エチレンは、世界で基礎化学品の中で最も多く生産されている物質です。炭素原子2個と水素原子4個からなるこの小さな分子は、幅広い基礎化学品、ポリマー、可塑剤の製造における基本的な構成要素です。包装材料であるポリエチレン（PE）は、その多くの用途の一つにすぎません。現在、エチレンは主に「クラッキング」として知られるプロセスで原油から製造されていますが、原油価格の絶え間ない変動と原油の有限な供給が、代替的な製造法への需要を急増させています。その代替法とは、いわゆるメタノール・トゥ・オレフィン（MTO）プロセスによってメタノールから合成する方法です。現在、ETH Zurichと ENS Lyonの科学者チームが、この反応がどのように始まるかを詳細に明らかにしました。
化学者たちは1970年代後半にMTOプロセスを開発し、現在では世界中に製造プラントがあります。中国はどの国よりも多くのMTOプラントを保有しており、大規模施設5基が現在稼働中で、さらに13基が計画されています。その理由は単純です。中国は石油埋蔵地へのアクセスが限られている一方で、石油化学製品に対する需要が膨大です。同国が保有しているのは豊富な石炭埋蔵量であり、石炭のガス化によってメタノールを比較的容易に製造できます。さらに、メタノールは天然ガスからも製造できます。その結果、中国の投資家は、米国の豊富なシェールガス埋蔵量を活用し、中国向け輸出用のメタノールを米国で製造する計画を立てています。
カルベニウムイオンはどこから来るのでしょうか？
MTO反応が起こるためには、メタノールを400摂氏度でいわゆるゼオライトと接触させます。ゼオライトは、触媒として反応を促進する、多孔質で粒状のアルミノケイ酸塩鉱物です。長い間、化学者たちはMTO反応を正確に説明することができませんでした。20年前、科学者たちは、他の分子も関与しているに違いないと提唱しました。それは、5～6個の炭素原子が結合した正電荷を帯びた環状炭化水素分子、すなわち環状カルベニウムイオンとしても知られるものです。こうした化学種は実際にメタノールと反応します。2分子のメタノールを結合させて炭素-炭素結合を形成し、その後エチレンを生成します。
しかし、これらの環状カルベニウムイオンが反応の開始に関与し、かつ必要不可欠なのであれば、それらはどこから来るのでしょうか。多くの科学者は、これらのイオンはメタノールに偶発的な混入物として存在しているに違いないと提唱しました。
今回、フランスとスイスの共同研究チームが別の説明を提案しました。「ゼオライトには常にアルミナが含まれていますが、アルミナはメタノールを容易にエチレンやその他の炭化水素に変換でき、それらがゼオライト触媒の細孔内でカルベニウムイオンに変換されうることを示しました」と、ETH Zurichの表面・界面化学の教授であり、本研究の著者の一人であるChristophe Copéret氏は説明します。「MTOプロセスは工業規模で稼働していますが、この研究はプロセスがどのように始まるかについて新たな光を当てるものです。さらに、アルミナのような単純な酸化物材料が、メタノール誘導体からの炭素-炭素結合形成を引き起こしうることを示しており、メタノールを長鎖炭化水素へとアップグレードする新たな道を開くものです。」
本記事は ETH Zurichとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Fabio Bergamin（ETH Zurich執筆）。
画像：イランのテヘランから南西に900キロメートル（560マイル）の位置にあるAsalouyeh Seaportの Methanol Joint Venture Projectの様子。REUTERS/Raheb Homavandi
