持続可能な代替エネルギーおよび燃料源の探求において、温室効果ガスである二酸化炭素（CO2）を液体燃料へ変換することは、有望な解決策の一つとなりうる。
植物は光合成を通じて、太陽光、水、CO2を、細胞の働きを支える多炭素分子である糖類へと変換する。CO2は、現代社会の中核をなす化石燃料の前駆体であると同時に、それらの燃料を燃焼させた際の副産物でもある。CO2や一酸化炭素（CO）のような安定した酸素化炭素前駆体から合成液体燃料を生成する能力は、自然界の光合成を想起させるものであり、人工システムにおいても望ましい変換である。約一世紀にわたり、フィッシャー・トロプシュ法として知られる化学的手法が、水素ガス（H2）とCOを液体燃料に変換するために利用されてきた。しかしながら、その反応機構は十分に解明されておらず、光合成とは対照的に、このプロセスには高圧（大気圧の1～100倍）と高温（摂氏100～300度）が必要である。
近年では、酸素化炭素前駆体から液体燃料を生成する代替的な変換化学も報告されている。銅の電極触媒を用いることで、COおよびCO2を多炭素生成物へと変換できる。このプロセスは温和な条件下で進行するが、 その仕組みは 依然として謎のままである。
現在、Caltechの化学教授である Theo Agapie と、その大学院生であるJoshua Bussは、COを炭化水素へ変換するプロセスの初期段階がどのようなものでありうるかを示すモデル系を開発した。
この成果は、2015年12月21日に学術誌Natureにオンライン先行公開され（2016年1月7日に印刷版に掲載）、温室効果ガスであるCO2の大気中蓄積による悪影響を、CO2を再び燃料へ変換することで将来的に打ち消す技術の開発に向けた基盤を提供するものである。CO2をCOに変換する方法は存在するが、次の重要な段階であるCO分子の脱酸素化およびC–C結合の形成には、より困難が伴う。
本研究でAgapieとBussは、新たな遷移金属錯体を合成した。これは、配位子と呼ばれる1つ以上の支持分子に結合した金属原子（本研究ではモリブデン）から成り、CO分子の活性化と開裂を促進しうるものである。分子を段階的に還元すると、COのC–O結合は大幅に弱められる。結合が弱まった後、シリル求電子剤を導入することで、結合は完全に切断される。シリル求電子剤はケイ素を含む試薬の一群で、プロトンの代替として用いることができる。
この開裂により、金属中心に結合した単一の炭素原子である末端カーバイドが生成し、その後、金属に配位した2番目のCO分子と結合を形成する。カーバイドはCOの還元的カップリングにおける中間体として一般に提唱されてきたが、研究者らによれば、この種の化学におけるその役割を直接示したのは今回が初めてである。C–C結合が形成されると、金属中心はC2生成物を放出する。全体として、このプロセスは2つのCO単位をエチノール誘導体へと変換し、室温より低い温度でも容易に進行する。
“私たちの知る限り、これは2つの一酸化炭素分子を取り、金属を含まないエチノール誘導体（エタノールに関連する分子）へと変換しうる、明確に定義された反応の初めての例である。C2生成物を金属から放出できることが重要である”とAgapieは述べる。
生成されたエチノール誘導体は燃料としては有用ではないものの、二酸化炭素から合成多炭素燃料を生成できるようにするための一歩を示している。研究者らは現在、この初期研究で得られた知見を応用し、プロセスの改良に取り組んでいる。“理想的には、私たちの知見が実用的な触媒システムの開発を促進することになるだろう”とBussは述べる。
研究者らはまた、シリル求電子剤の代わりにプロトンを用いてC–O結合を開裂させる方法にも取り組んでいる。“最終的には、水に由来するプロトンと、太陽光から得られる電子当量を利用したいと考えている”とAgapieは述べる。“しかしプロトンは非常に反応性が高く、現時点ではその化学反応を制御できていない”。
本論文の研究 「Four-electron deoxygenative reductive coupling of carbon monoxide at a single metal site」 は、Caltechおよび National Science Foundation の助成を受けている。
掲載は、世界経済フォーラムによる見解への支持を意味するものではない。
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著者：Ker Thanは、Caltechの寄稿ライターである。
写真：スプレンベルクにあるミニプラント「Schwarze Pumpe」の初の正式稼働に先立ち撮影された、CO2用のフレキシブルチューブ。REUTERS/Hannibal Hanschke.
