[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. 有機合成化学協会誌2018年4月号:脱カルボニル型カップリング反…
  2. 大学入試のあれこれ ①
  3. 炭素をつなげる王道反応:アルドール反応 (5/最終回)
  4. ガラス器具を見積もりできるシステム導入:旭製作所
  5. 細胞を模倣したコンピューター制御可能なリアクター
  6. CO2を用いるアルキルハライドの遠隔位触媒的C-Hカルボキシル化…
  7. キッチン・ケミストリー
  8. 東大、京大入試の化学を調べてみた(有機編)

注目情報

ピックアップ記事

  1. ノルゾアンタミンの全合成
  2. クロスカップリング用Pd触媒 小ネタあれこれ
  3. 第57回有機金属若手の会 夏の学校
  4. 親子で楽しめる化学映像集 その1
  5. ナノクリスタルによるロタキサン~「モファキサン」の合成に成功~
  6. 累計100記事書きました
  7. 東大、京大入試の化学を調べてみた(有機編)
  8. 目指せ!! SciFinderマイスター
  9. 有機合成化学協会誌10月号:不飽和脂肪酸代謝産物・フタロシアニン・トリアジン・アルカロイド・有機結晶
  10. 櫛田 創 Soh Kushida

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

7th Compound Challengeが開催されます!【エントリー〆切:2026年03月02日】 集え、”腕に覚えあり”の合成化学者!!

メルク株式会社より全世界の合成化学者と競い合うイベント、7th Compound Challenge…

乙卯研究所【急募】 有機合成化学分野(研究テーマは自由)の研究員募集

乙卯研究所とは乙卯研究所は、1915年の設立以来、広く薬学の研究を行うことを主要事業とし、その研…

大森 建 Ken OHMORI

大森 建(おおもり けん, 1969年 02月 12日–)は、日本の有機合成化学者。東京科学大学(I…

西川俊夫 Toshio NISHIKAWA

西川俊夫(にしかわ としお、1962年6月1日-)は、日本の有機化学者である。名古屋大学大学院生命農…

市川聡 Satoshi ICHIKAWA

市川 聡(Satoshi Ichikawa, 1971年9月28日-)は、日本の有機化学者・創薬化学…

非侵襲で使えるpH計で水溶液中のpHを測ってみた!

今回は、知っているようで知らない、なんとなく分かっているようで実は測定が難しい pH計(pHセンサー…

有馬温泉で鉄イオン水溶液について学んできた【化学者が行く温泉巡りの旅】

有馬温泉の金泉は、塩化物濃度と鉄濃度が日本の温泉の中で最も高い温泉で、黄褐色を呈する温泉です。この記…

HPLCをPATツールに変換!オンラインHPLCシステム:DirectInject-LC

これまでの自動サンプリング技術多くの製薬・化学メーカーはその生産性向上のため、有…

MEDCHEM NEWS 34-4 号「新しいモダリティとして注目を浴びる分解創薬」

日本薬学会 医薬化学部会の部会誌 MEDCHEM NEWS より、新たにオープン…

圧力に依存して還元反応が進行!~シクロファン構造を活用した新機能~

第686回のスポットライトリサーチは、北海道大学大学院理学研究院化学部門 有機化学第一研究室(鈴木孝…

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