド・ハイスター Todd K. Hyster

トッド・カート・ハイスター(Todd Kurt Hyster、1985年10月10日–)はアメリカ出…

“最難関アリル化”を劇的に加速する固定化触媒の開発

第 703回のスポットライトリサーチは、横浜国立大学大学院 理工学府 博士課程前期で…

「ニューモダリティと有機合成化学」 第5回公開講演会

従来の低分子、抗体だけでなく、核酸、ペプチド、あるいはその複合体(例えばADC(抗体薬物複合体))、…

溶融する半導体配位高分子の開発に成功!~MOFの成形加工性の向上に期待~

第702回のスポットライトリサーチは、関西学院大学理学部(田中研究室)にて助教をされていた秋吉亮平 …

ミン・ユー・ガイ Ming-Yu Ngai

魏明宇(Ming-Yu Ngai、1981年X月XX日–)は米国の有機化学者である。米国パデュー大学…

第55回複素環化学討論会

複素環化学討論会は、「複素環の合成、反応、構造および物性」をテーマとして、化学・薬学・農芸化学など幅…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP