緒言

二酸化炭素（CO2）は，固有の臨界温度（304 K）および臨界圧力（7.4 MPa）を超えると，超臨界二酸化炭素（scCO2）と呼ばれる相状態になる．scCO2は気体と液体の中間の物性値を持つため，固体触媒反応に対して反応媒体として使用すると，（1）高密度であるため反応物・生成物に対して高い溶解力・抽出力を発揮する，（2）熱伝達性が大きいので反応熱を効果的に除去する，（3）低粘性・高拡散性であるため触媒細孔内部における物質移動を促進する，などの利点がある1）．さらにscCO2の物性値は温度と圧力を変化させることにより，液体に近い状態から気体に近い状態まで連続的に変化させることができるため，反応に適した条件設定も可能である1）．このようにscCO2は，CO2が無毒，不燃性，安価，そして地球上に豊富に存在するということもあって，従来の有機溶媒の代替として活用できる理想的な反応媒体として期待されている．

CO2のイオン化ポテンシャル13.7 eV，電子親和力3.8 eVという値が示すようにCO2は本質的に求電子的である．このためCO2はLewis酸およびBronsted酸とはほとんど結合性相互作用しないが，塩基性物質とは速やかに反応し，安定なLewis酸−塩基錯体形成を通じてその塩基性を著しく低下させる．このためscCO2の使用はこれまで一部の酸触媒反応および中性の遷移金属触媒反応に限られ，scCO2中で強塩基触媒反応を行おうとする試みは全くされてこなかった．著者はグリーンケミストリーの観点から，今後汎用されると期待されるscCO2の反応媒体としての可能性をさらに広げることを目的として，scCO2中で機能する不均一系強塩基触媒の開発に挑んだ．その結果，メソポーラスアルミナおよび硫酸イオン含有メソポーラスアルミナが，酸性媒体であるscCO2中でも中和されることなく，強塩基触媒作用を示すことを見出した．

ここでは，著者がこれまでに得たscCO2中における不均一系塩基触媒作用に関する知見について概説する．

超臨界二酸化炭素中におけるTishchenko反応に有効な固体強塩基触媒の開発

Tishchenko反応は元来，アルミニウムアルコキシド触媒の影響下，アルデヒドの自己酸化還元反応により対応するエステルを与える反応であるが，高温排気処理で活性化した一部の固体強塩基触媒もTishchenko反応を促進することが知られている．

固体塩基触媒を用いるTishchenko反応の研究は分子間Tishchenko反応に限られていたが2），著者はアルカリ土類酸化物（MgO，CaO，およびSrO）およびアルミナ（Al2O3）がフタルアルデヒド（1）のフタリド（2）への分子内Tishchenko反応に対し，高活性を示すことを見出した3）．特に，Ca（OH）2を高真空下，873 Kで2 h前処理して得たCaOの活性は高く，このものを窒素雰囲気下，ベンゼン溶媒中，313 Kで1と反応させると15 minで2が定量的に生成する．表面塩基性の異なる固体塩基触媒間の活性比較，触媒の前処理温度依存性，溶媒効果，および赤外分光法による1の吸着状態の観測から，反応は強塩基点（表面酸化物イオン）および酸点（表面金属カチオン）の作用により，Cannizzaro型不均化反応とそれに続く吸着アルコキシド種，o-MOCH2C6H4CHO（Mは表面金属カチオン）内部におけるアルコキシド基のアルデヒド基への求核付加を経て進行することが示された．

1の分子内Tishchenko反応は強塩基点の作用により進行し，医薬品の分野で重要なフタリド骨格を与え，また誘電率の低いベンゼン溶媒中で円滑に進行するので，scCO2中で機能する強塩基触媒開発のための試行反応として最適である．そこでscCO2中におけるこの反応に対し，高活性を示す触媒の開発を試みた．その結果，規則性メソ細孔を持つアルミナの骨格内部に，電子求引性のSO42-を導入することで，scCO2中でも強塩基触媒作用を示す硫酸イオン含有メソポーラスアルミナ（mesoAl2O3/SO42-）の創製に成功した（図1）4）．この触媒表面の塩基点の平均強度は，従来の高純度アルミナ（JRC-ALO-4；g- + h-構造）と比べ，かなり弱いことが吸着ピロールを酸性プローブ分子として用いる赤外分光法5）により確認されたが，表面にはscCO2中でも機能する強塩基点が点在している．

scCO2中で1から2への反応を行ったところ，ベンゼン溶媒中で最高活性を示したCaOが瞬時に失活したのに対し，mesoAl2O3/SO42-は高収率で2を与えた（図1）．また，同じ反応条件下，Vaudry-Davis法により調製したメソポーラスアルミナ（mesoAl2O3；SO42-含有量，0 wt%）6）とSO42-を不純物として多く含むアルミナ（JRC-ALO-2；SO42-含有量，1.72 wt%；g- + h-構造）もmesoAl2O3/SO42-と比べると活性は低いものの，JRC-ALO-4（SO42-含有量，0 wt%）よりははるかに高い活性と長い寿命を示すことも見出した．

mesoAl2O3/SO42--scCO2系へ共溶媒としてテトラヒドロフラン（THF）を添加すると反応は著しく加速されたが，CH3OHやCH3CO2Hといったプロトン性溶媒の添加は著しい触媒活性の低下を引き起こした．特に弱いBronsted酸であるCH3OH（pKa = 15.5）が毒物質として作用した結果は，mesoAl2O3/SO42-の強塩基点がscCO2中でも機能し，Tishchenko反応を促進したことを明確に示している．

mesoAl2O3/SO42-の強塩基点が高密度のLewis酸性CO2中で中和されることなく生き延びた要因は，近傍Lewis酸点の作用による吸着CO2の非局在化機構によるものであると結論した（スキーム1）．

CO2-TPD法によるメソポーラスアルミナの表面塩基性キャラクタリゼーションおよびその超臨界二酸化炭素中におけるKnoevenagel反応に対する不均一系塩基触媒作用

mesoAl2O3の強塩基点は，代表的な固体塩基触媒であるアルカリ土類酸化物や従来から使用されている規則性細孔を持たないアルミナ（e.g., JRC-ALO-4）の強塩基点と比べ，scCO2中でも中和されにくいという特異な性質を持っていることを前項の研究で明らかにした．しかしながら，mesoAl2O3の塩基点の性質はまだほとんど解明されていない．そこで，mesoAl2O3の塩基点強度およびmesoAl2O3表面とCO2との相互作用を解明する目的で，CO2を酸性プローブ分子とするTPD（Temperature-Programmed Desorption）測定を行った7）．

TPDプロットの比較から，mesoAl2O3表面積当たりのCO2脱離量は，MgOやJRC-ALO-4と比べて圧倒的に少ないが（表面積当たりCO2脱離量序列：MgO >> JRC-ALO-4 > mesoAl2O3），mesoAl2O3は高温領域（ca. 1100 K）においてCO2の脱離ピークを持つことが分かった．これらの結果は，mesoAl2O3の塩基点の平均強度はMgOやJRC-ALO-4と比べて弱いが，表面にはCO2を強く吸着する強塩基点が点在していることを示している．著者は，このような強塩基点もBronsted酸性あるいはLewis酸性反応分子が接近してくると，スキーム1に示す機構によってCO2を容易に放出し，塩基触媒反応を促進すると考えている．実際，mesoAl2O3は強塩基点の作用により進行するTishchenko反応をscCO2中で円滑に促進するだけでなく，代表的な塩基触媒反応であるKnoevenagel反応もscCO2中で進行させることが見出された（図2）7）．Knoevenagel反応に対する活性序列は，MgO << JRC-ALO-4 < mesoAl2O3であり，CO2-TPDが示したCO2脱離量序列とは逆である．

以上の結果は，大部分の塩基点は弱くてCO2を強く吸着しないが，局所的には強塩基点が存在するような表面を持つ触媒が，scCO2中で高い塩基触媒活性を示すのであり，そのような触媒の一つがmesoAl2O3であることを示している．

結論および今後の展望

著者はグリーンケミストリーという見地から，理想的な反応媒体として注目されているscCO2が酸触媒反応や中性の遷移金属触媒反応のみならず，強塩基触媒反応に対しても使用できることを実証した．得られた知見の中で特に重要と考えられるものを以下に列挙する．

炭酸塩に変化しにくいアルミナの強塩基点は，scCO2中で失活しにくい傾向がある．Vaudry-Davis法により調製したメソポーラスアルミナは，従来から使用されている規則性細孔を持たないアルミナよりも塩基点の平均強度が弱く，それゆえCO2との親和性が低いが，局所的にscCO2中でも機能する強塩基点を持つ．

硫酸イオン，SO42-をアルミナの骨格内部に導入すると，scCO2中における強塩基点の耐性が向上する．SO42-源としてはAl2（SO4）3が最も優れており，規則性メソ細孔の有無に関係なく，SO42-が無い場合と比べ，強塩基点の耐性向上をもたらす．

これまでに述べてきた研究以外にも著者は，活性化したメソポーラスアルミナ表面へ金属ナトリウムを担持させ，メソポーラスアルミナ表面に超強塩基点を発現させることにも成功している．この超強塩基性物質，Na/mesoAl2O3，は工業的有用性の高い二重結合移行反応に対し，高活性および高選択性を示す．今後も，超臨界二酸化炭素媒体中での使用のみならず，従来の液相反応や気相反応での活用も視野に入れた，塩基性物質としてのメソポーラスアルミナおよび修飾メソポーラスアルミナの開発を続けていきたいと考えている．

図 1 scCO2中で機能する固体強塩基触媒，mesoAl2O3/SO42-とTishchenko反応結果．

スキーム 1 Lewis酸点の作用による塩基点からのCO2引き抜き機構．

図 2 固体塩基触媒によるscCO2中でのKnoevenagel反応．●，MgO；△，JRC-ALO-4；○，mesoAl2O3．

序

本論文は6章からなる。第1章は研究全般の緒言であり、超臨界二酸化炭素と固体塩基触媒の性質および実用例が記述されている。第2章ではTishchenko反応について概説した後、進行しにくいことで知られるフルフラールのTishchenko反応が、酸化カルシウムおよび酸化ストロンチウム触媒表面で円滑に進行するという発見が述べられている。また、第2章にはアルカリ土類酸化物およびg-アルミナ触媒が、芳香族1,2-ジアルデヒドの分子内Tishchenko反応を高速かつ選択的に促進した結果、およびそれらの詳細な触媒作用が記述されている。第3章には環境調和型反応媒体として注目されているが、Lewis酸性であるために強塩基触媒反応は行えないと考えられていた超臨界二酸化炭素中で、メソポーラスアルミナや硫酸イオンを骨格内部に含むg-アルミナが高い強塩基触媒作用を示すこと、およびメソポーラスアルミナの骨格内部に硫酸イオンを導入するとさらに強塩基触媒活性が向上するという発見が詳しい触媒作用とともに記述されている。第4章では第3章の発見に引き続き、メソポーラスアルミナが従来の規則性細孔を持たないg-アルミナよりも超臨界二酸化炭素中でより高い強塩基触媒活性を示す要因を、代表的な塩基触媒反応であるKnoevenagel反応および二酸化炭素を酸性プローブ分子として用いる昇温脱離測定の結果を通じて解明している。第5章にはナトリウム担持メソポーラスアルミナの創製、およびそのオレフィン二重結合移行に対する強塩基触媒作用が述べられている。最後の第6章では研究全般の結論および今後の展望が記述されている。

本研究で評価できる点は、（1） 既存の固体塩基触媒のTishchenko反応への適用性をさらに広げたこと、（2） 酸性媒体であるがゆえに、酸触媒反応・遷移金属触媒反応に限られて使用されてきた超臨界二酸化炭素媒体中でも機能する固体強塩基触媒を発見・創製し、それらの触媒が超臨界二酸化炭素中のTishchenko反応およびKnoevenagel反応を促進することを示したこと、（3） （2）の触媒が超臨界二酸化炭素中で強塩基触媒作用を示す要因を突き止めたこと、（4） 高分子量の副生物による、反応物・生成物の拡散を妨げる細孔閉塞が起こりにくいナトリウム担持メソポーラスアルミナを創製し、工業的に価値のあるオレフィンの二重結合移行に対し、高効率で強塩基触媒作用を示すことを実証したことである。

第1章では、現在までに公表されている文献を基に、超臨界二酸化炭素の物性値、超臨界二酸化炭素中における固体触媒反応の反応論（速度論・平衡論）、実験法、および実例について詳しく述べる一方で、固体塩基触媒の定義、利点、種類、表面性質、キャラクタリゼーション方法、および反応への実用例が詳しく解説されている。超臨界二酸化炭素中における不均一系触媒作用の研究がまだ広範に行われていないこと、および固体塩基触媒作用を調べる研究者の数が近年減少していることから、第1章の内容は，これらの研究分野の最新情報をまとめた総説として価値の高いものになっている。

第2章では、無溶媒条件下および汎用有機溶媒中における固体塩基触媒のTishchenko反応に対する高い適用性を実証した結果が述べられている。フルフラールはTishchenko反応を起こしにくい物質として知られており、フルフラールに対して高活性・高選択性を示す触媒の開発は、Tishchenko反応の研究において一つの課題となっていた。關祐威氏はそれまで開発されてきた触媒では、求核性の高い錯体触媒ほどより高い活性を示すことに着目し、強塩基性の固体触媒であるアルカリ土類酸化物の使用を試みた。その結果、酸化カルシウムおよび酸化ストロンチウムがフルフラールのTishchenko反応を高速で促進し、選択的にエステル生成物を与えることを発見した。同様の好結果は、従来の均一系錯体触媒では未だ実現されておらず、本結果は固体塩基触媒が有する独特の表面塩基性質がしばしば有機反応に対し、非常に有効に機能することを示す好例となっている。一方、關祐威氏はそれまでモノアルデヒドの分子間Tishchenko反応にのみ使用されていた固体塩基触媒を，ジアルデヒドの分子内Tishchenko反応にも適用し、フタルアルデヒドからフタリドが得られることを見出した。この反応に対しては、特に酸化カルシウムが適しており、40 ℃という温和な条件下、わずか15 minでフタルアルデヒドが完全に消失し、フタリドが100%の選択性で生成する。本法は、用いる試薬の毒性が低いこと、および触媒と生成物の分離が容易に行えることなどから、医薬品の分野で重要なフタリド誘導体の高効率的環境調和型合成法として今後、汎用されることが期待される。赤外分光法による反応中間体の観測と可能な反応中間体の量子力学計算による立体的・電子的性質の予測から、触媒活性種は二つのフタルアルデヒド分子間のCannizzaro型不均化反応で生成した還元生成物であることが明らかとなった。

第3章では、アルミナ、特に3 nm程度の規則性メソ細孔を持ち、少量の硫酸イオンを骨格内部に含むものが超臨界二酸化炭素中のTishchenko反応に対し、優れた強塩基触媒作用を示すという発見が記述されている。この発見は、Lewis酸性であるがゆえに、酸触媒反応・遷移金属触媒反応に限られて使用されてきた超臨界二酸化炭素媒体の溶媒としての可能性をさらに広げるものであり、近年有毒物質使用の低減を目指している環境調和型化学合成（グリーンケミストリー）の観点からもインパクトの高いものとなっている。ピロールを酸性プローブ分子として用いる赤外分光法の結果、および非常に弱いBronsted酸であるメタノールが毒物質として作用したことから、硫酸イオン含有メソポーラスアルミナの塩基点の大部分はかなり弱いが、表面には強塩基点も点在し、それらは超臨界二酸化炭素中でも機能しTishchenko反応を促進したと結論した。また、強塩基点が中和されずに生き延びられた要因として、隣接Lewis酸点（アルミニウム原子）により促進される二酸化炭素の表面拡散機構を提案し、多くの触媒研究者の興味を引くこととなった。

第4章では、代表的な塩基触媒反応であるKnoevenagel反応を試験反応に選び、二酸化炭素を酸性プローブ分子として用いる昇温脱離法（CO2-TPD）を駆使してメソポーラスアルミナ自身が、本質的に超臨界二酸化炭素中での使用に適した強塩基触媒であることをさらに実証した。超臨界二酸化炭素中のKnoevenagel反応に対する活性は、酸化マグネシウム＞規則性細孔を持たない従来のg-アルミナ＞メソポーラスアルミナの順に減少した．この序列はCO2-TPDの結果が示した各触媒の表面積当たりの二酸化炭素吸着量に相関している。CO2-TPDはまた、メソポーラスアルミナ表面の大部分の塩基点は不活性で塩基性をほとんど示さないが、メソポーラスアルミナ表面にはg-アルミナの最強塩基点よりもさらに強い塩基点が少量ながら存在することも示した。關祐威氏は、メソポーラスアルミナはg-アルミナよりも活性強塩基点密度が低く、そこへ強く吸着した二酸化炭素の周囲はより空間的に空いており、反応物吸着を促進する二酸化炭素の表面拡散が円滑に進行しやすい表面環境になっているという新たな見解を提案した。

第5章には、アジ化ナトリウムの熱分解により得られるナトリウムを、活性化したメソポーラスアルミナ表面へ担持させ、メソポーラスアルミナ本来の表面塩基性を向上させることに成功した結果が述べられている。得られたナトリウム担持メソポーラスアルミナは、担持前の規則性メソ細孔構造を維持しており、代表的な強塩基触媒反応で、かつ工業的にも利用価値の高いオレフィンの二重結合移行を低温でも円滑に促進することが示された。これまで工業プロセスで使用されてきた、主としてミクロ細孔からなるナトリウム担持アルミナと異なり、ナトリウム担持メソポーラスアルミナでは高分子量副生物による細孔閉塞が起こりにくいという利点がある。二重結合移行に対する活性は、ナトリウム担持メソポーラスアルミナよりも従来のナトリウム担持アルミナの方が高く、これはメソポーラスアルミナ自身の塩基点の平均強度が弱いためと考えられ、第4章で提案した見解を支持する結果となった。

結び

本論文中の第2章の一部は、服部英教授、田地川浩人博士、山田岳博士との共同研究、第5章の一部は池田真也氏との共同研究であるが、研究を主体となって遂行したのは關祐威氏であり、關氏の寄与が十分であると判断する。

よって本論文は博士（学術）の学位請求論文として合格と認められる。