メタンをメタノールに効率よく変換する鉄錯体触媒を開発

　メタンを酸化してメタノールを得るための触媒として、新しい鉄錯体を開発しました。この錯体には、メタンを内部に捕捉することで効率よくメタンを酸化すると同時に、生成したメタノールの過剰酸化を防ぐ機能があります。これを用いて、水溶液中でのメタンからメタノールへの直接変換に成功しました。

　メタンを酸化してメタノールを得ることを目指して、これまで多くの研究が行われてきました。しかしながら、メタンは最も酸化が困難な炭化水素であり、現在のところ、温和な条件下で、メタンをメタノールへ効率的かつ選択的に変換する手法は開発されていません。
　本研究では、自然界に存在する、メタンを酸化する金属酵素の構造と反応機構から着想を得て、活性点近傍に疎水性環境を有する鉄錯体を開発しました。この鉄錯体を触媒に用いたところ、安価で安全な酸化剤を利用した、メタンからメタノールへの高効率かつ高選択的な直接変換に成功しました。
　この反応では、水溶液中において50 ºC、約10気圧という温和な条件下で、メタンの酸化が進行します。触媒回転数は3時間で500回を超え、83%という高い選択性でメタノールを得ることができます。これだけの高効率と高選択性が得られるメカニズムとして、触媒の活性点である鉄原子近傍に疎水性環境があることで、この中にメタン（疎水性物質）を捕捉するとともに、生成したメタノール（親水性物質）が水溶液中に放出されるとともに、活性点に接近して過剰酸化が生じることを防ぐと考えられます。
　このような「キャッチ・アンド・リリース機構」は、メタンからメタノールへの変換のみならず、さまざまな疎水性有機化合物を水中で効率的に化学変換する際に応用できる、重要な指針になると期待されます。

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タイトル：Selective methane oxidation by molecular iron catalysts in aqueous medium
　　　　（水性媒体中における鉄触媒による選択的なメタン酸化反応）
著者名：Hiroto Fujisaki, Tomoya Ishizuka, Hiroaki Kotani, Yoshihito Shiota, Kazunari Yoshizawa, Takahiko Kojima
掲載誌：Nature
掲載日：2023年４月５日
DOI：10.1038/s41586-023-05821-2

先導物質化学研究所　吉澤 一成　教授
筑波大学数理物質系　小島 隆彦　教授