植物廃材のリグニンを穏やかな条件で芳香族化合物へ、単原子触媒の作用点を特定

リグニンは木質や農業残渣に含まれる高分子で、廃棄バイオマスの最大35%を占める。芳香環を骨格に持つため、化学品の原料としては本来価値が高い。ただし構造が複雑で結合が強く、目的の化合物だけを取り出すには厳しい反応条件や大量の触媒が必要になり、その費用が実用化を阻んできた。

マンチェスター大学の研究グループが用いたのは単原子触媒である。窒素をドープした炭素材料の中にルテニウム原子を一つずつ分散させて埋め込む構造で、金属をまとめて使う従来の触媒に比べて必要量が大幅に少なくて済む。反応も比較的穏やかな条件で進み、強い薬品を使わない。

研究の核心は、どの原子配置が反応を担っているかを特定した点にある。ルテニウム原子が4つの窒素原子と結びついた「Ru-N4サイト」が酸素を活性化し、リグニンの炭素-酸素結合と炭素-炭素結合の切断を引き起こす。この対応関係が分かれば、触媒の設計を当てずっぽうではなく狙って進められる。

性能面では、モデルとなるリグニン化合物のほぼ全量を変換し、フェノールを含む芳香族化合物を高い収率で得た。さらに複数の由来のリグニン試料についても、実際に芳香族化合物へ変換できることを確かめている。成果は学術誌ACS Catalysisに掲載された。研究グループは、この知見が再生可能な資源から高付加価値の化学品をつくる触媒系の開発につながるとしている。