JP2000516995A - 溶媒―安定化金属コロイドおよび支持体に固定した金属クラスターの製造方法 - Google Patents
溶媒―安定化金属コロイドおよび支持体に固定した金属クラスターの製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
溶媒−安定化遷移金属コロイドを、極性安定化溶媒の存在下に金属塩をカソード的還元により金属コロイドを形成して製造するか、または、遷移金属塩を高温にてアルコールを用いて極性溶媒中で還元して、製造する。
Description
【発明の詳細な説明】
溶媒−安定化金属コロイドおよび支持体に固定した金属クラスターの製造方法
本発明は、可溶性金属コロイドおよび支持体に固定された金属クラスターのサ
イズ−選択的製造のための、2つの驚くべき簡単な方法に関する。本発明はまた
、二金属性コロイドおよび支持体に固定された二金属性クラスターの製造も包含
する。微小構造金属(nanostructured metal)コロイドまたはクラスター、特に1
〜10nmのサイズの範囲のものは、有用な触媒として知られる。中間体のナノ
メートルサイズの金属クラスターを包み、望ましくない凝集に対してそれらを保
護する安定化剤の存在下に還元を行わない限り、遷移金属塩の還元により、不溶
性金属粉末が生じることは、さらに長く知られている(G.Schmid,Clusters and
Clusters in Catalysis,Elsevier,Amsterdam,1986)。これまでに知られるよ
うになった安定化剤には、トリアリールホスファンなどの特定のリガンド、ポリ
ビニルピロリドンなどのポリマー、長鎖テトラアルキルアンモニウム塩(R4N+
X-)などの界面活性剤、およびある場合には特定の溶媒が包含される。金属塩の
還元に必要な還元剤には、例えば、水素、ヒドラジン、ホルムアルデヒドおよび
種々の水素化ホウ素が包含される(上記参照)。最近、テトラアルキルアンモニウ
ム塩安定化金属コロイドの製造およびそれらの支持体への固定化の最初の電気化
学的方法が記載されている[M.T.Reetz,W.Helbig,J.Am.Chem.Soc.116(1994),7491
:M.T.Reetz,S.A.Quaiser,Angew.Chem.107(1995),2461,Angew.Chem.Int.Ed.En
gl.34(1995),2240]。それによれば、金属犠牲アノード(例えば、Pdシート)
は、金属源として用いられる。伝導性塩R4N+X-の存在下、金属シートは、陽
極溶出により溶解し、生成する金属塩はカソードに移動し、そこで再度還元され
る。金属原子は、テトラアルキルアンモニウム塩により安定化される微小構造金
属コロイドに凝集する。別法として、2つの不活性な電極を電気化学的法におい
て用いてもよく、金属源として作用する遷移金属塩、すなわち金属塩
を、R4N+X-の存在下、電気化学的に直接還元する。本方法の本質的な利点は
、微小構造R4N+X-安定化クラスターのサイズを、電流密度を調製することに
より、うまく定めたように変えることができるという事実である。金属クラスタ
ーのサイズがその触媒特性において強い影響を有することが知られているため、
このことは重要である(G.Schmid,Clusters and Colloids,VCH,Weinheim,19
94)。実際、クラスターサイズの調節は、この分野におけるもっとも大きな目標
と考えられている[J.S.Bradley,in Clusters and Colloids(G.Schemid,ed.
),VCH,Weinheim,1994,p.490]。
上記の方法の欠点には:1)いくつかの還元剤の高いコスト、爆発の危険を含
む水素の場合のような、それらの部分的に、困難な取り扱い、および、特別かつ
高価な取り扱い法;2)サイズ選択性の欠如;3)還元剤または副生成物の複雑な
分離;4)還元剤(例えば、水素またはホウ素)の部分的混入からの不純な生成物
;および/または、5)ホスファンまたはテトラアルキルアンモニウム塩などの
高価な安定化剤の使用、が包含される。
上記した安定化剤の存在下における遷移金属塩の化学的および電気化学的還元
に加えて、いくつかの金属コロイドは、金属蒸発を用いてもまた製造できる[S.
C.Davis,K.J.Klabunde,Chem.Rev.82(1982),153;K.J.Klabunde,G.Ca
rdenas-Trivino,in Active Metals:Preparation,Characterizatio,
れば、遷移金属を蒸発させ、金属蒸気を溶媒からなる冷マトリックス中に導入す
る。いくつかの場合、特に、テトラヒドロフランまたはアセトンなどの極性溶媒
を用いる場合、低温度にて生成される金属コロイド溶液を、微小構造金属クラス
ターの望ましくない凝集発生なしに、室温に持ってくることができる。これは、
溶媒安定化による。このように製造される溶媒−安定化金属コロイドのいくつか
は、水素化において触媒として用いられている。それゆえ、この方法は、上記の
欠点を回避する。しかしながら、金属蒸発は、複雑な装置およびエネルギーの高
い消費が必要なため、高価な方法である。予備スケールにおけるサイズ選択性も
また問題がある。
脂肪酸のインサイチュー水素化におけるような、Pd塩の還元ために、炭酸プ
ロピレンなどの特定の溶媒中で水素を用いる場合、溶媒−安定化Pdクラスター
が水素化触媒として必要とされる[A.Behr,H.Schmidke,Chem.Ing.Tech.65
C.Lohr,H.Schmidke,Fett Wiss.Techol.95(1993)2]。しかしながら、サイ
ズ選択性は可能ではない。
他の方法は、溶媒および安定化剤としてメチルイソブチルケトン中、特定の遷
移金属塩の簡単な熱分解に関する。この媒体中のPd塩の熱分解は、この溶媒が
Pdクラスターを安定化することを示す例として用いることができる。しかしな
がら、Pdクラスターは比較的大きく、すなわち、8nmよりも大きく、さらに
、クラスターサイズの調節、すなわち、サイズ選択性は、可能ではない[K.Esum
i.T.Tano,K.Meguro,Langmuir 5(1989),268]。
今回、特定の溶媒−安定化金属コロイドが、電気化学的法を用いて、または、
金属コロイドを安定化できる溶媒の存在下でのアルコールによる遷移金属塩の簡
単な還元により、入手でき、室温およびより高い温度にて、便利に取り扱い可能
であることが見出された。
本発明の金属コロイドは、安定化のための界面活性剤またはポリマーをいずれ
も必要としない。
原則として、電気化学的法の2種の変法が可能である。例えば、金属からなる
犠牲アノードを金属源として用いることができる。陽極溶出後、放出された金属
塩はカソードにおいて再度還元され、溶媒は金属コロイドまたは金属クラスター
の安定化剤として作用する(スキーム1)。 別法として、溶媒−安定化金属コロイドの電気化学的製造における金属源とし
て、遷移金属塩を用いることも可能である。この場合、2つの不活性電極からな
る電気化学的装置を用いる。両方の変法は、金属コロイドまたは金属クラスター
を安定化できる溶媒、および、適当な伝導性塩の使用を包含する。
金属シートを金属源として使用する場合、Fe、Co、Ni、Pd、Cu、A
gまたはAuなどの遷移金属を用いる。遷移金属塩を金属源として用いる場合、
例えば、Fe、Co、Ni、Pd、Pt、Rh、Ru、Mo、Cu、Agまたは
Auなどの、広く種々の遷移金属の塩が適当である。有機炭酸塩(例えば、炭酸
プロピレン)、カルボン酸アミド(例えば、ジメチルアセトアミド)、硫酸アミド(
例えば、SO2(NBu2)2)、または尿素誘導体(例えば、テトラブチル尿素)など
の極性溶媒を溶媒および安定化剤として用いる。好ましくは炭酸プロピレンを用
いる。伝導性塩として、それ自体ではクラスターを安定化できない、LiCl、
NaCl、NaBr、NaClO4、KClまたはKBrなどの共通無機塩(comm
on inorganicsalt)、または、(CH3)4N+X-または(C2H5)4N+X-(X=Cl
、Br、I、OAc、ClO4)などの有機塩を用いる。好ましくは、NaClま
たは(CH3)4N+X-を伝導性塩として用いる。電解槽における温度は、−50℃
〜
+140℃の間、好ましくは、25〜70℃であることができる。
このように製造される金属クラスターのサイズを調節するために、電流密度な
どのパラメーターを変えることができる(より高い電流密度、より低い電流密度)
が、最も簡単な方法は、伝導性塩の選択による。NaClまたはKClなどの塩
により、7〜10nmの範囲のクラスターサイズを生ずるが、テトラメチルアン
モニウムまたはテトラエチルアンモニウム塩の使用により、2〜5nmのクラス
ターサイズを生ずる。
アルコールによる還元により溶媒−安定化金属コロイドまたは金属クラスター
を製造するために、遷移金属塩を適当な溶媒中で加熱する。この際に、塩は、溶
媒により安定化される可溶性微小構造金属コロイドまたは金属クラスターの形態
にて生成される金属性形態に変換される。電気化学的法の場合のように、有機炭
酸塩、カルボン酸アミド、硫酸アミドまたは尿素誘導体、好ましくは炭酸プロピ
レンなどの極性溶媒が、コロイドまたはクラスターの安定化に有用である。該溶
媒中、アルコールの存在下、遷移金属塩の溶液または懸濁液を、すなわち、30
〜130℃、好ましくは、60〜100℃の範囲にて加熱することにより、製造
を行う。典型的な塩は、PdCl2、Pd(OAc)2、Pd(acac)2、Ni(O
Ac)2、Fe(acac)2、Fe(OAc)3、PtCl2、Pt(OAc)2、RhC
l3、Rh(OAc)3、Co(OAc)2、Cu(OAc)2、AgOAcまたはAg2
CO3である。還元の間に、例えば、PtCl2とNaOAcを混合することによ
り、Pt(OAc)2などの特定の塩を、インサイチューで製造することも可能で
ある。還元に用いるアルコールの性質がサイズ選択性に重要である。イソプロパ
ノールなどの分枝鎖アルコールは、例えば2〜5nmの範囲の小さなクラスター
を生ずるが、メタノールは、典型的には6〜10nmの範囲のより大きなクラス
ターを生ずる。
溶媒−安定化二金属性コロイドまたはクラスターの製造には、2つの金属源が
必要である。電気化学的法の3つの変法が可能である:1)2つの犠牲アノード
を用いる;2)1つの犠牲アノードおよび1つの金属塩を用いる;3)2つの異な
る金属塩を用いる。アルコールによる還元のため、2つの異なる金属塩を、アル
コ
ールの存在下、適当な極性溶媒中に溶解するか懸濁し、ついで加熱する。
金属コロイドを解析するため、通常の分析法、特に、透過型電子顕微鏡(TE
M)を用いる。コロイド溶液の熱安定性を簡単な加熱により調べる。金属粉末の
形成がある温度にて観察される場合、コロイドはかかる条件下にて不安定である
。
本発明により製造されるコロイドまたはクラスターの、TEM研究により決定
されるサイズは、全ての場合ナノメートル範囲内、特に2および15nmの間で
ある。驚くべきことに、金属クラスターのサイズ分布は、均一である。熱安定性
に関して、本発明により製造されるコロイド溶液の多くは、非常に安定である。
典型例は、160℃にて少なくとも3日間安定であり、Pd粉末の生成の徴候を
何ら示さない、8〜10nmのサイズのPdクラスターの0.1M炭酸プロピレ
ン溶液である。これは、130〜140℃にて早くもすばやく分解する、R4N+
K-安定化Pdコロイドなどの通常の安定化金属クラスターと対照的である。こ
の溶媒−安定化コロイドの非常に高い熱安定性は、特に触媒における適用に有用
な、予期されない特性である。
触媒におけるコロイド溶液の適用には、水素化、酸化、および、ヘック(Heck)
またはスズキ結合などのC−C結合形成反応などの広く種々の化学的反応を包含
できる。
本明細書において記載する溶媒−安定化金属または二金属クラスターを支持体
に固定化することもできる。そのために、コロイド溶液を、固体の、所望により
ドープ化した、支持体、例えば、酸化金属(例えば、SiO2、Al2O3またはT
iO3)、活性チャコールまたはポリマー(例えばポリアラミド)などと反応させる
。かかる混合物を撹拌後、固体支持体を沈澱させ、液体を濾過またはデカントし
、固体物質を乾燥させる。ペレットを支持体として用いる場合(例えば、Al2O3
ペレット)、シェル触媒が容易に製造される。
コロイドクラスターおよび金属クラスターの支持体-固定形態の両方が、水素
化、酸化およびC−C結合形成反応などの種々の異なる反応に触媒として適当で
ある。例えば、炭酸プロピレン安定化Pdクラスターは、130〜160℃にて
、塩素化芳香族化合物のヘック反応において、触媒として適当である。
本発明により製造される溶媒-安定化金属コロイドまたは金属クラスターの製
造および使用の利点には:
1.簡単な製造法;
2.高価でなくかつ非汚染性の溶媒または安定化剤
3.クラスターサイズの簡単な調節;
4.驚くべき均一なクラスターサイズ;
5.より高い温度にて反応性の低い塩素化芳香族化合物のヘック反応などの触媒
反応を行うことを可能とする、コロイド溶液の驚くべき高い熱安定性;
6.特にシェル触媒の製造において、用いるクラスターの支持体への簡単な固定
化
が包含される。実施例1
:炭酸プロピレン安定化パラジウムコロイドの製造
アルゴン下、50mlの炭酸プロピレン、5mlのエタノールおよび1gのN
aClを、パラジウムアノードおよび白金カソード間で電気分解する。反応を7
0℃の調節された温度にて、超音波浴中で行う。電気分解は、3mA/cm2の
電流密度にて、定電流にて進行する。2002・10-4Ahの電荷が流れた後、
合成が完了し、暗−茶色コロイド溶液をガラスフィルターフリット上で濾過する
。かくして得られた生成物は、8ないし10nmの間の、狭いサイズ分布の、パ
ラジウム粒子を含有する(図1)。実施例2
:炭酸プロピレン安定化パラジウムコロイドの製造
アルゴン下、50mlの炭酸プロピレンおよび200mgのテトラメチルアン
モニウムブロマイドを、パラジウムアノードおよび白金カソード間で電気分解す
る。反応を25℃の調節された温度にて、超音波浴中で行う。電気分解は、3m
A/cm2の電流密度にて、定電流にて進行する。8598・10-4Ahの電荷
が流れた後、合成が完了し、暗−茶色コロイド溶液をガラスフィルターフリット
上で濾過する。かくして得られた生成物は、4ないし6nmの間のパラジウム粒
子を含有する。ジエチルエーテルを添加することにより、コロイドを炭酸プロピ
レン中に再分散可能なわずかにスミアーな固体として得ることができる。実施例3
:炭酸プロピレン安定化白金コロイドの製造
アルゴン下、50mlの炭酸プロピレン、200mgの二塩化白金および23
5mgの酢酸テトラメチルアンモニウムを、2つの白金電極間で電気分解する。
反応を25℃の調節された温度にて、超音波浴中で行う。電気分解は、3mA/
cm2の電流密度にて、定電流にて進行する。3436・10-4Ahの電荷が流
れた後、合成が完了し、暗-茶色コロイド溶液をガラスフィルターフリット上で
濾過する。かくして得られた生成物は、2ないし3nmの間の、狭いサイズ分布
の白金粒子を含有する(図2)。ジエチルエーテルを添加することにより、コロイ
ドを炭酸プロピレン中に再分散可能なわずかにスミアーな固体として得ることが
できる。実施例4
:炭酸プロピレン安定化ロジウムコロイドの製造
アルゴン下、50mlの炭酸プロピレン、200mgの三塩化ロジウムおよび
275mgの酢酸テトラメチルアンモニウムを、2つの白金電極間で電気分解す
る。反応を25℃の調節された温度にて、超音波浴中で行う。電気分解は3mA
/cm2の電流密度にて、定電流にて進行する。12777・10-4Ahの電荷
が流れた後、合成が完了し、暗−茶色コロイド溶液をガラスフイルターフリット
上で濾過する。かくして得られた生成物は、2ないし4nmの間の、狭いサイズ
分布のロジウム粒子を含有する(図3)。ジエチルエーテルを添加することにより
、コロイドを炭酸プロピレン中に再分散可能なわずかにスミアーな固体として得
ることができる。実施例5
:炭酸プロピレン安定化白金コロイドの製造
アルゴン下、10mlの炭酸プロピレン、66mgの二塩化白金および1ml
のエタノールを110℃にて2時間加熱する。反応を超音波浴中にて行う。反応
後、生成物を、暗−茶色コロイド溶液として得て、これをガラスフィルターフリ
ット上で濾過する。白金粒子のサイズは4ないし6nmの間であり、狭いサイズ
分布を示す(図4)。実施例6
:炭酸プロピレン安定化白金コロイドの製造
アルゴン下、10mlの炭酸プロピレン、66mgの二塩化白金および1ml
のメタノールを110℃にて2時間加熱する。反応を超音波浴にて行う。反応後
、生成物を、暗−茶色コロイド溶液として得て、これをガラスフィルターフリッ
ト上で濾過する。白金粒子のサイズは7ないし8nmの範囲間である。実施例7
:炭酸プロピレン安定化白金コロイドの製造
アルゴン下、10mlの炭酸プロピレン、66mgの二塩化白金および1ml
のイソプロパノールを110℃にて2時間加熱する。反応を超音波浴中にて行う
。反応終了時に、生成物を、暗−茶色コロイド溶液として得て、これをガラスフ
ィルターフリット上で濾過する。白金粒子のサイズは2ないし4nmの間である
。実施例8
:二金属性銅−パラジウムコロイドの製造
アルゴン下、10mlの炭酸プロピレン、1mlのエトキシエタノール、11
3mgの酢酸パラジウムおよび91mgの酢酸銅を110℃にて2時間加熱する
。反応を超音波浴中にて行う。反応後、生成物を、暗−茶色コロイド溶液として
得て、これをガラスフィルターフリット上で濾過する。実施例9
:スチルベンの製造(3.5moleパーセント触媒)
アルゴン下、122mgのクロロベンゼン、229mgの炭酸ナトリウム、1
41mgのスチレンおよび1mlのパラジウム含量4.023mgの炭酸プロプ
レン安定化コロイド溶液を含む溶液を、155℃にて、撹拌しながら、密閉した
容器中で、65時間加熱する。反応の終了時に、2mlのジエチルエーテルを添
加し、混合物を濾過する。GCにより決定した所望の生成物の収率は、34%で
ある。実施例10
:p−ニトロスチルベンの製造
アルゴン下、218mgのp−ニトロブロモベンゼン、141mgのスチレン
および0.3mlのトリエチルアミン、および、1mlのパラジウム含量4.0
23mgの炭酸プロプレン安定化コロイド溶液を含む溶液を、130℃にて、撹
拌しながら、密閉した容器中で、4.5時間加熱する。反応の終了時に、2ml
のジエチルエーテル/ジクロロメタン(1:1)を添加し、混合物を濾過する。G
Cにより決定した所望の生成物の収率は、96%である。実施例11
:p−アセトスチルベンの製造
アルゴン下、215mgのp−アセトブロモベンゼン、141mgのスチレン
、0.3mlのトリエチルアミン、および、1mlのパラジウム含量4.023
mgの炭酸プロプレン安定化コロイド溶液を含む溶液を、130℃にて、撹拌し
ながら、密閉した容器中で、21時間加熱する。反応の終了時に、2mlのジエ
チルエーテル/ジクロロメタン(1:1)を添加し、混合物を濾過する。GCによ
り決定した所望の生成物の収率は、56%である。実施例12
:熱安定性
炭酸プロプレン安定化パラジウムコロイドの熱安定性を、R4N+X-パラジウ
ムコロイドの熱安定性と比較して、以下のように調べることができる。上記の実
施例にしたがって得られるパラジウムコロイド(サイズ8〜10nm)を、150
〜160℃にて3日間加熱する。パラジウム粉末の沈澱および視覚的変化はいず
れもない。
対照的に、テトラオクチルアンモニウムブロマイド安定化パラジウムクラスタ
−(サイズ7〜9nm)のテトラヒドロフラン溶液を、130〜140℃にて密封
容器内で3時間加熱する場合、大量の不溶性パラジウム粉末が形成する。実施例13
:スチルベンの製造(1moleパーセント触媒)
アルゴン下、122mgのクロロベンゼン、106mgの炭酸ナトリウム、1
57mgのスチレンおよび1mlの炭酸プロピレン安定化0.001Mコロイド
溶液を含む溶液を、155℃にて、撹拌しながら、密封した容器内で17時間加
熱する。反応の終了時に、2mlのジエチルエーテルを添加し、混合物を濾過す
る。単離したトランス−スチルベンの収率は、15%である。
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フロントページの続き
(72)発明者 ローマー,グンター
ドイツ連邦共和国デー―45470ミュールハ
イム・アン・デル・ルール、カイザー―ビ
ルヘルム―プラッツ 1番
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 金属犠牲アノードを電気化学的に溶解し、得られた金属塩を極性安定化溶 媒の存在下にカソードにて還元し、金属コロイドを形成することを特徴とする、 粒子サイズ1〜15nmの溶媒-安定化遷移金属コロイドの製造のためのサイズ −選択的電気化学的方法。 2. 遷移金属塩を極性安定化溶媒の存在下に電気化学的に還元し、金属コロイ ドを形成することを特徴とする、粒子サイズ1〜15nmの溶媒−安定化遷移金 属コロイドの製造のためのサイズ−選択的電気化学的方法。 3. 金属犠牲アノードおよび金属塩が金属源として作用し、形成される二金属 性コロイドが極性溶媒により安定化されることを特徴とする、粒子サイズ1〜1 5nmの溶媒-安定化二金属性コロイドの製造のためのサイズ−選択的電気化学 的方法。 4. 2種の異なる金属塩を電気化学的に還元し、形成される二金属性コロイド が極性溶媒により安定化されることを特徴とする、粒子サイズ1〜15nmの溶 媒−安定化二金属性コロイドの製造のためのサイズ−選択的電気化学的方法。 5. 遷移金属塩を、還元剤としてアルコールの存在下に、極性溶媒中で加熱す ることを特徴とする、粒子サイズ1〜15nmの溶媒−安定化遷移金属コロイド の製造のためのサイズ−選択的方法。 6. 周期表のIIIb、IVb、Vb、VIIb、VIII、Ib、IIb、IIIa、IVaまたは Va群の金属を用いることを特徴とする請求項1記載の方法。 7. 周期表のIIIb、IVb、Vb、VIIb、VIII、Ib、IIb、IIIa、VIaまたは Va群の金属を用いることを特徴とする請求項2記載の方法。 8. 周期表のIIIb、IVb、Vb、VIIb、VIII、Ib、IIb、IIIa、VIaまたは Va群の金属を用いることを特徴とする請求項3記載の方法。 9. 周期表のIIIb、IVb、Vb、VIIb、VIII、Ib、IIb、IIIa、IVaまたは Va群の金属を用いることを特徴とする請求項4記載の方法。 10. 周期表のIIIb、VIb、Vb、VIIb、VIII、Ib、IIb、IIIa、IVaまたは Va群の金属を用いることを特徴とする請求項5記載の方法。 11. 有機炭酸塩および尿素誘導体を、金属コロイドの製造においてコロイド 安定化剤として作用する極性溶媒として用いることを特徴とする、請求項1ない し5のいずれか1つに記載の方法。 12. 請求項1ないし11のいずれか1つの方法により製造される溶媒−安定 化金属コロイドを固体支持体に被覆し、シェル触媒を形成することを特徴とする 、事前に形成した金属クラスターの支持体への固定化方法。 13. 溶媒-安定化Pdコロイドをヘック反応の触媒として用いることを特徴 とする、C−C−結合の触媒形成方法。
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