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JP4165653B2 - Alcohol oxidation solid catalyst and synthesis method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、アルコール酸化固体触媒、より詳細には、パラジウムが高濃度かつ高分散して担持されたメソポーラス炭素からなる固体触媒、およびその合成方法に関する。   The present invention relates to an alcohol oxidation solid catalyst, and more particularly to a solid catalyst composed of mesoporous carbon on which palladium is supported in a high concentration and high dispersion, and a synthesis method thereof.

アルコールのアルデヒドまたはケトンへの酸化反応は、有機合成において最も重要な反応の1つである。従来、これらの反応系では、クロム酸や二酸化マンガンなどの酸化剤を用いた量論反応により行われており、試薬の毒性や廃棄物の処理の点で問題を抱えている。そのため、安全でクリーンな分子状酸素を用いたアルコールの触媒酸化法の開発が望まれている。特に、分離、回収、および再利用が容易な固体触媒を利用した反応系の開発が重要な課題である。   The oxidation reaction of alcohol to aldehyde or ketone is one of the most important reactions in organic synthesis. Conventionally, these reaction systems have been carried out by a stoichiometric reaction using an oxidizing agent such as chromic acid or manganese dioxide, and have problems in terms of reagent toxicity and waste disposal. Therefore, it is desired to develop a catalytic oxidation method of alcohol using safe and clean molecular oxygen. In particular, the development of a reaction system using a solid catalyst that is easy to separate, recover and reuse is an important issue.

このような観点から、これまでに、金属酸化物担体に貴金属または水酸化物などを担持させた材料が、固体触媒として高い機能を有することが報告されている(非特許文献1および2)。   From such a viewpoint, it has been reported so far that a material in which a noble metal or hydroxide is supported on a metal oxide support has a high function as a solid catalyst (Non-patent Documents 1 and 2).

一方、固体触媒としては、パラジウム粒子を担持させた市販の炭素材料(Pd/C)や、パラジウムや白金−ルテニウムを活性炭に含浸法により担持させた金属触媒があるが、これらは、アルコール酸化反応についての検討はなされていない(非特許文献3および4)。   On the other hand, as the solid catalyst, there are a commercially available carbon material (Pd / C) in which palladium particles are supported, and a metal catalyst in which palladium or platinum-ruthenium is supported on activated carbon by an impregnation method. Has not been studied (Non-Patent Documents 3 and 4).

カーボンナノチューブに代表されるナノカーボン材料に関して、近年、様々な材料および合成法が研究されている。メソポーラスシリカをテンプレートとして合成されるメソポーラス炭素は、広い比表面積を有するため、水素吸蔵材料や吸着剤、電極材料、触媒担体などへの利用が期待されている(非特許文献5および6)。例えば、このようなメソポーラス炭素に含浸法により白金粒子を担持させた材料は、電極触媒として高い活性を有することが報告されている(非特許文献6)。しかし、そのアルコール酸化活性については全く検討されていない。
N. Mizunoら、Angew. Chem. Int. Ed.,23巻,4538-4541頁,2002年 K. Kanedaら、New. J. Chem.,27巻,324-328頁,2003年 佐々木智一ら、触媒,45巻,80-82頁,2003年 浅野真太郎および斉藤泰和、触媒,41巻,465-467頁,1999年 R. Ryooら、J. Phys. Chem. B.,37巻,7743-7746頁,1999年 S.H. Jooら、Nature,412巻,169-172頁,2001年
In recent years, various materials and synthesis methods have been studied for nanocarbon materials typified by carbon nanotubes. Since mesoporous carbon synthesized using mesoporous silica as a template has a wide specific surface area, it is expected to be used for hydrogen storage materials, adsorbents, electrode materials, catalyst carriers, and the like (Non-Patent Documents 5 and 6). For example, it has been reported that a material in which platinum particles are supported on such mesoporous carbon by an impregnation method has high activity as an electrode catalyst (Non-patent Document 6). However, the alcohol oxidation activity has not been studied at all.
N. Mizuno et al., Angew. Chem. Int. Ed., 23, 4538-4541, 2002 K. Kaneda et al., New. J. Chem., 27, 324-328, 2003 Tomoichi Sasaki et al., Catalyst, 45, 80-82, 2003 Shintaro Asano and Yasukazu Saito, Catalyst, 41, 465-467, 1999 R. Ryoo et al., J. Phys. Chem. B., 37, 7743-7746, 1999 SH Joo et al., Nature, 412, 169-172, 2001

本発明は、アルコール酸化反応に対して高い活性を有する固体触媒を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the solid catalyst which has high activity with respect to alcohol oxidation reaction.

本発明は、メソポーラス炭素にパラジウム粒子が担持されている複合材料を提供する。   The present invention provides a composite material in which palladium particles are supported on mesoporous carbon.

好適な実施態様では、上記複合材料は、メソポーラス炭素を強アルカリ水溶液に浸漬させた後、パラジウム化合物水溶液に浸漬し、さらに還元することによって得られる。   In a preferred embodiment, the composite material is obtained by immersing mesoporous carbon in a strong alkaline aqueous solution, then immersing in a palladium compound aqueous solution, and further reducing.

本発明はまた、上記の複合材料からなる、固体触媒を提供する。   The present invention also provides a solid catalyst comprising the above composite material.

本発明はさらに、固体触媒の製造方法を提供し、該方法は、
メソポーラス炭素を強アルカリ水溶液に浸漬する工程;
該アルカリ処理したメソポーラス炭素を、パラジウム化合物水溶液に浸漬する工程;および
該パラジウム化合物水溶液に還元剤を加えて、パラジウムを還元する工程;
を含む。
The present invention further provides a method for producing a solid catalyst, the method comprising:
Immersing mesoporous carbon in a strong alkaline aqueous solution;
Immersing the alkali-treated mesoporous carbon in an aqueous palladium compound solution; and adding a reducing agent to the aqueous palladium compound solution to reduce palladium;
including.

好適な実施態様では、上記強アルカリ水溶液のpHは、少なくとも14である。   In a preferred embodiment, the strong alkaline aqueous solution has a pH of at least 14.

より好適な実施態様では、上記パラジウム化合物水溶液への浸漬は、減圧下で行われる。   In a more preferred embodiment, the immersion in the palladium compound aqueous solution is performed under reduced pressure.

他の好適な実施態様では、上記パラジウム化合物は、塩化パラジウム酸ナトリウムである。   In another preferred embodiment, the palladium compound is sodium chloropalladate.

本発明はさらに、上記の複合材料または固体触媒を用いて、酸素雰囲気下でアルコールを酸化する工程を含む、アルコールの酸化方法を提供する。   The present invention further provides a method for oxidizing an alcohol, comprising the step of oxidizing the alcohol in an oxygen atmosphere using the composite material or the solid catalyst.

本発明によれば、アルコール酸化反応に対して高い活性を有するアルコール酸化固体触媒が提供される。この触媒は、反応後の回収が容易であり、そして再利用も可能である。また、本発明の方法によれば、本発明の固体触媒は、メソポーラス炭素とパラジウム化合物とを用いて、非常に容易に製造され得る。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the alcohol oxidation solid catalyst which has high activity with respect to alcohol oxidation reaction is provided. The catalyst is easy to recover after the reaction and can be reused. Further, according to the method of the present invention, the solid catalyst of the present invention can be produced very easily using mesoporous carbon and a palladium compound.

本明細書においてメソポーラス炭素とは、数nmから数十nmのレベルのほぼ均一かつ規則的な細孔を有する多孔性の炭素材料をいう。この炭素材料は、通常、粉末または顆粒の形態であることが好ましい。本発明において、メソポーラス炭素は、どのような手段によって得られたものでもよい。例えば、数nmから数十nmのレベルのほぼ均一かつ規則的な細孔を有するメソポーラスシリカをテンプレートとして合成してもよい(非特許文献5および6を参照のこと)。具体的には、まず、メソポーラスシリカを、炭素源となる物質(例えば、スクロース、フルフリルアルコール)に浸漬させる。次いで、炭素源物質が炭素に変換されるように適切な温度にて、好ましくは真空下または不活性ガス雰囲気下で加熱する。この加熱の際に、必要に応じて硫酸を触媒として用いる。最後に、テンプレートのシリカを、酸またはアルカリで溶解して除去することより、テンプレートのメソポーラスシリカの細孔が転写されたメソポーラス炭素が得られる。   In this specification, the mesoporous carbon refers to a porous carbon material having substantially uniform and regular pores at a level of several nm to several tens of nm. This carbon material is usually preferably in the form of powder or granules. In the present invention, the mesoporous carbon may be obtained by any means. For example, mesoporous silica having substantially uniform and regular pores at a level of several nanometers to several tens of nanometers may be synthesized as a template (see Non-Patent Documents 5 and 6). Specifically, first, mesoporous silica is immersed in a substance that becomes a carbon source (for example, sucrose or furfuryl alcohol). It is then heated at a suitable temperature such that the carbon source material is converted to carbon, preferably under vacuum or under an inert gas atmosphere. In this heating, sulfuric acid is used as a catalyst as necessary. Finally, the template silica is dissolved and removed with an acid or alkali to obtain mesoporous carbon to which the pores of the template mesoporous silica are transferred.

本発明の固体触媒は、このようなメソポーラス炭素にパラジウム粒子が担持されている複合材料からなる。この複合材料は、例えば、本発明の方法によって製造することができる。   The solid catalyst of the present invention is composed of a composite material in which palladium particles are supported on such mesoporous carbon. This composite material can be produced, for example, by the method of the present invention.

本発明の固体触媒となり得る複合材料の製造方法は、メソポーラス炭素を強アルカリ水溶液に浸漬する工程;該アルカリ処理したメソポーラス炭素を、パラジウム化合物水溶液に浸漬する工程;および該パラジウム化合物水溶液に還元剤を加えて、パラジウムを還元する工程を含む。以下、本発明の方法を、工程の順に詳細に説明する。   The method for producing a composite material that can be a solid catalyst of the present invention comprises a step of immersing mesoporous carbon in a strong alkaline aqueous solution; a step of immersing the alkali-treated mesoporous carbon in a palladium compound aqueous solution; and a reducing agent in the palladium compound aqueous solution. In addition, a step of reducing palladium is included. Hereinafter, the method of this invention is demonstrated in detail in order of a process.

まず、メソポーラス炭素を浸漬する工程において、強アルカリ水溶液は、通常、そのpHが少なくとも14である。強アルカリ水溶液の濃度は、0.1Mよりも高いほうがよく、0.5M以上、あるいは1M以上であってもよい。アルカリが弱いと、触媒活性が高い固体触媒が得られにくい。この強アルカリ水溶液へのメソポーラス炭素の浸漬時間は、通常少なくとも12時間、好ましくは少なくとも24時間、より好ましくは少なくとも48時間である。浸漬後、アルカリ浸漬したメソポーラス炭素は、濾過などによって回収され、蒸留水で洗浄した後、例えば、80℃で4時間乾燥させる。このようにして、アルカリで前処理したメソポーラス炭素が得られる。   First, in the step of immersing mesoporous carbon, the pH of a strong alkaline aqueous solution is usually at least 14. The concentration of the strong alkaline aqueous solution is preferably higher than 0.1M, and may be 0.5M or more, or 1M or more. If the alkali is weak, it is difficult to obtain a solid catalyst having high catalytic activity. The immersion time of the mesoporous carbon in the strong alkaline aqueous solution is usually at least 12 hours, preferably at least 24 hours, more preferably at least 48 hours. After soaking, the alkali-soaked mesoporous carbon is recovered by filtration or the like, washed with distilled water, and then dried at 80 ° C. for 4 hours, for example. In this way, mesoporous carbon pretreated with alkali is obtained.

次いで、アルカリ処理したメソポーラス炭素を、パラジウム化合物水溶液に懸濁させ、攪拌しながら浸漬する。ここで用いられるパラジウム化合物の種類は、特に限定されないが、2価のパラジウム化合物が好ましい。例えば、Na2PdCl4(塩化パラジウム酸ナトリウム)、K2PdCl4、Na2PdBr4、Na2Pd(SCN)4、[Pd(NH3)4]Cl2が挙げられる。入手が容易な点で、Na2PdCl4(塩化パラジウム酸ナトリウム)が好ましい。パラジウム化合物水溶液の濃度は、特に限定はないが、メソポーラス炭素に対するパラジウムの量が、通常0.5〜20wt%、好ましくは1〜10wt%、より好ましくは2〜5wt%である。浸漬は、減圧下であるいは不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。さらに、減圧下で行うことが特に好ましい。また、パラジウム化合物水溶液への浸漬時間は、通常少なくとも12時間、好ましくは少なくとも24時間、より好ましくは少なくとも48時間である。このようにして、メソポーラス炭素にパラジウム化合物を担持させる。 Next, the alkali-treated mesoporous carbon is suspended in an aqueous palladium compound solution and immersed while stirring. Although the kind of palladium compound used here is not specifically limited, A bivalent palladium compound is preferable. Examples thereof include Na 2 PdCl 4 (sodium chloropalladate), K 2 PdCl 4 , Na 2 PdBr 4 , Na 2 Pd (SCN) 4 , and [Pd (NH 3 ) 4 ] Cl 2 . Na 2 PdCl 4 (sodium chloropalladate) is preferable because it is easily available. The concentration of the palladium compound aqueous solution is not particularly limited, but the amount of palladium relative to mesoporous carbon is usually 0.5 to 20 wt%, preferably 1 to 10 wt%, more preferably 2 to 5 wt%. Immersion is preferably performed under reduced pressure or in an inert gas atmosphere. Furthermore, it is particularly preferable to carry out under reduced pressure. The immersion time in the palladium compound aqueous solution is usually at least 12 hours, preferably at least 24 hours, more preferably at least 48 hours. In this way, the palladium compound is supported on the mesoporous carbon.

次に、このメソポーラス炭素の懸濁液に還元剤を加えて、メソポーラス炭素に担持されているパラジウム化合物をパラジウムに還元する。還元剤としては、KBH4、NaBH4、LiAlH4、メタノール、エタノールなどが挙げられる。用いられる還元剤の量は、パラジウムのモル数に対して、通常1〜5倍、好ましくは2〜3倍である。これらの還元剤は、水溶液として添加されることが好ましい。パラジウム化合物の還元は、例えば、常温で30分間攪拌しながら行われる。還元反応終了後、メソポーラス炭素は、濾過などによって回収され、そして蒸留水で十分に洗浄して、可溶成分を除去する。次いで、例えば、80℃で4時間乾燥させる。このようにして、パラジウムを担持しているメソポーラス炭素が得られる。メソポーラス炭素に担持されるパラジウムの量は、通常、上記パラジウム化合物水溶液の濃度から化学量論的に決定され得る。 Next, a reducing agent is added to the suspension of mesoporous carbon to reduce the palladium compound supported on the mesoporous carbon to palladium. Examples of the reducing agent include KBH 4 , NaBH 4 , LiAlH 4 , methanol, ethanol and the like. The amount of the reducing agent used is usually 1 to 5 times, preferably 2 to 3 times the number of moles of palladium. These reducing agents are preferably added as an aqueous solution. The reduction of the palladium compound is performed with stirring for 30 minutes at room temperature, for example. After completion of the reduction reaction, the mesoporous carbon is recovered by filtration or the like, and thoroughly washed with distilled water to remove soluble components. Next, for example, it is dried at 80 ° C. for 4 hours. In this way, mesoporous carbon carrying palladium is obtained. The amount of palladium supported on mesoporous carbon can usually be determined stoichiometrically from the concentration of the palladium compound aqueous solution.

得られたパラジウム担持メソポーラス炭素については、透過電子顕微鏡(TEM)により、メソポーラス炭素に担持されているパラジウムの分散状態を観察することができる。通常、パラジウムは、主としてメソポーラス炭素の細孔の入口付近または外表面に、粒子として分散して担持されている。また、担持されているパラジウム粒子の粒子径は、X線回折(XRD)により測定できる。パラジウム粒子の結晶子径は、5〜30nm程度である。   About the obtained palladium carrying | support mesoporous carbon, the dispersion state of the palladium carry | supported by the mesoporous carbon can be observed with a transmission electron microscope (TEM). Usually, palladium is dispersed and supported as particles mainly near the entrance of the pores of the mesoporous carbon or on the outer surface. The particle diameter of the supported palladium particles can be measured by X-ray diffraction (XRD). The crystallite diameter of the palladium particles is about 5 to 30 nm.

メソポーラス炭素にパラジウム粒子が担持されている本発明の複合材料は、アルコール酸化反応の触媒活性を有する。そのため、アルコール酸化反応において固体触媒として使用され得る。特に、本発明の固体触媒は、アルコール酸化におけるアルデヒドまたはケトンの生成の選択率(すなわち、反応生成物中のアルデヒドまたはケトンの割合)が比較的高い。   The composite material of the present invention in which palladium particles are supported on mesoporous carbon has catalytic activity for alcohol oxidation reaction. Therefore, it can be used as a solid catalyst in an alcohol oxidation reaction. In particular, the solid catalyst of the present invention has a relatively high selectivity for the production of aldehydes or ketones in alcohol oxidation (ie, the proportion of aldehydes or ketones in the reaction product).

したがって、本発明によれば、この固体触媒を用いて、酸素雰囲気下でアルコールを酸化する工程を含む、アルコールの酸化方法も提供される。   Therefore, according to this invention, the oxidation method of alcohol including the process of oxidizing alcohol in oxygen atmosphere using this solid catalyst is also provided.

酸化に供するアルコールの種類は、1級または2級アルコールであれば、特に限定されない。本発明の固体触媒は、芳香族アルコール、およびアルコール性水酸基がついている炭素の隣に二重結合を有する不飽和アルコールに対して、特に高い活性を示す。芳香族アルコールとしては、例えば、ベンジルアルコール、シンナミルアルコール、p-アニスアルコール、p-メチルベンジルアルコール、o-メチルベンジルアルコールなどが挙げられる。芳香族アルコールについては、アルコール性水酸基を有する置換基のメタ位もしくはパラ位に電子供与基(例えば、メチル基、メトキシ基)を有するアルコールに対して、高い活性を示す。一方、後者の不飽和アルコールとしては、2-ヘキセン-1-オール、2-シクロヘキセン-1-オールなどが挙げられる。   The kind of alcohol used for oxidation is not particularly limited as long as it is a primary or secondary alcohol. The solid catalyst of the present invention exhibits particularly high activity for an aromatic alcohol and an unsaturated alcohol having a double bond next to carbon having an alcoholic hydroxyl group. Examples of the aromatic alcohol include benzyl alcohol, cinnamyl alcohol, p-anis alcohol, p-methylbenzyl alcohol, o-methylbenzyl alcohol and the like. About aromatic alcohol, it shows high activity with respect to alcohol which has an electron donating group (for example, methyl group, methoxy group) in the meta position or para position of the substituent which has alcoholic hydroxyl group. On the other hand, examples of the unsaturated alcohol include 2-hexen-1-ol and 2-cyclohexen-1-ol.

酸化反応の基質となるアルコール1.5mmolに対して、本発明の固体触媒は、好ましくは1〜50μmol、より好ましくは3〜10μmolの割合で用いられる。   The solid catalyst of the present invention is preferably used in a ratio of 1 to 50 μmol, more preferably 3 to 10 μmol, relative to 1.5 mmol of alcohol serving as a substrate for the oxidation reaction.

この酸化反応は、具体的には、適切な有機溶媒中で行われる。用いられ得る有機溶媒は、基質のアルコールの種類に応じて適宜決定され得る。有機溶媒としては、例えば、1,4-ジオキサン、トルエン、ヘプタンが挙げられる。反応は、通常、酸素雰囲気下で、80℃にて4時間攪拌しながら行われる。   Specifically, this oxidation reaction is performed in a suitable organic solvent. The organic solvent that can be used can be appropriately determined according to the type of alcohol of the substrate. Examples of the organic solvent include 1,4-dioxane, toluene, and heptane. The reaction is usually performed in an oxygen atmosphere with stirring at 80 ° C. for 4 hours.

このようにしてアルコールが酸化されて、対応するアルデヒドに転化される。生成したアルデヒドまたはケトンは、適切な手段によって回収され、そして、例えば、精製されるか、あるいはさらに次の反応(例えば、カルボン酸への酸化)に供され得る。   In this way, the alcohol is oxidized and converted to the corresponding aldehyde. The resulting aldehyde or ketone can be recovered by appropriate means and purified, for example, or subjected to further reaction (eg, oxidation to carboxylic acid).

一方、反応液中の本発明の触媒は、濾過などによって容易に回収され得る。回収した使用後の固体触媒は、洗浄した後、新たな酸化反応の触媒として使用することが可能である。本発明の固体触媒は、再使用した場合においても、触媒活性はほとんど低下しない。したがって、資源の無駄な消費を避け得る点で、ならびにコストの点でも、本発明の固体触媒は、非常に有用である。   On the other hand, the catalyst of the present invention in the reaction solution can be easily recovered by filtration or the like. The recovered solid catalyst after use can be used as a catalyst for a new oxidation reaction after washing. Even when the solid catalyst of the present invention is reused, the catalytic activity is hardly lowered. Therefore, the solid catalyst of the present invention is very useful in that wasteful consumption of resources can be avoided and also in terms of cost.

(合成例1:メソポーラスシリカ(SBA-15)の合成)
0.9Nの塩酸水溶液125mLに両親媒性界面活性剤P123(BASF製)6.9gを加えて溶解し、さらにテトラエチルオルトシリケート(TEOS、アルドリッチ製)14.8gを加え、35℃にて24時間攪拌した。得られた白濁液を、テフロン(登録商標)製の容器に入れ、100℃にて48時間水熱合成した。得られた結晶を濾過し、蒸留水で洗浄した後、550℃にて6時間焼成することにより界面活性剤を除去して、メソポーラスシリカ(SBA-15)4.5gを得た。
(Synthesis Example 1: Synthesis of mesoporous silica (SBA-15))
6.9 g of amphiphilic surfactant P123 (manufactured by BASF) was added to 125 mL of 0.9N hydrochloric acid aqueous solution and dissolved, and 14.8 g of tetraethylorthosilicate (TEOS, manufactured by Aldrich) was further added, followed by stirring at 35 ° C. for 24 hours. The obtained cloudy liquid was put into a Teflon (registered trademark) container and hydrothermally synthesized at 100 ° C. for 48 hours. The obtained crystals were filtered, washed with distilled water, and then fired at 550 ° C. for 6 hours to remove the surfactant and obtain 4.5 g of mesoporous silica (SBA-15).

得られたSBA-15について、X線回折(XRD)を測定した。Philips XP1600によって求めたXRDパターンを、図1に示す。また、窒素の吸着等温線を図2に、およびこの吸着等温線を解析することによって得られる物性値を表1にまとめて示す。   X-ray diffraction (XRD) of the obtained SBA-15 was measured. The XRD pattern obtained by Philips XP1600 is shown in FIG. Moreover, the adsorption isotherm of nitrogen is shown in FIG. 2, and the physical property values obtained by analyzing the adsorption isotherm are summarized in Table 1.

Figure 0004165653
Figure 0004165653

図2の吸着等温線では、吸着側と脱着側とにヒステリシスループを呈しており、メソ孔の存在が明らかである。表1に示すように、SBA-15は、約66Åのサイズの揃ったメソ孔を主に有し、その表面積は673m2/gであった。 In the adsorption isotherm of FIG. 2, a hysteresis loop is exhibited on the adsorption side and the desorption side, and the presence of mesopores is clear. As shown in Table 1, SBA-15 mainly had mesopores of about 66 mm in size, and its surface area was 673 m 2 / g.

(合成例2:メソポーラス炭素(CMK-3)の合成)
上記合成例1で得たSBA-15をテンプレートとしてスクロースを炭素源に用いて、メソポーラス炭素(CMK-3)を以下のように合成した。まず、スクロース5gを0.28Nの硫酸水溶液20.6mLに溶解し、SBA-15 4gを浸漬させ、100℃にて6時間、次いで160℃にて6時間加熱して、黒色物質を得た。この物質を、乳鉢で粉末状になるまで粉砕した後、再度スクロース3.2gを溶解した0.19Nの硫酸水溶液20.4mLに浸漬させ、100℃にて6時間、次いで160℃にて6時間加熱した。得られた黒色物質を乳鉢で粉末状にした後、この粉末を真空中で900℃にて3時間焼成した。焼成物を10vol%フッ化水素水溶液で2回洗浄することによって、メソポーラス炭素(CMK-3)2gを得た。
(Synthesis Example 2: Synthesis of mesoporous carbon (CMK-3))
Using SBA-15 obtained in Synthesis Example 1 as a template and sucrose as a carbon source, mesoporous carbon (CMK-3) was synthesized as follows. First, 5 g of sucrose was dissolved in 20.6 mL of 0.28N sulfuric acid aqueous solution, 4 g of SBA-15 was immersed, and heated at 100 ° C. for 6 hours and then at 160 ° C. for 6 hours to obtain a black substance. This material was pulverized in a mortar until powdered, then dipped again in 20.4 mL of a 0.19N aqueous sulfuric acid solution containing 3.2 g of sucrose, and heated at 100 ° C. for 6 hours and then at 160 ° C. for 6 hours. The obtained black material was powdered with a mortar, and then this powder was baked in a vacuum at 900 ° C. for 3 hours. The fired product was washed twice with a 10 vol% hydrogen fluoride aqueous solution to obtain 2 g of mesoporous carbon (CMK-3).

得られたCMK-3について、X線回折(XRD)を測定した。Philips XP1600によって求めたXRDパターンを図1に、SBA-15のパターンとともに示す。また、窒素吸脱着についても測定した。窒素の吸着等温線を図3に、およびこの吸着等温線を解析することによって得られる物性値を表2にまとめて示す。   X-ray diffraction (XRD) of the obtained CMK-3 was measured. The XRD pattern obtained by Philips XP1600 is shown in FIG. 1 together with the SBA-15 pattern. Further, nitrogen adsorption / desorption was also measured. The adsorption isotherm of nitrogen is shown in FIG. 3, and the physical property values obtained by analyzing the adsorption isotherm are summarized in Table 2.

Figure 0004165653
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図3の吸着等温線では、SBA-15に比べて幅の広いヒステリシスループが見られ、幅のある細孔径分布を有することがわかる。これは、シリカを炭素に置換する際、あるいは炭素を熱処理する際に、構造の収縮などにより規則性に変化が生じたと思われる。これは、XRDパターンの解析線強度の減少にも現れている。表2にまとめたように、CMK-3は、約33Åのメソ孔を有し、その表面積は1007m2/gであった。また、CMK-3の透過電子顕微鏡(TEM)写真を図4(a)に示す。TEM観察から、CMK-3には、SBA-15の筒状構造を写し取った筒状構造が見られた。 In the adsorption isotherm of FIG. 3, a broad hysteresis loop is seen compared to SBA-15, and it can be seen that it has a wide pore size distribution. This is considered to be caused by a change in regularity due to the shrinkage of the structure when the silica is replaced with carbon or when the carbon is heat-treated. This also appears in the decrease of the analytical line intensity of the XRD pattern. As summarized in Table 2, CMK-3 had about 33 メ mesopores and had a surface area of 1007 m 2 / g. Further, a transmission electron microscope (TEM) photograph of CMK-3 is shown in FIG. From the TEM observation, CMK-3 showed a cylindrical structure that copied the cylindrical structure of SBA-15.

(実施例1:パラジウム担持メソポーラス炭素(Pd/CMK-3)の合成)
上記合成例2で得たCMK-3を、1NのNaOH水溶液中に24時間浸漬した後、濾過し、そして蒸留水で洗浄し、80℃で乾燥させて前処理した。前処理したCMK-3を、担体に対するパラジウムの量が5wt%となる量のNa2PdCl4を溶解した水溶液に懸濁し、アルゴン雰囲気中で2日間攪拌した。次いで、この懸濁液にパラジウムのモル数に対して2.4倍の重量のKBH4を含むKBH4水溶液を加えて、室温にて1時間攪拌し、濾過し、そして蒸留水で洗浄して、Pd/CMK-3を得た。
(Example 1: Synthesis of palladium-supported mesoporous carbon (Pd / CMK-3))
CMK-3 obtained in Synthesis Example 2 was immersed in 1N NaOH aqueous solution for 24 hours, filtered, washed with distilled water, dried at 80 ° C., and pretreated. The pretreated CMK-3 was suspended in an aqueous solution in which Na 2 PdCl 4 was dissolved in an amount such that the amount of palladium relative to the support was 5 wt%, and stirred in an argon atmosphere for 2 days. Then added KBH 4 aqueous solution containing KBH 4 2.4 times the weight with respect to the number of moles of palladium to the suspension, washed with stirring at room temperature for 1 hour, filtered, and distilled water, Pd I got / CMK-3.

Pd/CMK-3の透過電子顕微鏡(TEM)写真を図4(b)に示す。パラジウムは、CMK-3上に非常に高分散して存在していた。   A transmission electron microscope (TEM) photograph of Pd / CMK-3 is shown in FIG. Palladium was present in very high dispersion on CMK-3.

(実施例2:アルコール酸化反応における触媒活性の検討)
1,4-ジオキサン5mLに、上記実施例1で得たPd/CMK-3を10mg(Pd量として4.7μmol)およびベンジルアルコールを0.12mL(1.5mmol)を加え、酸素雰囲気下で80℃にて4時間攪拌して反応させた。反応終了後、残存するベンジルアルコールおよび生成したベンズアルデヒドの量を、ガスクロマトグラフィーにて測定した(カラム:DB−5(J&W製);カラム温度:170℃;キャリアガス:ヘリウム;検出器:22D)。また、比較のために、市販の2種類の5wt%パラジウムカーボン(Pd/C:ナカライテスク製およびWako製)についてもそれぞれ10mgずつ用いて、Pd/CMK-3の場合と同様に反応を行った。結果を、表3に示す。なお、表中の転化率とは、反応によって消費された基質の割合を示し、そして選択率とは、反応生成物中のアルデヒドの割合を示す。
(Example 2: Examination of catalytic activity in alcohol oxidation reaction)
To 5 mL of 1,4-dioxane, 10 mg (4.7 μmol as the amount of Pd) of Pd / CMK-3 obtained in Example 1 and 0.12 mL (1.5 mmol) of benzyl alcohol were added, and at 80 ° C. in an oxygen atmosphere. The reaction was stirred for 4 hours. After completion of the reaction, the amount of residual benzyl alcohol and produced benzaldehyde was measured by gas chromatography (column: DB-5 (manufactured by J &W); column temperature: 170 ° C .; carrier gas: helium; detector: 22D). . In addition, for comparison, two commercially available 5 wt% palladium carbons (Pd / C: manufactured by Nacalai Tesque and Wako) were used in an amount of 10 mg each, and the reaction was performed in the same manner as in the case of Pd / CMK-3. . The results are shown in Table 3. The conversion rate in the table indicates the ratio of the substrate consumed by the reaction, and the selectivity indicates the ratio of the aldehyde in the reaction product.

Figure 0004165653
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Pd/CMK-3の場合は、4時間の反応時間で、ベンジルアルコールからベンズアルデヒドへほぼ100%転化していた。これに対し、市販のPd/Cでは、ほとんど反応していなかった。このことから、Pd/CMK-3は、ベンジルアルコールの酸化反応において、市販のPd/C触媒よりも非常に高い活性を示すことがわかった。   In the case of Pd / CMK-3, almost 100% conversion from benzyl alcohol to benzaldehyde was achieved in a reaction time of 4 hours. In contrast, commercially available Pd / C hardly reacted. From this, it was found that Pd / CMK-3 shows much higher activity than the commercially available Pd / C catalyst in the oxidation reaction of benzyl alcohol.

(実施例3:アルコール酸化反応における触媒の担体の種類の影響)
触媒の担体として、CMK-3の代わりに活性炭(Wako製)を用いて、上記合成例2に記載のように処理して、パラジウム担持活性炭(Pd/AC)を合成した。Pd/CMK-3およびPd/ACをそれぞれ10mgずつ用いて、上記実施例2と同様の反応条件下で2時間反応させた。結果を表4に示す。
(Example 3: Influence of catalyst carrier type in alcohol oxidation reaction)
Using activated carbon (manufactured by Wako) instead of CMK-3 as a catalyst support, treatment was performed as described in Synthesis Example 2 to synthesize palladium-supported activated carbon (Pd / AC). Using 10 mg each of Pd / CMK-3 and Pd / AC, the reaction was carried out for 2 hours under the same reaction conditions as in Example 2 above. The results are shown in Table 4.

Figure 0004165653
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合成したPd/ACは、市販のPd/Cよりも反応が進んでいるが、Pd/CMK-3よりもかなり低い転化率であった。同じ手順でPdを担持させたにもかかわらず、触媒活性にこのような大きな差がみられたことから、担体の構造が、Pdの担持のされ方に影響していると思われる。   The synthesized Pd / AC was more reactive than the commercially available Pd / C, but the conversion was considerably lower than that of Pd / CMK-3. Despite the fact that Pd was supported by the same procedure, such a large difference was observed in the catalytic activity. Therefore, it seems that the structure of the support influences how Pd is supported.

そこで、担体が異なる3種類の触媒、すなわち、Pd/CMK-3、Pd/AC、およびPd/C(Wako製)についてXRDを測定した。これらのXRDパターンを図5にまとめて示す。いずれの触媒においても、Pdは0価の状態で担体上に存在していることが確認された。40°付近のメインピークの半値幅から求めたPdの結晶子径は、Pd/AC<Pd/C<Pd/CMK-3の順に大きくなっており、結晶子径と触媒活性との相関関係は見られなかった。なお、図5のピーク上の黒丸は、0価のPdのピークを示す。   Therefore, XRD was measured for three types of catalysts having different supports, that is, Pd / CMK-3, Pd / AC, and Pd / C (manufactured by Wako). These XRD patterns are summarized in FIG. In any of the catalysts, it was confirmed that Pd was present on the support in a zero-valent state. The crystallite diameter of Pd obtained from the half width of the main peak near 40 ° increases in the order of Pd / AC <Pd / C <Pd / CMK-3, and the correlation between the crystallite diameter and catalyst activity is I couldn't see it. The black circles on the peaks in FIG. 5 indicate zero-valent Pd peaks.

(実施例4:Pd/CMK-3合成におけるパラジウム量の影響)
担体に対するパラジウムの量が1wt%、2.5wt%、および5wt%のNa2PdCl4水溶液を用いて、実施例1と同様の操作を行って、それぞれ1wt%Pd/CMK-3、2.5wt%Pd/CMK-3、および5wt%Pd/CMK-3を合成した。なお、5wt%Pd/CMK-3は、実施例1で合成した触媒と同じである。合成に用いたPd量に基づいて酸化反応に用いるPd量が同じになるように、それぞれ1wt%Pd/CMK-3を50mg、2.5wt%Pd/CMK-3を20mg、および5wt%Pd/CMK-3を10mg用いて、実施例2と同様の反応条件でベンジルアルコールの酸化反応を行い、経時的にベンジルアルコールの残存量およびベンズアルデヒドの生成量を測定した。結果をそれぞれ図6〜8に示す。
(Example 4: Effect of palladium amount in Pd / CMK-3 synthesis)
The same operation as in Example 1 was carried out using Na 2 PdCl 4 aqueous solution with the amount of palladium of 1 wt%, 2.5 wt%, and 5 wt% relative to the carrier, and 1 wt% Pd / CMK-3, 2.5 wt% Pd, respectively. / CMK-3 and 5 wt% Pd / CMK-3 were synthesized. Incidentally, 5 wt% Pd / CMK-3 is the same as the catalyst synthesized in Example 1. 1 wt% Pd / CMK-3 is 50 mg, 2.5 wt% Pd / CMK-3 is 20 mg, and 5 wt% Pd / CMK so that the amount of Pd used in the oxidation reaction is the same based on the amount of Pd used in the synthesis. Oxidation reaction of benzyl alcohol was carried out under the same reaction conditions as in Example 2 using 10 mg of -3, and the residual amount of benzyl alcohol and the amount of benzaldehyde produced were measured over time. The results are shown in FIGS.

いずれの触媒を用いた場合も、ベンジルアルコールからベンズアルデヒドへの転化率は3時間で90%を超え、4時間でほぼ完全に転化していた。より薄いPd塩を触媒合成に用いた場合の方が、CMK-3上により小さなPd粒子として担持されて触媒活性が高くなると予想されたが、3種の触媒間では活性に差が見られなかった。したがって、Pdの担持のされ方には大きな差がないことがわかった。   When any catalyst was used, the conversion rate from benzyl alcohol to benzaldehyde exceeded 90% in 3 hours and was almost completely converted in 4 hours. When the thinner Pd salt was used for the catalyst synthesis, it was expected that the catalyst activity would be increased by being supported as smaller Pd particles on CMK-3, but there was no difference in activity among the three types of catalysts. It was. Therefore, it was found that there is no significant difference in the way Pd is supported.

そこで、5wt%Pd/CMK-3上に担持されているパラジウムの様子を、TEMにより、さらに詳細に観察したところ、平均約20nmのパラジウム粒子が、主に外表面に高分散担持されていることが確認された(図9)。   Therefore, when the state of palladium supported on 5 wt% Pd / CMK-3 was observed in more detail by TEM, palladium particles having an average of about 20 nm were mainly supported in a highly dispersed manner on the outer surface. Was confirmed (FIG. 9).

(実施例5:CMK-3の合成条件の検討)
パラジウムの分散性を向上させる目的で、実施例1においてアルゴン雰囲気の代わりに減圧下で、Pd/CMK-3の合成を行った。減圧下で得られたPd/CMK-3を、以下、Pd/CMK-3(脱気処理)と記載する。これについて、XRDおよびベンジルアルコール酸化活性を測定した。なお、反応時間は1時間とした。XRDパターンを図10に、およびベンジルアルコール酸化反応の結果を表5に示す。
(Example 5: Examination of CMK-3 synthesis conditions)
In order to improve the dispersibility of palladium, Pd / CMK-3 was synthesized under reduced pressure instead of argon atmosphere in Example 1. Hereinafter, Pd / CMK-3 obtained under reduced pressure is referred to as Pd / CMK-3 (degassing treatment). About this, XRD and the benzyl alcohol oxidation activity were measured. The reaction time was 1 hour. FIG. 10 shows the XRD pattern, and Table 5 shows the results of the benzyl alcohol oxidation reaction.

Figure 0004165653
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減圧下で合成した場合(脱気処理)は、図10のPdのピークの裾がブロードになっており、Ar雰囲気下で合成した場合よりもPdがより小さい微粒子の状態で担持されていると思われる。また、表5からわかるように、Pd/CMK-3(脱気処理)はベンジルアルコールの酸化反応において1時間の反応で70%もの転化率を示し、Ar雰囲気下で合成したものよりも高い活性であった。   When synthesized under reduced pressure (degassing treatment), the tail of the peak of Pd in FIG. 10 is broad, and it is supported in the state of fine particles having a smaller Pd than when synthesized under an Ar atmosphere. Seem. In addition, as can be seen from Table 5, Pd / CMK-3 (degassing treatment) showed a conversion rate of 70% in the reaction of benzyl alcohol for 1 hour and higher activity than that synthesized under Ar atmosphere. Met.

(実施例6:基質特異性の検討)
以下の表6に示す種々の基質1.5mmolについて、上記実施例5で合成した5wt%Pd/CMK-3(脱気処理)および比較として市販の5wt%Pd/C(Wako製)をそれぞれ10mgずつ用いて、上記実施例2と同様に、1,4-ジオキサン5mL中、酸素雰囲気下で80℃にて4時間攪拌して反応させた。反応終了後、残存するアルコールおよび生成したアルデヒドの量をそれぞれ測定した。
(Example 6: Examination of substrate specificity)
About 1.5 mmol of various substrates shown in Table 6 below, 10 mg each of 5 wt% Pd / CMK-3 (degassing treatment) synthesized in Example 5 and a commercially available 5 wt% Pd / C (manufactured by Wako) as a comparison. In the same manner as in Example 2 above, the mixture was reacted in 5 mL of 1,4-dioxane by stirring at 80 ° C. for 4 hours in an oxygen atmosphere. After the completion of the reaction, the remaining alcohol and the amount of aldehyde produced were each measured.

Figure 0004165653
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表6に示すように、全般的に、市販のPd/Cよりも本発明のPd/CMK-3の方が、アルコールの酸化反応において活性が高い傾向が見られた。ベンジルアルコール誘導体に対しては、メタ位もしくはパラ位に電子供与基(例えば、メチル基、メトキシ基)を有する誘導体に対して、高い活性を示した。また、芳香族アルコールに限らず、OH基がついている炭素の隣に二重結合を有する基質に対して、特に活性が高かった。   As shown in Table 6, generally, Pd / CMK-3 of the present invention tended to have higher activity in alcohol oxidation reaction than commercially available Pd / C. The benzyl alcohol derivative showed high activity for derivatives having an electron donating group (for example, a methyl group or a methoxy group) at the meta or para position. Moreover, the activity was particularly high not only for aromatic alcohols but also for substrates having a double bond next to carbon having an OH group.

(実施例7:再使用性の検討)
使用した触媒を回収して、再度同じ反応を行った場合の触媒性能について検討した。1回の反応において、基質としてベンジルアルコールを1.5mmol、および触媒として上記実施例2で得た5wt%Pd/CMK-3を50mg用い、1,4-ジオキサン5mL中、酸素雰囲気下で80℃にて2時間攪拌して反応させた。反応終了後、触媒を濾過によって回収し、エタノールで洗浄し、乾燥させた後、次回の反応に用いた。反応は5回行った。各反応終了後、残存するアルコールおよび生成したアルデヒドの量をそれぞれ測定した。結果を表7に示す。
(Example 7: Examination of reusability)
The used catalyst was collected, and the catalyst performance when the same reaction was performed again was examined. In one reaction, 1.5 mmol of benzyl alcohol as a substrate and 50 mg of 5 wt% Pd / CMK-3 obtained in Example 2 above as a catalyst were used in 5 mL of 1,4-dioxane at 80 ° C. in an oxygen atmosphere. For 2 hours with stirring. After completion of the reaction, the catalyst was recovered by filtration, washed with ethanol, dried and used for the next reaction. The reaction was performed 5 times. After the completion of each reaction, the amount of remaining alcohol and produced aldehyde was measured. The results are shown in Table 7.

Figure 0004165653
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表7から明らかなように、触媒は何回使用しても、その活性の低下は見られなかった。したがって、再利用が可能であることがわかった。   As is clear from Table 7, the activity of the catalyst was not decreased even when it was used many times. Therefore, it was found that reuse is possible.

本発明の方法によれば、パラジウム微粒子が担体上に高濃度かつ分散して存在し得るため、高価な貴金属資源を有効に利用できる。また、従来の量論的に消費される酸化試薬と比べて、本発明の固体触媒は、アルコール酸化反応に対する触媒活性が非常に高く、反応後の回収が容易であり、そして再利用も可能であるため、無駄なエネルギー消費も少ない。したがって、環境低負荷型かつ経済的な反応プロセスを構築できる。   According to the method of the present invention, the palladium fine particles can be present in a high concentration and dispersed on the support, so that expensive noble metal resources can be used effectively. In addition, the solid catalyst of the present invention has a very high catalytic activity for the alcohol oxidation reaction as compared with the conventional stoichiometrically consumed oxidizing reagent, can be easily recovered after the reaction, and can be reused. There is little wasteful energy consumption. Therefore, an environmentally low load type and economical reaction process can be constructed.

SBA-15およびCMK-3のXRDパターンを示す図である。It is a figure which shows the XRD pattern of SBA-15 and CMK-3. SBA-15の窒素吸着等温線のグラフである。It is a graph of the nitrogen adsorption isotherm of SBA-15. CMK-3の窒素吸着等温線のグラフである。It is a graph of the nitrogen adsorption isotherm of CMK-3. (a)CMK-3および(b)Pd/CMK-3の透過電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph of (a) CMK-3 and (b) Pd / CMK-3. Pd/CMK-3、Pd/AC、およびPd/C(Wako製)のXRDパターンを示す図である。It is a figure which shows the XRD pattern of Pd / CMK-3, Pd / AC, and Pd / C (product made from Wako). 1wt%Pd/CMK-3を用いた場合のベンズアルコール酸化反応の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of the benz alcohol oxidation reaction at the time of using 1 wt% Pd / CMK-3. 2.5wt%Pd/CMK-3を用いた場合のベンズアルコール酸化反応の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of the benz alcohol oxidation reaction at the time of using 2.5 wt% Pd / CMK-3. 5wt%Pd/CMK-3を用いた場合のベンズアルコール酸化反応の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows a time-dependent change of the benz alcohol oxidation reaction at the time of using 5 wt% Pd / CMK-3. 5wt%Pd/CMK-3のTEM観察開始直後(a)および観察中(b)のTEM写真である。It is a TEM photograph immediately after the start of TEM observation of 5 wt% Pd / CMK-3 (a) and during observation (b). 種々のPd/CMK-3のXRDパターンを示す図である。It is a figure which shows the XRD pattern of various Pd / CMK-3.

Claims (4)

メソポーラス炭素にパラジウム粒子が担持されている固体触媒でなる、アルコール酸化触媒。 An alcohol oxidation catalyst comprising a solid catalyst in which palladium particles are supported on mesoporous carbon . メソポーラス炭素にパラジウム粒子が担持されている固体触媒でなる、アルコール酸化触媒を用いて、酸素雰囲気下でアルコールを酸化する工程を含む、アルコールの酸化方法。 An alcohol oxidation method comprising a step of oxidizing an alcohol in an oxygen atmosphere using an alcohol oxidation catalyst comprising a solid catalyst in which palladium particles are supported on mesoporous carbon . 前記アルコールが、芳香族アルコール、またはアルコール性水酸基を有する炭素の隣に二重結合を有する不飽和アルコールである、請求項2に記載のアルコールの酸化方法。The method for oxidizing alcohol according to claim 2, wherein the alcohol is an aromatic alcohol or an unsaturated alcohol having a double bond next to carbon having an alcoholic hydroxyl group. 前記芳香族アルコールが、アルコール性水酸基を有する置換基のメタ位もしくはパラ位に電子供与基を有するアルコールである、請求項3に記載のアルコールの酸化方法。The method for oxidizing an alcohol according to claim 3, wherein the aromatic alcohol is an alcohol having an electron donating group at a meta position or a para position of a substituent having an alcoholic hydroxyl group.
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