Electrochemical sugar synthesis from carbon dioxide

二氧化碳电化学合成糖

• 批准号: 22KJ2117
• 负责人: 田畑 裕
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2117/
• 关键词: 二酸化炭素; CO2資源化; ホルモース反応; アルドール反応; DFT計算; 化学反応ネットワーク; 自己触媒反応サイクル; システムケミストリー

炭素循環型社会の実現に向けて、CO2資源化技術の開発は喫緊の課題である。資源化の方法としては光や熱を駆動力とした触媒反応、光合成生物の活用など様々なものが挙げられるが、高速かつ低コスト（常温・常圧下）で反応の進行が可能なCO2の電解還元は、その有力な手段の一つとして幅広く研究が行われている。しかし、現状のCO2電解還元で主に得られるのはCOやメタンといった単純なC1～C2化合物（燃料）に限られていた。そこで本研究では、高付加価値で複雑な有機物である糖を、CO2を原料として化学的に合成すること目的とした研究に取り組んだ。CO2からの糖の化学合成は、CO2の電解還元によってホルムアルデヒド（HCHO）を得る反応と、HCHOを基質とする連鎖的なアルドール反応によって糖を合成する化学反応ネットワーク（ホルモース反応）とを統合することで達成される。今年度は特に、後者にあたるホルモース反応の触媒開発に注力した研究を行ってきた。その中で申請者は、タングステン酸ナトリウムやモリブデン酸ナトリウムといった金属オキソ酸塩を触媒として用いた場合に、糖の合成反応が中性条件下で進行することを見出した。また反応機構に関し、ルイス酸と弱ブレンステッド塩基対が協奏的に働くことで反応の進行が促進されていることを、第一原理計算によって明らかにした。さらに、中性条件下での反応進行により、カニッツァロ反応等の副反応による糖の分解が抑制され、従来の塩基性触媒より高選択的に糖生成物が得られることも示された。

为了实现碳循环型社会，开发CO2资源回收技术是一个紧迫的问题。资源回收的方法有多种，例如以光和热为驱动力的催化反应，以及利用光合生物，但CO2电解可以使反应高速且低成本地进行（在室温和压力下）。还原作为实现这一目标的有效手段之一已被广泛研究。然而，目前的CO2电解还原主要仅产生简单的C1-C2化合物（燃料），例如CO和甲烷。因此，在本研究中，我们以CO2为原料，以化学方法合成糖这种具有高附加值的复杂有机物为目标进行了研究。由CO2化学合成糖，整合了通过电解还原CO2获得甲醛(HCHO)的反应和通过以HCHO为底物的链式羟醛反应合成糖的化学反应网络(甲醛糖反应)。今年，我们的研究重点是开发后一种甲醛反应的催化剂。其中，申请人发现，当使用金属含氧酸盐如钨酸钠和钼酸钠作为催化剂时，糖合成反应在中性条件下进行。关于反应机理，第一性原理计算表明，路易斯酸和弱布朗斯台德碱对的协同作用促进了反应的进行。此外，已经表明，通过在中性条件下进行反应，可以抑制由于坎尼扎罗反应等副反应引起的糖分解，并且可以比使用常规碱性催化剂以更高的选择性获得糖产物。

项目成果

Autocatalytic reaction cycles for non-enzymatic synthesis of life-sustaining sugars in neutral media

在中性介质中非酶促合成维持生命的糖的自催化反应循环

• DOI: 10.21203/rs.3.rs-1821046/v2
• 发表时间: 2022
• 作者: Tabata Hiro;Chikatani Genta;Nishijima Hiroaki;Harada Takashi;Miyake Rika;Kato Souichiro;Igarashi Kensuke;Mukouyama Yoshiharu;Shirai Soichi;Waki Minoru;Hase Yoko;Nakanishi Shuji
• 通讯作者: Nakanishi Shuji

酸化アルミニウム触媒による中性水溶液中におけるホルムアルデヒドから糖の化学合成

使用氧化铝催化剂在中性水溶液中从甲醛化学合成糖

• 发表时间: 2023
• 作者: 近谷元大;田畑裕;西島弘晃;石原菜々子;向山義治;長谷陽子;中西周次
• 通讯作者: 中西周次

ホルムアルデヒドを原料とする塩基性条件での糖の化学合成におけるカチオン種の影響

碱性条件下以甲醛为原料阳离子物种对糖化学合成的影响

• 发表时间: 2023
• 作者: 石原菜々子;田畑裕;西島弘晃;近谷元大;向山義治;長谷陽子;中西周次
• 通讯作者: 中西周次

Autocatalytic reaction cycles for non-enzymatic synthesis of life-sustaining sugars in neutral media

在中性介质中非酶促合成维持生命的糖的自催化反应循环

• 发表时间: 2022
• 作者: Tabata Hiro;Chikatani Genta;Nishijima Hiroaki;Harada Takashi;Miyake Rika;Kato Souichiro;Igarashi Kensuke;Mukouyama Yoshiharu;Shirai Soichi;Hase Yoko;Nakanishi Shuji
• 通讯作者: Nakanishi Shuji

自己触媒反応ネットワークに基づく糖の合成における非線形挙動の数値解析

基于自催化反应网络的糖合成非线性行为数值分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 田畑裕;西島弘晃;近谷元大;石原菜々子;向山義治;長谷陽子;中西周次
• 通讯作者: 中西周次