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JP7105418B2 - Apparatus and method for producing cis-disubstituted non-aromatic compound - Google Patents

Apparatus and method for producing cis-disubstituted non-aromatic compound Download PDF

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JP7105418B2 JP2018021154A JP2018021154A JP7105418B2 JP 7105418 B2 JP7105418 B2 JP 7105418B2 JP 2018021154 A JP2018021154 A JP 2018021154A JP 2018021154 A JP2018021154 A JP 2018021154A JP 7105418 B2 JP7105418 B2 JP 7105418B2
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Description

本発明は、シス-二置換非芳香族化合物の製造装置および製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus and method for producing a cis-disubstituted non-aromatic compound.

従来、2つの置換基で置換された非芳香族性環を有する非芳香族化合物の幾何異性体は、産業上有用であることが知られている。例えば、特許文献1には、水素化触媒を分散させた水溶液で4-置換安息香酸を還元することでトランス-4-置換シクロヘキサンカルボン酸を製造する化学プロセスが開示されている。トランス-4-置換シクロヘキサンカルボン酸は、液晶ディスプレイに用いられる液晶化合物として産業上有用である。 Conventionally, geometric isomers of non-aromatic compounds having a non-aromatic ring substituted with two substituents are known to be industrially useful. For example, Patent Document 1 discloses a chemical process for producing a trans-4-substituted cyclohexanecarboxylic acid by reducing a 4-substituted benzoic acid with an aqueous solution in which a hydrogenation catalyst is dispersed. Trans-4-substituted cyclohexanecarboxylic acids are industrially useful as liquid crystal compounds used in liquid crystal displays.

また、二置換非芳香族性環を有する非芳香族化合物のシス体、すなわちシス-二置換非芳香族化合物も、産業上、特に医薬等に用いられる化合物として有用であることが知られている。例えば、シス-二置換シクロヘキサンは、医薬品の中間原料として有用である。 In addition, cis isomers of non-aromatic compounds having a disubstituted non-aromatic ring, i.e., cis-disubstituted non-aromatic compounds, are also known to be useful as compounds for industrial use, particularly for pharmaceuticals and the like. . For example, cis-disubstituted cyclohexanes are useful as intermediates for pharmaceuticals.

特開平9-40606号公報JP-A-9-40606

本発明者らは、上述したシス-二置換非芳香族化合物の製造について鋭意検討を重ねた結果、シス-二置換非芳香族化合物の新規な製造技術に想到した。 The present inventors have made intensive studies on the production of the cis-disubstituted non-aromatic compounds described above, and as a result, have come up with a novel technique for producing cis-disubstituted non-aromatic compounds.

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的の1つは、シス-二置換非芳香族化合物の新規な製造技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of these circumstances, and one of its objects is to provide a novel production technique for cis-disubstituted non-aromatic compounds.

本発明のある態様は、シス-二置換非芳香族化合物の製造装置である。当該製造装置は、固体高分子形電解ユニットと、固体高分子形電解ユニットに、2つの置換基で置換された芳香族性環を有する二置換芳香族化合物を供給する供給部と、を備える。固体高分子形電解ユニットは、二置換芳香族化合物を電解還元して芳香族性環を水素化し、シス-二置換非芳香族化合物を製造する。 One aspect of the present invention is an apparatus for producing cis-disubstituted non-aromatic compounds. The manufacturing apparatus includes a polymer electrolyte electrolysis unit and a supply section for supplying a disubstituted aromatic compound having an aromatic ring substituted with two substituents to the polymer electrolyte electrolysis unit. The solid polymer electrolysis unit electrolytically reduces the disubstituted aromatic compound to hydrogenate the aromatic ring to produce a cis-disubstituted non-aromatic compound.

本発明の他の態様は、シス-二置換非芳香族化合物の製造方法である。当該製造方法は、固体高分子形電解ユニットを用いて、2つの置換基で置換された芳香族性環を有する二置換芳香族化合物を電解還元して芳香族性環を水素化し、シス-二置換非芳香族化合物を製造することを含む。 Another aspect of the invention is a method for making cis-disubstituted non-aromatic compounds. The production method uses a solid polymer type electrolytic unit to electrolytically reduce a disubstituted aromatic compound having an aromatic ring substituted with two substituents to hydrogenate the aromatic ring to obtain a cis-di Including preparing a substituted non-aromatic compound.

本発明によれば、シス-二置換非芳香族化合物の新規な製造技術を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a novel technique for producing cis-disubstituted non-aromatic compounds can be provided.

実施の形態に係るシス-二置換非芳香族化合物の製造装置の概略構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an apparatus for producing a cis-disubstituted non-aromatic compound according to an embodiment; FIG. 固体高分子形電解ユニットの概略構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a solid polymer electrolysis unit;

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に用いられる「第1」、「第2」等の用語は、特に言及がない限り、いかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The embodiments are illustrative rather than limiting the invention, and not all features and combinations thereof described in the embodiments are necessarily essential to the invention. The same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and duplication of description will be omitted as appropriate. In addition, the scale and shape of each part shown in each drawing are set for convenience in order to facilitate the explanation, and should not be construed as limiting unless otherwise mentioned. Also, the terms such as "first" and "second" used in this specification or claims do not represent any order or degree of importance unless otherwise specified, and one configuration and another configuration. It is for distinguishing between

図1は、実施の形態に係るシス-二置換非芳香族化合物の製造装置の概略構成を示す模式図である。なお、図1では、固体高分子形電解ユニットの構造を簡略化して図示している。シス-二置換非芳香族化合物の製造装置10は、二置換芳香族化合物を電解還元してシス型の二置換非芳香族化合物を製造する装置であり、固体高分子形電解ユニット100、電力制御部20、基質貯蔵槽30、水素貯蔵槽40および制御部60を主な構成として備える。以下では適宜、シス-二置換非芳香族化合物の製造装置10を、単に「製造装置10」と記す。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an apparatus for producing a cis-disubstituted non-aromatic compound according to an embodiment. In addition, in FIG. 1, the structure of the solid polymer electrolysis unit is illustrated in a simplified manner. The cis-disubstituted non-aromatic compound production apparatus 10 is an apparatus for electrolytically reducing a di-substituted aromatic compound to produce a cis-type di-substituted non-aromatic compound. A unit 20, a substrate storage tank 30, a hydrogen storage tank 40 and a control unit 60 are provided as main components. Hereinafter, the cis-disubstituted non-aromatic compound manufacturing apparatus 10 is simply referred to as "manufacturing apparatus 10".

電力制御部20は、例えば、電力源の出力電圧を所定の電圧に変換するDC/DCコンバータである。電力制御部20の正極出力端子は、固体高分子形電解ユニット100のアノード(陽極)130に接続される。電力制御部20の負極出力端子は、固体高分子形電解ユニット100のカソード(負極)120に接続される。これにより、固体高分子形電解ユニット100のアノード130とカソード120との間に所定の電圧が印加される。 The power control unit 20 is, for example, a DC/DC converter that converts the output voltage of the power source into a predetermined voltage. A positive output terminal of the power controller 20 is connected to the anode 130 of the solid polymer electrolysis unit 100 . A negative output terminal of the power control unit 20 is connected to the cathode (negative electrode) 120 of the solid polymer electrolysis unit 100 . Thereby, a predetermined voltage is applied between the anode 130 and the cathode 120 of the solid polymer electrolysis unit 100 .

電力制御部20には、正および負極の電位検知の目的で参照極が設けられてもよい。この場合、参照極入力端子は、固体高分子電解質膜110に設けられる参照電極112に接続される。参照電極112は、固体高分子電解質膜110におけるカソード120およびアノード130から離間した領域に、固体高分子電解質膜110に接するように設けられる。参照電極112は、カソード120およびアノード130から電気的に隔離されている。参照電極112は、参照電極電位に保持される。本願における参照電極電位は、可逆水素電極(RHE)に対する電位を意味するものとする(参照電極電位=0V)。なお、参照電極電位は、Ag/AgCl電極に対する電位であってもよい(参照電極電位=0.199V)。なお、参照電極112は、固体高分子電解質膜110におけるカソード120側の表面に設置されることが好ましい。 The power control unit 20 may be provided with reference electrodes for the purpose of detecting the potentials of the positive and negative electrodes. In this case, the reference electrode input terminal is connected to the reference electrode 112 provided on the solid polymer electrolyte membrane 110 . Reference electrode 112 is provided in a region of solid polymer electrolyte membrane 110 spaced apart from cathode 120 and anode 130 so as to be in contact with solid polymer electrolyte membrane 110 . Reference electrode 112 is electrically isolated from cathode 120 and anode 130 . Reference electrode 112 is held at the reference electrode potential. Reference electrode potential in this application shall mean the potential relative to the reversible hydrogen electrode (RHE) (reference electrode potential=0 V). The reference electrode potential may be a potential relative to the Ag/AgCl electrode (reference electrode potential=0.199 V). Note that the reference electrode 112 is preferably installed on the surface of the solid polymer electrolyte membrane 110 on the cathode 120 side.

カソード120とアノード130との間を流れる電流は、電流検出部113によって検出される。電流検出部113は、例えば従来公知の電流計で構成される。電流検出部113で検出された電流値は、制御部60に入力され、制御部60による電力制御部20の制御に用いられる。参照電極112とカソード120との間の電位差は、電圧検出部114によって検出される。電圧検出部114は、例えば従来公知の電圧計で構成される。電圧検出部114で検出された電位差の値は制御部60に入力され、制御部60による電力制御部20の制御に用いられる。なお、必要に応じて、電圧検出部114は参照電極112とアノード130との間の電位差を検出してもよい。 A current detector 113 detects a current flowing between the cathode 120 and the anode 130 . The current detector 113 is composed of, for example, a conventionally known ammeter. A current value detected by the current detection unit 113 is input to the control unit 60 and used by the control unit 60 to control the power control unit 20 . A potential difference between the reference electrode 112 and the cathode 120 is detected by the voltage detector 114 . The voltage detection unit 114 is composed of, for example, a conventionally known voltmeter. The value of the potential difference detected by the voltage detection unit 114 is input to the control unit 60 and used by the control unit 60 to control the power control unit 20 . Note that the voltage detection unit 114 may detect the potential difference between the reference electrode 112 and the anode 130 as necessary.

制御部60は、カソード120および/またはアノード130の電位を所定の電位に調整する。制御部60は、ハードウェア構成としてはコンピュータのCPUやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現される。このことは、当業者には当然に理解されるところである。制御部60は、カソード120および/またはアノード130の電位が所定の電位となるように、電力制御部20の正極出力端子および負極出力端子の出力を制御する。また、制御部60は、カソード120および/またはアノード130における電流密度が所定値となるように電力制御部20の出力を制御する。 Control unit 60 adjusts the potential of cathode 120 and/or anode 130 to a predetermined potential. The control unit 60 is realized by elements and circuits such as a CPU and a memory of a computer as a hardware configuration, and is realized by a computer program etc. as a software configuration. This is naturally understood by those skilled in the art. The control unit 60 controls outputs of the positive output terminal and the negative output terminal of the power control unit 20 so that the potential of the cathode 120 and/or the anode 130 becomes a predetermined potential. Also, the control unit 60 controls the output of the power control unit 20 so that the current density at the cathode 120 and/or the anode 130 becomes a predetermined value.

基質貯蔵槽30には、基質としての二置換芳香族化合物が貯蔵される。二置換芳香族化合物とは、2つの置換基で置換された芳香族性環(以下では適宜、二置換芳香族性環という)を少なくとも1つ有する化合物である。二置換芳香族化合物には、芳香族炭化水素化合物の二置換体と、含窒素複素環式芳香族化合物の二置換体とが含まれる。芳香族炭化水素化合物が有する芳香環としては、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、ジフェニルエタンなどが例示される。これらは単独で用いられても、組み合わせて用いられてもよい。含窒素複素環式芳香族化合物が有する含窒素複素環としては、ピリジン、ピリミジン、ピラジン、キノリン、イソキノリン、N-アルキルピロール、N-アルキルインドール、N-アルキルジベンゾピロールなどが例示される。これらは単独で用いられても、組み合わせて用いられてもよい。また、芳香族炭化水素化合物と含窒素複素環式芳香族化合物とは、単独で用いられても組み合わせて用いられてもよい。 The substrate storage tank 30 stores a disubstituted aromatic compound as a substrate. A disubstituted aromatic compound is a compound having at least one aromatic ring substituted with two substituents (hereinafter, appropriately referred to as a disubstituted aromatic ring). Disubstituted aromatic compounds include disubstituted aromatic hydrocarbon compounds and disubstituted nitrogen-containing heterocyclic aromatic compounds. Examples of aromatic rings possessed by aromatic hydrocarbon compounds include benzene, naphthalene, anthracene, and diphenylethane. These may be used alone or in combination. Examples of the nitrogen-containing heterocyclic ring contained in the nitrogen-containing heterocyclic aromatic compound include pyridine, pyrimidine, pyrazine, quinoline, isoquinoline, N-alkylpyrrole, N-alkylindole, and N-alkyldibenzopyrrole. These may be used alone or in combination. Moreover, the aromatic hydrocarbon compound and the nitrogen-containing heterocyclic aromatic compound may be used alone or in combination.

芳香族炭化水素化合物に含まれる芳香環、および含窒素複素環式芳香族化合物に含まれる複素芳香環は、2つの置換基で置換されている。つまり、二置換芳香族性環には、二置換芳香環および二置換複素芳香環が含まれる。置換基の種類は、特に限定されるものではないが、アルキル基、アミノ基、ヒドロキシル基、カルボキシル基、ニトロ基、エステル、アミド、エーテル、ハロゲン等が例示される。2つの置換基は、同一であっても異なっていてもよい。また、2つの置換基の位置は、オルト位、メタ位およびパラ位のいずれであってもよい。 The aromatic ring contained in the aromatic hydrocarbon compound and the heteroaromatic ring contained in the nitrogen-containing heterocyclic aromatic compound are substituted with two substituents. Thus, disubstituted aromatic rings include disubstituted aromatic rings and disubstituted heteroaromatic rings. The types of substituents are not particularly limited, but examples include alkyl groups, amino groups, hydroxyl groups, carboxyl groups, nitro groups, esters, amides, ethers, and halogens. The two substituents may be the same or different. Moreover, the positions of the two substituents may be any of the ortho, meta and para positions.

基質が常温で固体である場合や粘性が高い場合等、基質をそのままの状態で電解反応に供せない場合には、基質を溶媒で希釈してもよい。溶媒は、特に限定されない。しかしながら、溶媒が電極に付着したり電解反応で還元されたりすると、基質の電解反応が阻害され得る。このため、溶媒は、基質の電解反応を阻害することなく基質を反応点に送り届けられるものが好ましい。なお、基質が常温で液体であり、且つ電解反応に供することができる程度に粘性が低い場合には、溶媒は省略することができる。 The substrate may be diluted with a solvent when the substrate cannot be subjected to the electrolytic reaction as it is, such as when the substrate is solid at room temperature or when the viscosity is high. A solvent is not particularly limited. However, if the solvent adheres to the electrode or is reduced in the electrolytic reaction, the electrolytic reaction of the substrate may be inhibited. Therefore, it is preferable that the solvent can deliver the substrate to the reaction point without inhibiting the electrolytic reaction of the substrate. If the substrate is liquid at room temperature and has low viscosity to the extent that it can be subjected to electrolytic reaction, the solvent can be omitted.

基質貯蔵槽30に貯蔵された二置換芳香族化合物は、第1供給装置32によって固体高分子形電解ユニット100のカソード120に供給される。基質貯蔵槽30と第1供給装置32とは、固体高分子形電解ユニット100に二置換芳香族化合物を供給する供給部34を構成する。第1供給装置32としては、例えば、ギアポンプあるいはシリンダーポンプ等の各種ポンプ、または自然流下式装置等を用いることができる。 The disubstituted aromatic compound stored in the substrate storage tank 30 is supplied to the cathode 120 of the solid polymer electrolysis unit 100 by the first supply device 32 . The substrate storage tank 30 and the first supply device 32 constitute a supply section 34 that supplies the disubstituted aromatic compound to the solid polymer electrolysis unit 100 . As the first supply device 32, for example, various pumps such as a gear pump or a cylinder pump, or a gravity flow type device can be used.

基質貯蔵槽30とカソード120との間には、循環経路36が設けられる。循環経路36は、基質の流れにおけるカソード120の上流側で基質貯蔵槽30とカソード120とをつなぐ往路部36aと、基質の流れにおけるカソード120の下流側でカソード120と基質貯蔵槽30とをつなぐ復路部36bとを含む。往路部36aの途中には、第1供給装置32が設けられる。 A circulation path 36 is provided between the substrate reservoir 30 and the cathode 120 . The circulation path 36 includes an outward path portion 36a that connects the substrate storage tank 30 and the cathode 120 on the upstream side of the cathode 120 in the substrate flow, and connects the cathode 120 and the substrate storage tank 30 on the downstream side of the cathode 120 in the substrate flow. and a return path portion 36b. A first supply device 32 is provided in the middle of the outward path portion 36a.

供給部34は、往路部36aを介してカソード120に二置換芳香族化合物を供給する。カソード120において還元された二置換芳香族化合物の還元物と、未反応の二置換芳香族化合物とは、復路部36bを経て基質貯蔵槽30に戻される。なお、カソード120で進行する主反応ではガスは発生しないが、水素等のガスが副生する場合には復路部36bの途中に気液分離手段を設けてもよい。また、復路部36bは設けられなくてもよい。 The supply section 34 supplies the disubstituted aromatic compound to the cathode 120 via the forward path section 36a. The reduced product of the disubstituted aromatic compound reduced at the cathode 120 and the unreacted disubstituted aromatic compound are returned to the substrate storage tank 30 via the return route section 36b. Although no gas is generated in the main reaction proceeding at the cathode 120, if a gas such as hydrogen is by-produced, gas-liquid separation means may be provided in the middle of the return path portion 36b. Also, the return path portion 36b may not be provided.

水素貯蔵槽40には、例えば加湿された水素ガスが貯蔵される。以下では適宜、加湿された水素ガスを、単に「水素ガス」と記す。水素ガスの露点温度は、例えば室温~100℃であり、より好ましくは50~100℃である。水素貯蔵槽40に貯蔵された水素ガスは、第2供給装置42によって固体高分子形電解ユニット100のアノード130に供給される。第2供給装置42としては、例えば各種のガスフローコントローラー、または自然流下式装置等を用いることができる。 The hydrogen storage tank 40 stores, for example, humidified hydrogen gas. Hereinafter, humidified hydrogen gas is simply referred to as "hydrogen gas" as appropriate. The dew point temperature of hydrogen gas is, for example, room temperature to 100°C, more preferably 50 to 100°C. The hydrogen gas stored in the hydrogen storage tank 40 is supplied to the anode 130 of the solid polymer electrolysis unit 100 by the second supply device 42 . As the second supply device 42, for example, various gas flow controllers, gravity flow devices, or the like can be used.

水素貯蔵槽40とアノード130との間には、循環経路44が設けられる。循環経路44は、水素ガスの流れにおけるアノード130の上流側で水素貯蔵槽40とアノード130とをつなぐ往路部44aと、水素ガスの流れにおけるアノード130の下流側でアノード130と水素貯蔵槽40とをつなぐ復路部44bとを含む。往路部44aの途中には、第2供給装置42が設けられる。 A circulation path 44 is provided between the hydrogen storage tank 40 and the anode 130 . The circulation path 44 includes an outward path portion 44a that connects the hydrogen storage tank 40 and the anode 130 upstream of the anode 130 in the flow of hydrogen gas, and an outflow portion 44a that connects the anode 130 and the hydrogen storage tank 40 on the downstream side of the anode 130 in the flow of hydrogen gas. and a return path portion 44b that connects the . A second supply device 42 is provided in the middle of the forward path portion 44a.

水素ガスは、往路部44aを介してアノード130に供給される。アノード130において未反応の水素ガスは、復路部44bを経て水素貯蔵槽40に戻される。なお、復路部44bは設けられなくてもよい。 Hydrogen gas is supplied to the anode 130 via the forward path portion 44a. Unreacted hydrogen gas in the anode 130 is returned to the hydrogen storage tank 40 via the return path portion 44b. Note that the return path portion 44b may not be provided.

図2は、固体高分子形電解ユニット100の概略構成を示す断面図である。本実施の形態の固体高分子形電解ユニット100は、フィルム形状の電解質膜の一方の側にアノード室を、他方の側にカソード室をそれぞれ有する固体高分子形電解槽である。より具体的には、固体高分子形電解ユニット100は、膜電極接合体102と、膜電極接合体102を挟む一対のセパレータ150a,150bとを備える。膜電極接合体102は、固体高分子電解質膜110と、カソード120と、アノード130とを有する。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the solid polymer electrolysis unit 100. As shown in FIG. The polymer electrolyte electrolysis unit 100 of the present embodiment is a polymer electrolyte cell having an anode chamber on one side and a cathode chamber on the other side of a film-shaped electrolyte membrane. More specifically, the solid polymer electrolysis unit 100 includes a membrane electrode assembly 102 and a pair of separators 150a and 150b that sandwich the membrane electrode assembly 102 therebetween. The membrane electrode assembly 102 has a solid polymer electrolyte membrane 110 , a cathode 120 and an anode 130 .

固体高分子電解質膜110は、アノード130とカソード120との間に設けられる。固体高分子電解質膜110は、プロトン伝導性を有する材料(アイオノマー)で形成される。固体高分子電解質膜110は、プロトンを選択的に伝導する一方で、カソード120とアノード130との間で物質が混合したり拡散したりすることを抑制する。固体高分子電解質膜110の厚さは、例えば5~300μmである。固体高分子電解質膜110の厚さを5μm以上とすることで、固体高分子電解質膜110のバリア性を確保して、二置換芳香族化合物等のクロスリークの発生をより確実に抑制することができる。また、固体高分子電解質膜110の厚さを300μm以下とすることで、イオン移動抵抗が過大になることを抑制することができる。 A solid polymer electrolyte membrane 110 is provided between the anode 130 and the cathode 120 . Solid polymer electrolyte membrane 110 is made of a material having proton conductivity (ionomer). The solid polymer electrolyte membrane 110 selectively conducts protons while suppressing mixing and diffusion of substances between the cathode 120 and the anode 130 . The thickness of the solid polymer electrolyte membrane 110 is, for example, 5 to 300 μm. By setting the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 110 to 5 μm or more, the barrier properties of the solid polymer electrolyte membrane 110 can be ensured, and cross-leakage of disubstituted aromatic compounds and the like can be more reliably suppressed. can. Further, by setting the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 110 to 300 μm or less, it is possible to suppress the ion transfer resistance from becoming excessively large.

固体高分子電解質膜110は、プロトン伝導性を有する材料として、好ましくはパーフルオロスルホン酸を含む。例えば固体高分子電解質膜110は、パーフルオロスルホン酸のポリマーで構成される。当該ポリマーとしては、ナフィオン(登録商標)やフレミオン(登録商標)などが例示される。固体高分子電解質膜110には、多孔性のPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等の補強材が混合されてもよい。補強材を導入することで、固体高分子電解質膜110の寸法安定性を高めることができる。これにより、固体高分子電解質膜110の耐久性を向上させることができる。また、二置換芳香族化合物等のクロスオーバーを抑制することができる。 Solid polymer electrolyte membrane 110 preferably contains perfluorosulfonic acid as a material having proton conductivity. For example, the solid polymer electrolyte membrane 110 is made of perfluorosulfonic acid polymer. Examples of the polymer include Nafion (registered trademark) and Flemion (registered trademark). The solid polymer electrolyte membrane 110 may be mixed with a reinforcing material such as porous PTFE (polytetrafluoroethylene). By introducing a reinforcing material, the dimensional stability of the solid polymer electrolyte membrane 110 can be enhanced. Thereby, the durability of the solid polymer electrolyte membrane 110 can be improved. In addition, crossover of disubstituted aromatic compounds and the like can be suppressed.

カソード120は、二置換芳香族化合物を還元してシス-二置換非芳香族化合物を生成するための電極であり、固体高分子電解質膜110の一方の側に配置される。本実施の形態では、カソード120は固体高分子電解質膜110の一方の主表面に接するように設けられている。カソード120は、カソード触媒層122および拡散層124が積層された構造を有する。カソード触媒層122は、拡散層124よりも固体高分子電解質膜110側に配置される。 Cathode 120 is an electrode for reducing a disubstituted aromatic compound to produce a cis-disubstituted non-aromatic compound, and is arranged on one side of solid polymer electrolyte membrane 110 . In this embodiment, cathode 120 is provided so as to be in contact with one main surface of solid polymer electrolyte membrane 110 . The cathode 120 has a structure in which a cathode catalyst layer 122 and a diffusion layer 124 are laminated. The cathode catalyst layer 122 is arranged closer to the solid polymer electrolyte membrane 110 than the diffusion layer 124 is.

カソード触媒層122は、固体高分子電解質膜110の一方の主表面に接している。カソード触媒層122は、二置換芳香族化合物の二置換芳香族性環をプロトンで水素化するための触媒金属を含む。好ましくは、カソード触媒層122は、Pt,Pd,Rh,RuおよびIrからなる群から選択される少なくとも一種の元素を触媒として含む。カソード触媒層122がこれらの触媒元素を含むことで、シス-二置換非芳香族化合物を高選択的に製造することができる。 Cathode catalyst layer 122 is in contact with one main surface of solid polymer electrolyte membrane 110 . Cathode catalyst layer 122 contains a catalytic metal for hydrogenating the disubstituted aromatic ring of the disubstituted aromatic compound with protons. Preferably, cathode catalyst layer 122 contains at least one element selected from the group consisting of Pt, Pd, Rh, Ru and Ir as a catalyst. By containing these catalytic elements in the cathode catalyst layer 122, the cis-disubstituted non-aromatic compound can be produced with high selectivity.

触媒元素は、電子伝導性材料で構成される触媒担体によって担持される。触媒元素を触媒担体に担持させることで、カソード触媒層122の表面積を拡大することができる。また、触媒元素の凝集を抑制することができる。触媒担体に用いられる電子伝導性材料の電子伝導度は、好ましくは1.0×10-2S/cm以上である。電子伝導性材料の電子伝導度を1.0×10-2S/cm以上とすることで、カソード触媒層122に対してより確実に電子伝導性を付与することができる。 The catalytic element is carried by a catalytic carrier made of an electronically conductive material. The surface area of the cathode catalyst layer 122 can be increased by supporting the catalyst element on the catalyst carrier. Also, aggregation of the catalyst element can be suppressed. The electron conductivity of the electron conductive material used for the catalyst carrier is preferably 1.0×10 −2 S/cm or more. By setting the electron conductivity of the electron conductive material to 1.0×10 −2 S/cm or more, electron conductivity can be imparted to the cathode catalyst layer 122 more reliably.

触媒担体としては、例えば多孔性カーボン、多孔性金属、多孔性金属酸化物のいずれかを主成分として含有する電子伝導性材料を挙げることができる。多孔性カーボンとしては、例えばケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック、ファーネスブラック、バルカン(登録商標)などのカーボンブラックが挙げられる。多孔性金属としては、例えばPtブラック、Pdブラック、フラクタル状に析出させたPt金属などが挙げられる。多孔性金属酸化物としては、例えばTi、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wの酸化物が挙げられる。また、触媒担体には、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wなどの金属の窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、部分酸化した炭窒化物といった、多孔性の金属化合物も用いることができる。 Examples of the catalyst carrier include electron conductive materials containing porous carbon, porous metal, or porous metal oxide as a main component. Examples of porous carbon include carbon black such as Ketjenblack (registered trademark), acetylene black, furnace black, and Vulcan (registered trademark). Porous metals include, for example, Pt black, Pd black, and fractally deposited Pt metal. Porous metal oxides include oxides of Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W, for example. In addition, the catalyst carrier includes porous metal compounds such as nitrides, carbides, oxynitrides, carbonitrides, and partially oxidized carbonitrides of metals such as Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. can also be used.

触媒元素を担持した状態の触媒担体は、アイオノマーで被覆される。これにより、カソード120のイオン伝導性を向上させることができる。アイオノマーとしては、例えばナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)などのパーフルオロスルホン酸ポリマー等を挙げることができる。なお、カソード触媒層122に含まれるアイオノマーは、触媒元素を部分的に被覆していることが好ましい。これによれば、カソード触媒層122における電気化学反応に必要な3要素(二置換芳香族化合物、プロトン、電子)を効率的に反応場に供給することができる。 The catalyst carrier supporting the catalyst element is coated with an ionomer. Thereby, the ion conductivity of the cathode 120 can be improved. Examples of ionomers include perfluorosulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark) and Flemion (registered trademark). The ionomer contained in the cathode catalyst layer 122 preferably partially covers the catalyst element. According to this, the three elements (disubstituted aromatic compound, protons, and electrons) necessary for the electrochemical reaction in the cathode catalyst layer 122 can be efficiently supplied to the reaction field.

カソード触媒層122の厚さは、例えば1~100μmである。カソード触媒層122の厚さを上述の範囲とすることで、プロトンの移動抵抗の増大を抑制でき、また二置換芳香族化合物の拡散性を保持することができる。 The thickness of the cathode catalyst layer 122 is, for example, 1-100 μm. By setting the thickness of the cathode catalyst layer 122 within the above range, an increase in proton transfer resistance can be suppressed, and the diffusibility of the disubstituted aromatic compound can be maintained.

カソード触媒層122は、例えば触媒成分粉末と、水等の溶媒と、アイオノマーとを混合して触媒インクを調製し、得られた触媒インクを拡散層124に塗布し、乾燥後にホットプレスすることで作製することができる。なお、触媒インクの塗布と乾燥とを複数回に分けて行った後に、ホットプレスを実施することが好ましい。これにより、より均質なカソード触媒層122を得ることができる。また、カソード触媒層122は、固体高分子電解質膜110上に形成してもよい。 The cathode catalyst layer 122 is formed by, for example, mixing a catalyst component powder, a solvent such as water, and an ionomer to prepare a catalyst ink, applying the obtained catalyst ink to the diffusion layer 124, drying it, and hot-pressing it. can be made. In addition, it is preferable to perform the hot pressing after applying and drying the catalyst ink in a plurality of times. Thereby, a more homogeneous cathode catalyst layer 122 can be obtained. Also, the cathode catalyst layer 122 may be formed on the solid polymer electrolyte membrane 110 .

拡散層124は、セパレータ150aから供給される二置換芳香族化合物をカソード触媒層122に均一に拡散させる機能を担う。拡散層124を構成する材料は、二置換芳香族化合物に対して親和性が高いことが好ましい。拡散層124を構成する材料としては、例えばカーボンの織布(カーボンクロス)、カーボンの不織布、カーボンペーパー等を挙げることができる。カーボンクロスは、数μmの径の細いカーボン繊維を数百本の束とし、この束を織布としたものである。また、カーボンペーパーは、カーボン原料繊維を製紙法にて薄膜の前駆体とし、これを焼結したものである。拡散層124の厚さは、好ましくは50~1000μmである。 The diffusion layer 124 has a function of uniformly diffusing the disubstituted aromatic compound supplied from the separator 150 a to the cathode catalyst layer 122 . The material forming the diffusion layer 124 preferably has a high affinity for the disubstituted aromatic compound. Examples of the material forming the diffusion layer 124 include carbon woven fabric (carbon cloth), carbon nonwoven fabric, and carbon paper. The carbon cloth is made by bundling hundreds of carbon fibers with a diameter of several micrometers into a woven fabric. Carbon paper is obtained by sintering a thin film precursor made from carbon raw material fibers by a papermaking method. The thickness of the diffusion layer 124 is preferably 50-1000 μm.

カソード120は、カソード触媒層122と拡散層124との間に図示しない緻密層を有してもよい。緻密層は、カソード触媒層122の面方向への二置換芳香族化合物の拡散を促す機能を有する。特に、緻密層を設けることで、拡散層124におけるセパレータ150aと直に接する領域の直下に、二置換芳香族化合物を拡散させることができる。 Cathode 120 may have a dense layer (not shown) between cathode catalyst layer 122 and diffusion layer 124 . The dense layer has a function of promoting diffusion of the disubstituted aromatic compound in the surface direction of the cathode catalyst layer 122 . In particular, by providing the dense layer, the disubstituted aromatic compound can be diffused directly under the region of the diffusion layer 124 that is in direct contact with the separator 150a.

セパレータ150aは、固体高分子電解質膜110とは反対側のカソード120の主表面に積層される。セパレータ150aは、例えばカーボン樹脂や、Cr-Ni-Fe系、Cr-Ni-Mo-Fe系、Cr-Mo-Nb-Ni系、Cr-Mo-Fe-W-Ni系あるいはTi系などの耐食性合金で形成することができる。セパレータ150aの拡散層124側の面には、単数又は複数の溝状の流路152aが設けられる。流路152aには、往路部36aおよび復路部36bが接続される。セパレータ150aと、固体高分子電解質膜110と、これらの間に配置される枠状のスペーサ126とでカソード室が画成され、カソード室にカソード触媒層122と拡散層124とが収容される。 Separator 150 a is laminated on the main surface of cathode 120 opposite to solid polymer electrolyte membrane 110 . The separator 150a is made of, for example, a carbon resin, or a corrosion-resistant material such as a Cr--Ni--Fe system, a Cr--Ni--Mo--Fe system, a Cr--Mo--Nb--Ni system, a Cr--Mo--Fe--W--Ni system, or a Ti system. It can be made of an alloy. A surface of the separator 150a on the diffusion layer 124 side is provided with one or a plurality of groove-like flow paths 152a. The forward path portion 36a and the return path portion 36b are connected to the flow path 152a. A cathode chamber is defined by the separator 150a, the solid polymer electrolyte membrane 110, and the frame-like spacer 126 arranged therebetween, and the cathode catalyst layer 122 and the diffusion layer 124 are accommodated in the cathode chamber.

カソード室の流路152aには、往路部36aを介して二置換芳香族化合物が流入する。二置換芳香族化合物は、流路152aから拡散層124に浸み込む。カソード触媒層122での電解還元反応の生成物と未反応の二置換芳香族化合物とは、復路部36bを介してカソード室から外部に流出し、基質貯蔵槽30に戻される。流路152aの形態は、特に限定されないが、例えば直線状流路、サーペンタイン流路などを採用し得る。あるいは、セパレータ150aが多孔体層を有し、多孔体層の空隙によって流路152aが構成されてもよい。 The disubstituted aromatic compound flows into the channel 152a of the cathode chamber via the outward channel portion 36a. The disubstituted aromatic compound permeates into the diffusion layer 124 from the channel 152a. The product of the electrolytic reduction reaction in the cathode catalyst layer 122 and the unreacted disubstituted aromatic compound flow out of the cathode chamber through the return path portion 36b and are returned to the substrate storage tank 30 . The form of the channel 152a is not particularly limited, but for example, a linear channel, a serpentine channel, or the like can be adopted. Alternatively, the separator 150a may have a porous layer, and the flow paths 152a may be formed by voids in the porous layer.

アノード130は、水素ガスからプロトンを生成するための電極であり、固体高分子電解質膜110の一方の側、すなわちカソード120が配置される側とは反対側に配置される。アノード130は、アノード触媒層132および拡散層134が積層された構造を有する。アノード触媒層132は、拡散層134よりも固体高分子電解質膜110側に配置される。 Anode 130 is an electrode for generating protons from hydrogen gas, and is arranged on one side of solid polymer electrolyte membrane 110, that is, on the side opposite to the side where cathode 120 is arranged. Anode 130 has a structure in which anode catalyst layer 132 and diffusion layer 134 are laminated. The anode catalyst layer 132 is arranged closer to the solid polymer electrolyte membrane 110 than the diffusion layer 134 is.

アノード触媒層132は、固体高分子電解質膜110の他方の主表面に接している。アノード触媒層132は、水素ガスからプロトンを生成するための触媒金属を含む。例えば、アノード触媒層132は、Ru、Rh、Pd、IrおよびPtからなる群から選択される少なくとも一種の元素を触媒として含む。触媒元素は、電子伝導性を有する金属基材に分散担持、又はコーティングされてもよい。このような金属基材としては、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Ta、Wなどの金属、あるいはこれらを主成分とする合金などで構成される、金属繊維(繊維径:例えば10~30μm)、メッシュ(メッシュ径:例えば500~1000μm)、金属多孔体の焼結体、発泡成型体(フォーム)、エキスパンドメタル等を挙げることができる。アノード触媒層132の厚さは、例えば0.1~10μmである。 Anode catalyst layer 132 is in contact with the other main surface of solid polymer electrolyte membrane 110 . Anode catalyst layer 132 contains a catalyst metal for producing protons from hydrogen gas. For example, the anode catalyst layer 132 contains at least one element selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir and Pt as a catalyst. The catalytic element may be dispersedly supported or coated on a metal substrate having electronic conductivity. Such metal substrates include metals such as Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Nb, Mo, Ta, and W, or alloys containing these as main components. Metal fibers (fiber diameter: eg 10 to 30 μm), meshes (mesh diameter: eg 500 to 1000 μm), sintered metal porous bodies, foams, expanded metals and the like can be mentioned. The thickness of the anode catalyst layer 132 is, for example, 0.1 to 10 μm.

拡散層134は、セパレータ150bから供給される水素ガスをアノード触媒層132に均一に拡散させる機能を担う。拡散層134を構成する材料としては、例えばカーボンの織布(カーボンクロス)、カーボンの不織布、カーボンペーパー等を挙げることができる。拡散層134の厚さは、好ましくは50~1000μmである。 The diffusion layer 134 has a function of uniformly diffusing the hydrogen gas supplied from the separator 150 b to the anode catalyst layer 132 . Examples of the material forming the diffusion layer 134 include carbon woven fabric (carbon cloth), carbon nonwoven fabric, and carbon paper. The thickness of the diffusion layer 134 is preferably 50-1000 μm.

セパレータ150bは、固体高分子電解質膜110とは反対側のアノード130の主表面に積層される。セパレータ150bは、セパレータ150aと同様の材料で構成することができる。セパレータ150bの拡散層134側の面には、単数又は複数の溝状の流路152bが設けられる。流路152bには、往路部44aおよび復路部44bが接続される。セパレータ150bと、固体高分子電解質膜110と、これらの間に配置される枠状のスペーサ136とでアノード室が画成され、アノード室にアノード触媒層132と拡散層134とが収容される。 Separator 150 b is laminated on the main surface of anode 130 opposite to solid polymer electrolyte membrane 110 . Separator 150b can be made of the same material as separator 150a. A surface of the separator 150b on the diffusion layer 134 side is provided with one or a plurality of groove-like flow paths 152b. The forward path portion 44a and the return path portion 44b are connected to the flow path 152b. An anode chamber is defined by the separator 150b, the solid polymer electrolyte membrane 110, and the frame-shaped spacer 136 arranged therebetween, and the anode catalyst layer 132 and the diffusion layer 134 are accommodated in the anode chamber.

アノード室の流路152bには、往路部44aを介して水素ガスが流入する。水素ガスは、流路152bから拡散層134に浸み込む。未反応の水素ガスは、復路部44bを介してアノード室から外部に流出し、水素貯蔵槽40に戻される。流路152bの形態は、流路152aと同様である。なお、アノード130には、水素ガスに代えて、イオン交換水、純水、あるいはこれらに硫酸、リン酸、硝酸、塩酸等の酸を加えた水溶液(以下では適宜、これらをまとめて「アノード液」という)が供給されてもよい。この場合、アノード触媒層132は、アノード液中の水を酸化してプロトンを生成する。水素ガスに代えてアノード液を供給することで、製造装置10の簡素化を図ることができる。 Hydrogen gas flows into the flow path 152b of the anode chamber via the forward path portion 44a. Hydrogen gas permeates into the diffusion layer 134 from the channel 152b. The unreacted hydrogen gas flows out of the anode chamber through the return path portion 44b and is returned to the hydrogen storage tank 40. FIG. The form of the channel 152b is similar to that of the channel 152a. Instead of hydrogen gas, the anode 130 may contain ion-exchanged water, pure water, or an aqueous solution obtained by adding an acid such as sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, or hydrochloric acid (hereinafter, these are collectively referred to as "anolyte"). ) may be supplied. In this case, the anode catalyst layer 132 oxidizes water in the anolyte to produce protons. By supplying the anolyte instead of hydrogen gas, the manufacturing apparatus 10 can be simplified.

固体高分子形電解ユニット100は、二置換芳香族化合物を電解還元して二置換芳香族性環を水素化し、シス-二置換非芳香族化合物を製造する。二置換芳香族化合物としてp-キシレンを用いた場合の固体高分子形電解ユニット100における反応は、以下の通りである。
<アノード130での電極反応>
→2H+2e:E=0V
<カソード120での電極反応>
p-キシレン+6H+6e→1,4-ジメチルシクロヘキサン:E=+0.10V
<全反応>
p-キシレン+3H→1,4-ジメチルシクロヘキサン
The solid polymer electrolysis unit 100 electrolytically reduces the disubstituted aromatic compound to hydrogenate the disubstituted aromatic ring to produce a cis-disubstituted non-aromatic compound. The reactions in the polymer electrolyte unit 100 when p-xylene is used as the disubstituted aromatic compound are as follows.
<Electrode reaction at anode 130>
H 2 →2H + +2e : E 0 =0V
<Electrode reaction at cathode 120>
p-xylene + 6H + +6e - → 1,4-dimethylcyclohexane: E 0 = +0.10V
<Total reaction>
p-xylene + 3H 2 → 1,4-dimethylcyclohexane

すなわち、アノード130での電極反応と、カソード120での電極反応とが並行して進行する。そして、アノード130で生じたプロトンが、固体高分子電解質膜110を介してカソード120に供給される。カソード120に供給されたプロトンは、カソード120において二置換芳香族化合物であるp-キシレンの還元に利用される。 That is, the electrode reaction at the anode 130 and the electrode reaction at the cathode 120 proceed in parallel. Protons generated at the anode 130 are supplied to the cathode 120 through the solid polymer electrolyte membrane 110 . The protons supplied to the cathode 120 are utilized at the cathode 120 for reduction of p-xylene, which is a disubstituted aromatic compound.

カソード120での電極反応では、p-キシレンの還元によって、二置換非芳香族化合物として1,4-ジメチルシクロヘキサンのシス体とトランス体とが生成され得る。本実施の形態の製造装置10によれば、シス-1,4-ジメチルシクロヘキサンを高選択的に生成することができる。 In the electrode reaction at the cathode 120, the reduction of p-xylene can produce cis- and trans-forms of 1,4-dimethylcyclohexane as disubstituted non-aromatic compounds. According to the production apparatus 10 of the present embodiment, cis-1,4-dimethylcyclohexane can be produced with high selectivity.

また、カソード触媒層122がPtまたはRuを含む場合に、より好ましくはカソード触媒層122がRuを含む場合に、シス-1,4-ジメチルシクロヘキサンをより高選択的に生成することができる。また、より好ましい態様として、制御部60はカソード120の電流密度を、25mA/cm以下に調整する。これにより、シス-1,4-ジメチルシクロヘキサンを生成する際の電流効率を向上させることができる。 Further, when the cathode catalyst layer 122 contains Pt or Ru, more preferably when the cathode catalyst layer 122 contains Ru, cis-1,4-dimethylcyclohexane can be produced with higher selectivity. Moreover, as a more preferable aspect, the controller 60 adjusts the current density of the cathode 120 to 25 mA/cm 2 or less. This can improve the current efficiency when producing cis-1,4-dimethylcyclohexane.

[シス-二置換非芳香族化合物の製造方法]
本実施の形態に係るシス-二置換非芳香族化合物の製造方法では、固体高分子形電解ユニット100を用いて、二置換芳香族化合物を電解還元して二置換芳香族性環を水素化し、シス-二置換非芳香族化合物を製造することを含む。より具体的には、アノード130のアノード触媒層132に水素ガスが供給される。また、カソード120のカソード触媒層122に二置換芳香族化合物が供給される。そして、電力制御部20によって、固体高分子形電解ユニット100のアノード130とカソード120との間に所定の電圧が印加される。
[Method for producing cis-disubstituted non-aromatic compound]
In the method for producing a cis-disubstituted non-aromatic compound according to the present embodiment, the solid polymer electrolysis unit 100 is used to electrolytically reduce the disubstituted aromatic compound to hydrogenate the disubstituted aromatic ring, including producing a cis-disubstituted non-aromatic compound. More specifically, hydrogen gas is supplied to the anode catalyst layer 132 of the anode 130 . Also, a disubstituted aromatic compound is supplied to the cathode catalyst layer 122 of the cathode 120 . A predetermined voltage is applied between the anode 130 and the cathode 120 of the solid polymer electrolysis unit 100 by the power control unit 20 .

これにより、アノード触媒層132においてプロトンが生成される。生成されたプロトンは、固体高分子電解質膜110を通過して、カソード120側に移動する。カソード触媒層122において、固体高分子電解質膜110を通過したプロトンで二置換芳香族性環が水素化されて、シス-二置換非芳香族化合物が生成される。プロトンの生成工程と、電解還元反応によるシス-二置換非芳香族化合物の生成工程とは、少なくとも一時において並行して起こる。 As a result, protons are generated in the anode catalyst layer 132 . The produced protons pass through the solid polymer electrolyte membrane 110 and move to the cathode 120 side. In the cathode catalyst layer 122, protons that have passed through the solid polymer electrolyte membrane 110 hydrogenate the disubstituted aromatic ring to produce a cis-disubstituted non-aromatic compound. The process of producing protons and the process of producing cis-disubstituted non-aromatic compounds by electrolytic reduction reaction occur at least temporarily in parallel.

以上説明したように、本実施の形態に係るシス-二置換非芳香族化合物の製造装置10とシス-二置換非芳香族化合物の製造方法とは、固体高分子形電解ユニット100によって二置換芳香族化合物を電解還元してシス-二置換非芳香族化合物を製造することを含む。したがって、本実施の形態によれば、シス-二置換非芳香族化合物の製造に関する新規な技術を得ることができる。 As described above, the apparatus 10 for producing a cis-disubstituted non-aromatic compound and the method for producing a cis-disubstituted non-aromatic compound according to the present embodiment are capable of producing a disubstituted aromatic compound by the solid polymer electrolysis unit 100. electroreduction of a group compound to produce a cis-disubstituted non-aromatic compound. Therefore, according to this embodiment, a novel technique for producing cis-disubstituted non-aromatic compounds can be obtained.

従来の化学プロセスでは、触媒を分散させた溶液中に基質としての二置換芳香族化合物を混合してシス-二置換非芳香族化合物を製造することが一般的であった。このプロセスでは、反応後に溶液中の触媒と生成物とを分離する工程が必要であった。これに対し、本実施の形態では固体高分子形電解ユニット100が用いられるため、触媒と生成物とを分離する工程を省くことができる。したがって、シス-二置換非芳香族化合物の製造工程を簡略化することができる。 In conventional chemical processes, it was common to mix a disubstituted aromatic compound as a substrate into a solution in which a catalyst is dispersed to produce a cis-disubstituted non-aromatic compound. This process required a step of separating the catalyst and product in solution after the reaction. On the other hand, in the present embodiment, the solid polymer type electrolysis unit 100 is used, so the step of separating the catalyst and the product can be omitted. Therefore, the production process of the cis-disubstituted non-aromatic compound can be simplified.

また、従来の化学プロセスでは、トランス-二置換非芳香族化合物の生成割合が高かった。このため、生成物からシス-二置換非芳香族化合物を分離することが困難であった。一方、本実施の形態によれば、シス-二置換非芳香族化合物を高選択的に生成することができるため、生成物からシス-二置換非芳香族化合物を分離することが容易である。 In addition, the conventional chemical process produced a high proportion of trans-disubstituted non-aromatic compounds. This made it difficult to separate the cis-disubstituted non-aromatic compound from the product. On the other hand, according to the present embodiment, the cis-disubstituted non-aromatic compound can be produced with high selectivity, so that the cis-disubstituted non-aromatic compound can be easily separated from the product.

また、本実施の形態によれば、50℃および常圧の温和な条件下でシス-二置換非芳香族化合物を高選択的に生成することができる。このため、副反応の発生を抑制することができる。また、固体高分子形電解ユニット100を用いることで、液型電解に比べて電解槽の大きさを小さくすることができる。また、カソード120における過電圧を小さくすることができる。このため、より簡単な電位制御が可能となる。電位制御が容易になるため、より高精度な電位制御も可能となる。 Further, according to the present embodiment, cis-disubstituted non-aromatic compounds can be produced with high selectivity under mild conditions of 50° C. and normal pressure. Therefore, the occurrence of side reactions can be suppressed. In addition, by using the solid polymer type electrolysis unit 100, the size of the electrolytic cell can be reduced as compared with liquid type electrolysis. Also, the overvoltage at the cathode 120 can be reduced. Therefore, easier potential control is possible. Since potential control becomes easier, more accurate potential control is also possible.

また、固体高分子形電解ユニット100のカソード触媒層122は、好ましくはPt,Pd,Rh,RuおよびIrからなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む。これにより、トランス-二置換非芳香族化合物に比べて、シス-二置換非芳香族化合物を高選択的に製造することができる。また、本実施の形態では、アノード130に水素ガスが供給される。このため、アノード130の電位は、0V(vs.RHE)となる。したがって、アノード130を参照電極112の代わりとして用いることができる。よって、参照電極112を省略することができる。 Moreover, the cathode catalyst layer 122 of the solid polymer electrolysis unit 100 preferably contains at least one element selected from the group consisting of Pt, Pd, Rh, Ru and Ir. As a result, cis-disubstituted non-aromatic compounds can be produced with high selectivity compared to trans-disubstituted non-aromatic compounds. Further, in this embodiment, hydrogen gas is supplied to the anode 130 . Therefore, the potential of the anode 130 becomes 0 V (vs. RHE). Therefore, anode 130 can be used as a substitute for reference electrode 112 . Therefore, the reference electrode 112 can be omitted.

以下、本発明の実施例を説明するが、実施例は本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。 EXAMPLES Examples of the present invention will be described below, but the examples are merely examples for suitably explaining the present invention, and do not limit the present invention in any way.

(実施例1)
<アノードの作製>
触媒担体としての多孔性カーボンに触媒金属としての白金を担持させた、Pt/C触媒(品番:TEC10E50E、田中貴金属工業社製)の粉末に、ナフィオン(登録商標)分散液DE2020(デュポン社製)を添加し、適宜溶媒を用いてアノード触媒層用の触媒インクを調製した。ナフィオン(登録商標)分散液の添加量は、乾燥後のナフィオン(登録商標)と触媒中のカーボンとの質量比が0.8:1となる量とした。
(Example 1)
<Preparation of Anode>
Nafion (registered trademark) dispersion DE2020 (manufactured by DuPont) was added to the powder of Pt/C catalyst (product number: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) in which platinum was supported on porous carbon as a catalyst carrier and platinum as a catalyst metal. was added, and a solvent was appropriately used to prepare a catalyst ink for an anode catalyst layer. The Nafion (registered trademark) dispersion liquid was added in an amount such that the mass ratio of Nafion (registered trademark) after drying to the carbon in the catalyst was 0.8:1.

また、大きさ4cmの拡散層(製品名:SGL35BC、SGLカーボン社製)を用意した。そして、調製した触媒インクを、拡散層の一方の主表面にスプレー塗布した。触媒インクは、Ptの質量が電極面積あたり0.5mg/cmとなるように塗布した。その後、触媒インクを塗布した拡散層を80℃で乾燥させて、触媒インク中の溶媒成分を除去した。続いて、120℃、0.4MPaの条件で1分間熱接合し、アノード触媒層と拡散層とからなる第1積層体を得た。 A diffusion layer (product name: SGL35BC, manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) having a size of 4 cm 2 was also prepared. Then, the prepared catalyst ink was spray-coated on one main surface of the diffusion layer. The catalyst ink was applied so that the mass of Pt per electrode area was 0.5 mg/cm 2 . After that, the diffusion layer coated with the catalyst ink was dried at 80° C. to remove the solvent component in the catalyst ink. Subsequently, thermal bonding was performed at 120° C. and 0.4 MPa for 1 minute to obtain a first laminate comprising an anode catalyst layer and a diffusion layer.

<カソードの作製>
アノードの作製と同様の手順で、カソード触媒用の触媒インクを調製し、この触媒インクを拡散層へスプレー塗布し、熱接合を実施し、カソード触媒層と拡散層とからなる第2積層体を得た。
<Production of cathode>
A catalyst ink for the cathode catalyst was prepared in the same manner as the anode, the catalyst ink was spray-coated on the diffusion layer, thermal bonding was performed, and a second laminate consisting of the cathode catalyst layer and the diffusion layer was formed. Obtained.

<膜電極接合体の作製>
厚さ50μmの固体高分子電解質膜(製品名:ナフィオン(登録商標)212、デュポン社製)を用意した。そして、第1積層体と第2積層体との間にこの電解質膜を挟み込み、120℃、0.4MPaの条件で1分間熱接合した。これにより、拡散層、カソード触媒層、固体高分子電解質膜、アノード触媒層および拡散層からなる膜電極接合体(MEA)を得た。
<Fabrication of membrane electrode assembly>
A solid polymer electrolyte membrane (product name: Nafion (registered trademark) 212, manufactured by DuPont) having a thickness of 50 μm was prepared. Then, this electrolyte membrane was sandwiched between the first laminate and the second laminate, and thermally bonded for 1 minute under conditions of 120° C. and 0.4 MPa. As a result, a membrane electrode assembly (MEA) comprising a diffusion layer, a cathode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer and a diffusion layer was obtained.

<生成物の測定>
MEAのカソード側に加湿窒素を、アノード側に加湿水素を、それぞれ流速100mL/分で1時間流通させ、MEAに前処理を施した。加湿窒素および加湿水素の露点は、それぞれ50℃とした。前処理の後、MEAのカソード側に、基質としてのp-キシレンからなるカソード溶液を流通させた。カソード溶液は、シリンジを用いて流速0.25mL/分で流通させた。また、アノード側には、引き続き加湿水素を流速100mL/分で流通させた。そして、所定の電流をMEAに通電し、20分間の定電流電解を実施した。カソードにおける電流密度は、表1に示す値となるように設定した。
<Measurement of product>
The MEA was pretreated by flowing humidified nitrogen to the cathode side of the MEA and humidified hydrogen to the anode side at a flow rate of 100 mL/min for 1 hour. The dew points of humidified nitrogen and humidified hydrogen were each set to 50°C. After pretreatment, a catholyte solution consisting of p-xylene as a substrate was passed through the cathode side of the MEA. The catholyte solution was passed at a flow rate of 0.25 mL/min using a syringe. Further, humidified hydrogen was continuously passed through the anode side at a flow rate of 100 mL/min. Then, a predetermined current was applied to the MEA to perform constant current electrolysis for 20 minutes. The current density at the cathode was set to the values shown in Table 1.

定電流電解の後、ガスクロマトグラフ(GC)(製品名:GC-2014、島津製作所製、検出器FID)を用いて、カソード溶液に含まれる反応生成物を定量した。得られた各生成物のモル比から、定電流電解で流した電流における各生成物の生成に用いられた電流の割合を、生成物の電流効率(%)として算出した。結果を表1に示す。また、トランス体のモル分率とシス体のモル分率との比率(cis/trans)を算出した。結果を表1に示す。 After constant current electrolysis, a gas chromatograph (GC) (product name: GC-2014, manufactured by Shimadzu Corporation, detector FID) was used to quantify reaction products contained in the catholyte solution. From the obtained molar ratio of each product, the current efficiency (%) of the product was calculated as the ratio of the current used to generate each product in the current applied in constant current electrolysis. Table 1 shows the results. In addition, the ratio (cis/trans) between the molar fraction of the trans isomer and the molar fraction of the cis isomer was calculated. Table 1 shows the results.

(実施例2)
カソード触媒層に、Pt/Cに代えてRu/CBを用いた点を除いて、実施例1と同様にMEAを作製し、生成物の電流効率(%)と、トランス体とシス体の比率とを算出した。結果を表1に示す。Ru/CBは、以下の手順で調製した。すなわち、まずRuClとカーボンブラック(CB)とを純水中に分散させ、得られた溶液に60℃で30分間の超音波処理を施した。その後、溶液をドライアップした。得られた試料を60℃で一晩乾燥させた後、350℃で水素還元して、Ru/CBを得た。Ru/CBにおけるRuの濃度は、熱重量分析で測定して27質量%であった。
(Example 2)
An MEA was produced in the same manner as in Example 1, except that Ru/CB was used instead of Pt/C for the cathode catalyst layer, and the current efficiency (%) of the product and the ratio of the trans- and cis-isomers was calculated. Table 1 shows the results. Ru/CB was prepared by the following procedure. First, RuCl 2 and carbon black (CB) were dispersed in pure water, and the resulting solution was subjected to ultrasonic treatment at 60° C. for 30 minutes. The solution was then dried up. After drying the obtained sample at 60° C. overnight, hydrogen reduction was performed at 350° C. to obtain Ru/CB. The concentration of Ru in Ru/CB was determined by thermogravimetric analysis to be 27% by mass.

(実施例3)
カソード触媒層に、Pt/Cに代えてPtRu/C(品番:TEC61E54、Pt21.6wt%、Ru32.4wt%、田中貴金属工業社製)を用いた点を除いて、実施例1と同様にMEAを作製し、生成物の電流効率(%)と、トランス体とシス体の比率とを算出した。結果を表1に示す。
(Example 3)
MEA in the same manner as in Example 1, except that PtRu/C (product number: TEC61E54, Pt21.6 wt%, Ru32.4 wt%, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) was used instead of Pt/C for the cathode catalyst layer. was prepared, and the current efficiency (%) of the product and the ratio of the trans-isomer and the cis-isomer were calculated. Table 1 shows the results.

(実施例4)
カソード触媒層に、Pt/Cに代えてRh/CBを用いた点を除いて、実施例1と同様にMEAを作製し、生成物の電流効率(%)と、トランス体とシス体の比率とを算出した。結果を表1に示す。Rh/CBは、以下の手順で調製した。すなわち、まずRhClとカーボンブラック(CB)とを純水中に分散させ、得られた溶液に60℃で30分間の超音波処理を施した。その後、溶液をドライアップした。得られた試料を60℃で一晩乾燥させた後、350℃で水素還元して、Rh/CBを得た。Rh/CBにおけるRhの濃度は、熱重量分析で測定して29質量%であった。
(Example 4)
An MEA was prepared in the same manner as in Example 1, except that Rh/CB was used instead of Pt/C for the cathode catalyst layer, and the current efficiency (%) of the product and the ratio of the trans- and cis-isomers was calculated. Table 1 shows the results. Rh/CB was prepared by the following procedure. First, RhCl 2 and carbon black (CB) were dispersed in pure water, and the resulting solution was subjected to ultrasonic treatment at 60° C. for 30 minutes. The solution was then dried up. The resulting sample was dried at 60°C overnight and then hydrogen-reduced at 350°C to obtain Rh/CB. The concentration of Rh in Rh/CB was 29% by weight as determined by thermogravimetric analysis.

Figure 0007105418000001
Figure 0007105418000001

表1に示すように、実施例1~4から、二置換芳香族化合物の電解還元によってシス-二置換非芳香族化合物を高選択的に製造できることが確認された。また、カソードの触媒金属としてPtまたはRuを含む場合は、Rhを含む場合に比べてシス-二置換非芳香族化合物の選択性が高いことが確認された。さらに、実施例1~3から、カソードの触媒金属としてRuを含む場合は、シス-二置換非芳香族化合物の選択性がより向上することが確認された。また、実施例2,3から、Ruの割合が高いとシス-二置換非芳香族化合物の選択性がより一層向上することが確認された。 As shown in Table 1, it was confirmed from Examples 1 to 4 that cis-disubstituted non-aromatic compounds can be produced with high selectivity by electrolytic reduction of disubstituted aromatic compounds. It was also confirmed that when the cathode contains Pt or Ru as the catalyst metal, the selectivity of the cis-disubstituted non-aromatic compound is higher than when it contains Rh. Further, from Examples 1 to 3, it was confirmed that the selectivity of cis-disubstituted non-aromatic compounds was further improved when Ru was included as the catalytic metal of the cathode. Moreover, it was confirmed from Examples 2 and 3 that the selectivity of cis-disubstituted non-aromatic compounds is further improved when the proportion of Ru is high.

また、実施例1~4から、カソードの触媒金属としてPtを含む場合は、RuまたはRhを含む場合に比べてシス-二置換非芳香族化合物を生成する際の電流効率が高まる傾向にあることが確認された。また、実施例1,3,4から、電流密度を25mA/cm以下の場合に、シス-二置換非芳香族化合物を生成する際の電流効率が高まる傾向にあることが確認された。また、実施例2から、カソードの触媒金属としてRuのみを含む場合は、電流密度を25mA/cm以上とした場合であっても、シス-二置換非芳香族化合物を生成する際の電流効率を維持できることが確認された。 In addition, from Examples 1 to 4, when Pt is included as the cathode catalyst metal, the current efficiency in producing a cis-disubstituted non-aromatic compound tends to be higher than when Ru or Rh is included. was confirmed. Further, from Examples 1, 3, and 4, it was confirmed that the current efficiency in producing the cis-disubstituted non-aromatic compound tends to increase when the current density is 25 mA/cm 2 or less. Further, from Example 2, when only Ru is included as the catalyst metal of the cathode, even when the current density is 25 mA/cm 2 or more, the current efficiency in producing the cis-disubstituted non-aromatic compound was confirmed to be able to be maintained.

なお、表1において各生成物の電流効率の合計が100%とならないのは、一部の電流が水素ガスの生成に用いられたためである。また、当業者であれば、カソードの触媒金属としてPt、RuおよびRhを用いた実施例1~4の結果から、PdおよびIrを触媒金属として用いた場合にも同様の結果が得られることを理解することができる。 The reason why the total current efficiency of each product in Table 1 is not 100% is that part of the current was used to generate hydrogen gas. Further, those skilled in the art will know from the results of Examples 1 to 4 using Pt, Ru and Rh as catalytic metals for the cathode that similar results can be obtained when Pd and Ir are used as catalytic metals. I can understand.

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications such as various design changes can be made based on the knowledge of those skilled in the art. can also be included in the scope of the present invention.

実施の形態で説明した構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム等の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Any combination of the constituent elements described in the embodiments and conversion of expressions of the present invention between methods, devices, systems, etc. are also effective as aspects of the present invention.

10 製造装置、 34 供給部、 100 固体高分子形電解ユニット、 110 固体高分子電解質膜、 120 カソード、 122 カソード触媒層、 130 アノード、 132 アノード触媒層。 REFERENCE SIGNS LIST 10 manufacturing apparatus 34 supply unit 100 solid polymer electrolysis unit 110 solid polymer electrolyte membrane 120 cathode 122 cathode catalyst layer 130 anode 132 anode catalyst layer.

Claims (5)

膜電極接合体を有する固体高分子形電解ユニットと、
前記固体高分子形電解ユニットに、2つの置換基で置換された芳香族性環を有する二置換芳香族化合物を供給する供給部と、を備え、
前記膜電極接合体は、アノード触媒層を含むアノードと、カソード触媒層を含むカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に設けられる固体高分子電解質膜と、を有し、
前記固体高分子形電解ユニットは、前記二置換芳香族化合物を電解還元して前記芳香族性環を水素化し、シス-二置換非芳香族化合物を製造し、
前記二置換芳香族化合物はp-キシレンであり、前記シス-二置換非芳香族化合物はシス-1,4-ジメチルシクロヘキサンであることを特徴とするシス-二置換非芳香族化合物の製造装置。
a polymer electrolyte electrolysis unit having a membrane electrode assembly;
a supply unit for supplying a disubstituted aromatic compound having an aromatic ring substituted with two substituents to the polymer electrolyte electrolysis unit;
The membrane electrode assembly has an anode including an anode catalyst layer, a cathode including a cathode catalyst layer, and a solid polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode,
The solid polymer electrolysis unit electrolytically reduces the disubstituted aromatic compound to hydrogenate the aromatic ring to produce a cis-disubstituted non-aromatic compound ,
An apparatus for producing a cis-disubstituted non-aromatic compound, wherein the di-substituted aromatic compound is p-xylene, and the cis-disubstituted non-aromatic compound is cis-1,4-dimethylcyclohexane .
前記供給部は、前記カソードに前記二置換芳香族化合物を供給する請求項1に記載のシス-二置換非芳香族化合物の製造装置。 2. The apparatus for producing a cis-disubstituted non-aromatic compound according to claim 1, wherein the supply unit supplies the disubstituted aromatic compound to the cathode. 前記カソード触媒層は、Pt,Pd,Rh,RuおよびIrからなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む請求項1または2に記載のシス-二置換非芳香族化合物の製造装置。 3. The apparatus for producing a cis-disubstituted non-aromatic compound according to claim 1, wherein said cathode catalyst layer contains at least one element selected from the group consisting of Pt, Pd, Rh, Ru and Ir. 前記固体高分子電解質膜は、パーフルオロスルホン酸を含む請求項1乃至3のいずれか1項に記載のシス-二置換非芳香族化合物の製造装置。 4. The apparatus for producing a cis-disubstituted non-aromatic compound according to claim 1, wherein the solid polymer electrolyte membrane contains perfluorosulfonic acid. アノード触媒層を含むアノードと、カソード触媒層を含むカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に設けられる固体高分子電解質膜と、を有する膜電極接合体を備える固体高分子形電解ユニットを用いて、2つの置換基で置換された芳香族性環を有する二置換芳香族化合物を電解還元して前記芳香族性環を水素化し、シス-二置換非芳香族化合物を製造することを含み、
前記二置換芳香族化合物はp-キシレンであり、前記シス-二置換非芳香族化合物はシス-1,4-ジメチルシクロヘキサンであることを特徴とするシス-二置換非芳香族化合物の製造方法。
Using a solid polymer electrolysis unit comprising a membrane electrode assembly having an anode containing an anode catalyst layer, a cathode containing a cathode catalyst layer, and a solid polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode electrolytically reducing a disubstituted aromatic compound having an aromatic ring substituted with two substituents to hydrogenate the aromatic ring to produce a cis- disubstituted non-aromatic compound. ,
A method for producing a cis-disubstituted non-aromatic compound, wherein the di-substituted aromatic compound is p-xylene, and the cis-disubstituted non-aromatic compound is cis-1,4-dimethylcyclohexane .
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