触媒科学の新時代へ
2015年10月1日より、触媒化学研究センター（CRC）
は、触媒科学研究所に改組いたしました。触媒化学研究センターは，
旧触媒研究所（1943年設置）に換わり、1989年に設立され、現在まで触媒化学研究の共同利
用・共同研究拠点として活動を続けてきました。
新しい触媒科学研究所のミッションはこれまでの共
同利用・共同研究拠点として国内外のコミュニティー
への貢献と触媒化学を中心とした物質材料研究の国
際拠点となることに加え、触媒化学以外の分野を取り入れ、研究を多様化し、今までにない触媒科学という新学術分野を創造することです。
この新しい触媒科学を創造したいとの思いから、触媒科学研究所と命名いたしました。
既存の触媒化学研究の枠を超え、多様化するためには、触媒科学研究所内の基礎研究を発展させるだ
けでなく、触媒科学研究所外の研究者・有識者とのコ
ミュニケーションをより一層強化するとともに、産業界や海外との連携も深めていく必要があると思います。
特に、触媒は社会生活を豊かにするという意味において、現実世界や実用化に近い実学としても重要です。そこで基礎研究と実用化･社会還元を結びつける
ため、大学の基礎研究の実用化と企業実用化ニーズのシーズ化を目指す研究開発部門が中心となり、触媒科学研究所全体が協力して基礎に根ざした実用化を推進し、イノベーションを興すというミッションを自らに課しました。
この思想は、旧触媒研究所を設立された堀内寿郎先生のお考えにも通じます。
しかし、この基礎に根ざした実用化推進とイノベーション創出のミッションは、我々、触媒科学研究所の職員だけでは達成できるものではありません。今回、新しく触 媒 連 携 研 究センターを設 置して、産 業 総 合 研 究所、高エネルギー加速器研究機構や名古屋、京都、九州の各大学の附置研究所・センター等と組織間連携を行い、このミッションの実現を図ります。
また、触媒研究や実用化は我が国だけの課題にとどまりません。人類の直面するPM2.5や石油枯渇、温暖化といった地球規模の課題に対し、この新設した触媒連携研究センターが中心となって、海外展開を進め、
グローバルネットワークの構築により、地球規模でのサステナブル社会を実現することと北海道大学がグローバル大学として発展することに貢献しようと思っています。
新しい触媒科学創造とイノベーション創出を達成す

Greetings
A Dawn of Catalysis Science
The new Institute for Catalysis is opened today.
The Institute for Catalysis was originally founded in1943 by Juro Horiuchi and it was remodeled to theCatalysis Research Center in 1989. The new Institutefor Catalysis will function as a unique Joint Usage/
Research Center for the catalysis field, succeeding themission of the Catalysis Research Center. We have 23
faculty members under eight Fundamental Research
Divisions and one Research and Development Division
supported by many post-docs and eight technicians.
Catalysts are materials that accelerate chemical
reactions. The development of catalyst materials is
expected to contribute to solving some of the global
problems we are facing now, such as climate change,
the exhaustion of energy and natural resources,
the population explosion, and deterioration of theenvironment.
Our missions are not only to perform frontier researchon catalysis, but to help and activate communities andto promote their catalytic research. We have started
the new Institute for Catalysis now and are going toattempt further missions to expand catalysis researchcollaboration with other fields such as physics, biology,
and environmental sciences, and create new academic
fields based on catalysis science.
Practical applications and industrialization based on
the established fundamental science is the second task.
Catalysis research is directly connected to practicalapplications. However, there is still a deep rift between
industry and fundamental university research. The
Research and Development Division is now trying tobridge these two entities through collaboration with theother fundamental research divisions, institutes, anduniversities outside the Institute for Catalysis.
Finally, the most important task is the creation ofa global catalysis network through the interactionof several institutes and universities. International
interaction will be important not only in research, butalso in education. This mission will be conducted
mainly in the newly built Catalysis Collaborative
Research Center.
We will continue to do our best to reinforce
collaborative work to overcome world-wide problems
through catalysis science and technology. We hopethat our activities will facilitate the establishment of aworld-wide sustainable society. Thank you for yourcooperation in further collaborations with us.

るため、内外の研究者と有機的に協働し、活動を強化して参りたいと存じますので、これまでにも増して皆様
からご意見、
ご支援・ご協力を賜りますようお願い申し上げます。
平成27年10月

1

Kiyotaka Asakura
Director of Institute for Catalysis,
Hokkaido University
October 1st, 2015.

2

3

4

触媒表面研 究 部 門

触媒表面研究部門

基礎研究系
Fundamental
Research

Catalyst Surface Research Division
http://www.hucc.hokudai.ac.jp/˜q16691/index.html

表面をみて、つくって、あやつって
Observe, Create and Manipulate Surfaces
朝倉清髙 教授（Kiyotaka ASAKUR A） 髙草木達 准教授（Satoru TAKAKUSAGI） 有賀寛子 助教（Hiroko ARIGA）
津野勝重 研究推進支援教授（Katsushige TSUNO）

触媒作用を司る固体表面を原子レベルで見て、表面

Our missions are observing the catalytically activeの構造や電子状態を解析し、反応機構の解明を行う

solid surfaces on an atomic level to reveal the reaction

とともに、触媒として興味深い表面を作って、反応を

mechanisms, making the catalytically interesting surfaces

操るのが研究室のミッションです。

and manipulating the surface reactions (Fig. 1). For

たとえば、燃料電池触 媒の研究に取り組み、動作

example, we have revealed the change of electronic state

環境における表面構造の変化や電子状態の変化、高of central atoms and its evolution after the photoabsorption

速電子移動の解明に取り組んでいます（図1）。また、

using pump-probe in situ XAFS in collaboration with IMS

分子科学研究所、高エネルギー加速器研究機構と共and KEK-PF (Fig. 2). We are challenging to develop new

同して、光吸収に伴い高速で変化する電子状態変化

surface analysis methods.

とその緩和過程を原子レベルで解明する取り組みもbased beam techniques to the characterization of the

行っています（図2）。こうした研究を支える顕微鏡法

surfaces such as positron, muon and free electron laser.

We applied the accelerator

や分光法の開発も行っています。特に新しい量子ビー
ムである陽電子、ミュオン、自由電子レーザを触媒に応用し新しい表面の知見を得ている。

Fig. 1 EXAFS can be obtained from the sample with lessthan 1015 cm-2 Pt on Highly oriented pyrolytic graphite in
the presence of electrolyte.
5Fig. 2 WO3 is a Z-scheme photocatalyst for water splitting.
We collaborated with Prof. Bunsho Ohtani (ICAT), IMS
and KEK-PF to reveal the evolution of electronic state after
the photoabsorption process with a ps order time resolution
using Pump-Probe XAFS method.

触媒理論研 究 部 門

触媒理論研究部門

基礎研究系
Fundamental
Research

Catalysis Theory Research Division
http://www.cat.hokudai.ac.jp/hasegawa/

複雑分子系の理論化学計算手法による触媒原理の解明
Theoretical and Computational Approach to Catalytic Principles
長谷川淳也 教授（Jun-ya HASEGAWA） 中山哲 准教授（Akira NAKAYAMA） 中谷直輝 助教（Naoki NAKATANI）

本部門では、電子状態、分子構造、動力学など多元的な複雑性に由来する触媒原理を明らかにすることを目的として研究を行っている。複雑な構造を持つ分子

To overcome multiple complexities i n cat aly tic
mechanisms, we are developing an accurate theory forcomplex electronic structures, QM/MM method forlarge molecular systems, AIMD method for molecular

系を計算するためのQM/MM法（図１）、化学反応のsimulations, and analytical methods based on quantum

動態を明らかにするAIMD法、熱的な分子構造揺らぎ

and statistical mechanics. These methods are applied toを考慮する統計力学的解析手法（図２）、複雑電子系

the catalytic reactions of organic catalysts, transition-の高精度計算が可能なDMRGなどの計算手法を開発するとともに、触媒反応への応用に取り組んでいる。

metal reagents, heterogeneous catalysts.
Several examples of our research activities in 2014 is
as follows: 1. Potential energy profiles for the adsorption

2014年度は、1.炭素触媒表面における糖の吸着構

and the mechanism for hydrolysis by carbon catalysts

造、モデル触 媒 系における糖の加水分解 機構（福岡

developed by Fukuoka group. 2. The redox process at

研究室と共同研究）、2.固体酸化物と金属の界面におthe metal/metal-oxide interface by the first-principles

ける酸素原子の移動を介した酸化還元プロセス、3.遷移金属錯体触媒を用いたアミドのヒドロシラン還元反molecular dynamics simulations. 3. Reaction mechanismof the platinum-catalyzed reduction of amide withbifunctional hydrosilane (with Nagashima group at

応のメカニズム（九州大学との共同研究）、4.DMRG

Kyusyu University). 4. Development of density matrixに基づく強相関系励起状態理論の開発とFe-Sクラス

renormalization group for calculating strongly-correlated

ターへの応用に関する理論的研究を行った。

excited states.

Fig. 1 Image of the QM/MM method for calculatingcomplex molecular systems.

Fig. 2 Free energy landscape of a chemical reaction inaqueous solution.
6表面分子科学 研 究 部 門

表面分子科学研究部門

基礎研究系
Fundamental
Research

Surface Molecular Science Research Division
http://www.cat.hokudai.ac.jp/osawa/

固液界面反応動力学の高速振動分光解析と反応制御
Real-time Vibrational Spectroscopic Monitoring and Control of Reaction
Dynamics at the Solid/Liquid Interface
大澤雅俊 特任教授（Masatoshi OSAWA） 叶深 准教授（Shen YE）

電極界面（固液界面）をはじめとする種々の界面のOur main interest lies in reactions that take place

構造ならびにそこでの化学反応過程を分子レベルで解at solid/liquid, solid/gas, and solid/solid interfaces. IR

析し、応用することを目的に研究を展開している。研spectroscopy, sum frequency generation (SFG), scanning

究手段として、赤外分光、和周波発生(SFG)分光、原probe microscopy (STM, AFM), laser spectroscopy, and子間力顕微鏡、電気化学的手法などを複合化して用い

electrochemical techniques have been combined in orderている。

to understand the reactions on a molecular scale. Surface-

主な研究テーマは、（1）固液界面構造と分子吸着挙

enhanced IR (SEIRAS) developed in our laboratory

動解析、（2）電極表面反応ダイナミクスの高速時間分

enables fast time-resolved reaction monitoring. The

解分光解析、（3）燃料電池を志向した電極触媒反応機

main subjects are (1) dynamics of molecular adsorption

構の解明、（4）機能性有機超薄膜の構築と構造・機能

at the electro-chemical interface, (2) electrode kinetics

解析、（5）SFGによる有機超薄膜の構造解析、（6）バ

and dynamics, (3) mechanism of electro-catalysis for

イオポリマー表面における水素結合と生体適合性とのfuel cells, (4) self-assembly of ultra-thin organic and相互、などである。

inorganic films and its applications, (5) structural analysis

当研究室の研究の特徴は、反応が進行している界面

of ultrathin organic films and interfaces by SGF, andをリアルタイムに追跡するところにある。表面増強赤(6) hydrogen bonding at bio-polymer surfaces and bio-

外分光という超高感度表面分光の開発がそれを可能に

compatibility.

している。

SEIRAS

SFG

7

物質変換研 究 部 門

物質変換研究部門

基礎研究系
Fundamental
Research

Catalytic Transformation Research Division
http://www.cat.hokudai.ac.jp/fukuoka/

固体触媒の分子設計と多様なエネルギー源・資源の利用
Molecular Design of Heterogeneous Catalysts for Utilization of Variable Energies and Resources
福岡淳 教授（Atsushi FUKUOKA） 中島清隆 准教授（Kiyotaka NAKAJIMA） 小林広和 助教（Hirokazu KOBAYASHI）

本部門では、固体 触 媒を分 子レベルで設 計し、多Our objective is molecular design of heterogeneous

様なエネルギー源・資 源の利用に応用している。特catalysts and their application for utilization of variableに、非食料の木質バイオマスを分解して糖化合物など

energies and resources. We have found that an alkali-の有用化学品に変換する固体触媒の研究を進めていactivated carbon hydrolyzes cellulose to glucose, and thatる。本研究の中で、空気酸化した炭素がセルロースを

the active sites are weakly-acidic groups. Recently, instead

加水分解して高収率でグルコースを合成できることをof the alkali-activation, we developed a facile air oxidation

見出した（図1）。炭素表面の芳香環がセルロースを吸

method for the synthesis of inexpensive and highly active

着し、弱酸点がグリコシド結合を切断する。現在は実carbon catalysts (Fig. 1). Efficient hydrolysis of real woody

バイオマスを効率的に分解できる触媒系の開発をめ

biomass is now under investigation.

ざしている。

Another recent finding in our group includes high

また、野菜や果物を腐敗させるエチレンを触媒で酸

catalytic performance of Pt nanoparticles on mesoporous

化して除去することにより、食料の長期保存を可能に

silica (Pt/MCM- 41) in oxidation of ethylene at low

し、廃棄率の低下や飢餓地域への食料輸送の実現を

temperatures (0 ℃, Fig. 2), which prevents ripening ofめざしている。本研究では、メソポーラスシリカ担持

vegetables and fruits. Infrared analysis suggested that

白金触媒Pt/MCM-41が低温下においてエチレンを

CO is an intermediate in this catalytic reaction. We are

完全に除去することを見出した。赤外分光法を用いたstudying the structure-activity relationship to elucidate the

検討からは一酸化炭素が反応中間体であることが示

reaction mechanism.

唆された（図2）。触媒の構造活性相関を検討し反応機構の解明に取り組んでいる。

Fig. 1 Air-oxidized carbon catalysts for the hydrolysis ofcellulose.

Fig. 2 Proposed mechanism for low-temperature oxidationof ethylene over Pt/MCM-41.
8触媒材料研 究 部 門

触媒材料研究部門

基礎研究系
Fundamental
Research

Catalyst Material Research Division
http://www.cat.hokudai.ac.jp/shimizu/

理想的な化学品合成・自動車排ガス浄化を目指した多機能性触媒の設計
Design of Multifunctional Catalysis for Ideal Synthesis and Automotive Pollution Control
清水研一 教授（Kenichi SHIMIZU）

稀少金属資源の使用量を最小限に抑えたグリーン

Our aim is to design new heterogeneous catalysts for

有機合成、環境浄化用固体触媒の開発を目的とする。

green organic reactions and automotive pollution control

種々のIn-situ分光を駆使した触媒構造・反応機構研究

with minimum use of metal resources. Mechanistic

を通じて触媒構造−機能−性能の相関関係を明確化

and structural studies by various in-situ spectroscopic

し、触媒設計にフィードバックさせる。機能の異なる複

methods establish the structure-activity relationship, which

数の金属・酸化物種を近接させた界面の設計が複合効

provides fundamental basis for catalyst design. Control of

果の任意制御の鍵となると考えている。

multifunctional active sites at metal-support interface willbe the key to the catalyst development.

9光触媒科学研 究 部 門

光触媒科学研究部門

基礎研究系
Fundamental
Research

Photocatalysis Research Division
http://www.hucc.hokudai.ac.jp/˜k15391/

機能性微粒子の設計・開発と化学反応系への応用
Design, Development and Application of Functionalized Particles
大谷文章 教授（Bunsho OHTANI） エバ＝コワルスカ 准教授（Ewa KOWALSKA） 髙島舞 助教（Mai TAKASHIMA）

触媒あるいは光触媒などをはじめとするさまざまなWe are aiming to design and fabricate functionalized

化学機能をもつ微粒子の設計と調製、評価をおこなう

micro-/nano-particles and apply them to chemical reaction

とともに、それらを化学反応系に応用することをめざし

systems for efficient use of energy and resources. Recentている。具体的には、（1）高効率な光触媒反応系の構

achievements include (1) development of analytical

築を目的として、作用スペクトル解析法および二重励

methods, action spectrum analyses and double-beam

起光音響分光法を開発し、微粒子光触媒の設計指針

photoacoustic spectroscopy for evaluating photocatalyst

および反応機構に関する知見をえた。
（2）新規な精密

particles for the purpose of designing a highly active

制御気相法チタニア合成装置を開発し、世界最高性能

p h o t o c a t a ly s t ; (2) p r e p a r a t io n of h ig h ly a c t iveの十面体形状アナタースチタニア光触媒を調製するこtitanium(IV) oxide (titania) photocatalyst par ticlesとに成功した（図1）。
（3）金微粒子担持酸化チタン光using a newly developed gas-phase reactor (Fig. 1); (3)触媒を開発し、従来の半導体光触媒反応系におけるバ

development of a visible-light responsive gold-loaded

ンドギャップ吸収ではなく、金の表面プラズモン共鳴

titania photocatalyst particles driven by surface plasmon

吸収にもとづく新規な可視光誘起光触媒反応系を開resonance absorption of gold; (4) development of metal

発した。
（4）水熱処理などの方法を駆使して、ミクロなoxide particles with micro-macro hierarchical structure

結晶構造およびマクロな集合構造を規制した金属酸化

through processes such as hydrothermal treatment of

物微粒子を調製し（図2）、その高い可視光誘起光触媒

substrates (Fig. 2), which show relatively high level of

活性を確認した。

photocatalytic activity under visible-light irradiation.

Fig. 1

Fig. 210分子触媒研 究 部 門

分子触媒研究部門

基礎研究系
Fundamental
Research

Molecular Catalyst Research Division
http://www.cat.hokudai.ac.jp/takahashi/

有機金属化学を駆使して、新たな炭素骨格構築反応の開発を目指す！
Toward Novel Carbon-Carbon Bond Formation by Organometallic Chemistry
高橋保 教授（Tamotsu TAKAHASHI） 小笠原正道 准教授（Masamichi OGASAWAR A） 宋志毅 助教（Zhiyi SONG）
笠原二郎 研究推進支援教授（Jiro KASAHAR A）

当研究室では従来より、様々な遷移金属試薬/触媒を用いた新規有機合成反応の開発を行っており、古典的な有機化学においては困難とされてきた様々な炭素骨格変換反応/立体選択的反応を見出している。
チタン錯体１によるCpとジエン部位とのカップリン
グ反応によりジヒドロインデニルチタン錯体2 が生成し、さらに炭素−炭素結合切断が起こり、異性化反応
により錯体3へと変化する。今回、生成したチタノセン
錯体の多様な反応性を明らかにすべく、添加剤の検討を行った。その結果、アゾベンゼンに加え添加剤としてトリメチルホスフィンを加えると、ジエン部位と置換基の間の炭素-炭素結合がひとつ切断され、三置換インデン誘導体が得られることを見出した。また、錯体３にア
ゾベンゼンのみを入れると、四置換インデン誘導体がえられた。Scheme 1に示すように、驚くことに錯体３の五つ鎖状炭素が環状に戻った、一度切断した炭素―炭素結合が再結合するという珍しい例を見いだした。
共役ジエンの炭素−炭素単結合における回転を阻害
するとアトロプ異性体が生じるが、アトロプ異性ジエンの不斉源としての利用はほとんど報告されていなかった。テトラリン骨格を縮環させたブタジエン誘導体１がアトロプ異性に基づく螺旋不斉を示すことを見いだした。１はルイス塩基であり、不斉有機分子触媒としてアルデヒドのアリル化反応へ応用したところ、特異的に高い触媒活性、優れたエナンチオ選択性を示した。

Scheme 1. Carbon-Carbon bond cleavage reactions ofTitanacyclopentadienes

11

Cleavage/formation of carbon-carbon bonds in organic
molecules have been a major challenge in synthetic organic
chemistry. By utilizing transition–metal reagents or
catalysts, our research group has developed such reactions
with unique modes of C-C bond cleavage/formation orinteresting stereoselectivity.
Titanacyclopentadiene complexes 1 underwent intramol
ecular coupling of Cp with diene moiety to give dihydroi
ndene complexes 2. Complexes 2 were converted to 3 via
C-C bond cleavage. When tetraalkyldihydroindene com
plexes 3 were treated with azobenzene in the presence of
PMe3, one alkyl group was cut off to give an indene with
THREE substituents.
On the other hand, when tetraalkyldihydroindene
complexes 3 were treated with azobenzene in the absenceof PMe3, an indene product with FOUR substituents was
obtained. Surprisingly, linearly-aligned 5 carbons in thedihydroindene moiety of 3, which were once the cyclic fivecarbons of Cp ring, were converted to the five-memberedring of the indene product. Once cleaved C-C bond wasrecombined.
Restricted rotation about the carbon-carbon single bondin a 1,3-diene induces atropisomeric chirality, however, thedienic atropisomeric chirality has been rarely utilized forasymmetric reactions as chiral templates. We have recently
found out that cycloalkane-fused butadiene derivative
1 is atropisomeric and isolable in the enantiomericallypure for ms showing excellent perfor mances in theorganocatalytic asymmetric allylation of aldehydes.

Scheme 2. Synthesis of Atropisomeric Dienic Phosphine
Oxide 1 and Its Application in Organocatalytic Allylation of
Aldehydes

高分子機能科学 研 究 部 門

高分子機能科学研究部門

基礎研究系
Fundamental
Research

Macromolecular Science Research Division
http://polymer.cat.hokudai.ac.jp/

高分子・超分子の精密構造制御による機能性材料の開発
Control of Polymer and Supramolecular Structures Leading to Advanced Materials
中野

環 教授（Tamaki NAKANO） 小山靖人 准教授（Yasuhito KOYAMA）

当部門では先端材料としての応用を目指して構造制御された高分子および超分子を合成している。重合反応の設計により、らせん、π-スタック型、ハイパーブラ

吉満隼人 助教（Hayato YOSHIMITSU）

Our research focuses on the synthesis of polymers andsupramolecules having controlled structures including
helix, π-stacked conformation, and hyperbranched morph
and ordered liquid crystalline phases aiming at creating

ンチ型などの分子構造および高次構造の制御を実現

advanced materials showing catalytic activities, photo

し、加えて、液晶等の分子間構造制御法も開発していemission, conduction, energy transfer, non-linear optical

る。制御構造を有する高分子・超分子を用い、触媒、

properties, separation functions, and pharmaceutical

発光、導電性、エネルギー移動、光学非線形特性、分離、薬理活性等の高度な機能の発現に挑戦している。

activities.
We have succeeded in synthesis and structural elucidat
ion of π-stacked vinyl polymer, poly(dibenzofulvene), for

当研究室ではπスタック型構造をビニルポリマーに

the first time (Fig. 1). Based on the π-stacked structure,

対して制御することに初めて成功した（図１）。πスタッ

this polymer shows valuable photo electronic properties

ク型ポリマーは特異な立体構造に基づいて、興味深いthat have been thought to be unique to main-chain conjuga

光・電子物性を示す。光電子物性は主鎖共役系高分子に特異的なものと考えられていたが、ビニルポリマー

ted polymers. Another goal is to create a polymer helix us
ing light: we have for the first time prepared a preferredhanded helix on the basis of chirality of light (circularly poの構造制御により優れた材料が開発できることを明ら

larized light) and further extended this work to a helical-

かにした。また、円偏光を用いたらせん高分子の合成

sense switching driven/triggered by light (Fig. 2).

に成功し、さらに、光でらせんの向きをスイッチングするらせん高分子系の開発も行っている（図2）。

Fig. 1. Structure of poly(dibenzofulvene), the first π-stacked
vinyl polymer.

Fig. 2. Chirality switching of helical polymer driven/
triggered by circularly polarized light (CPL).
12研究開発部 門

研究開発部門

実用化推進系
Practical
Applications

Research and Development Division
http://www.cat.hokudai.ac.jp/osawa/

大学の知的財産の実用化・商業化及び企業の実用化ニーズの技術シーズ化Technical Transfer of Intellectual Property owned by University to Industry ＆Introduction of Industrial Need to University as Research Seed西田まゆみ 教授（Mayumi NISHIDA） 安田友洋 准教授（Tomohiro YASUDA）

実用化基盤技術開発部は、産学連携強化をより進め

The technical application division was set up in April

ることを目的とする文部科学省の要請に応え、全国に2014 in Hokkaido University in run up to other universities

先駆け2014年4月から北海道大学触媒化学研究セン

in Japan at the request of the Ministry of Education,

ターに設けられた研究室です。そのミッションは、大学

Culture, Sports, Science and Technology. The missionの知的財産の実用化・商業化及び企業の実用化ニーズ

statements of the technical application division are asの技術シーズ化にあります。実用化基盤技術開発部のfollows.

役割は、研究者コミュニティーの成果を国内外の企業に紹介し、実用化に興味を示す企業を見つけ出し、本来の発明者である先生の立場に立って、大学の知的財産の活用を推し進め、成果に市場価値を付与すること

1. Technical transfer of intellectual properties owned by
Japanese universities to industry
2. I nt roduct ion of i ndust r ial needs to Japanese
universities as research seedsです。また、市場から要求される技術を大学での研究

In April 2015, the technical application division started

シーズにまで落とし込み、それを研究者コミュニティー

the collaboration with National Institute of Advancedに投げかけることで、企業の要望に沿った新しい技術

Industrial Science and Technology, which was under開発を行います。2015年4月からは産業技術総合研究

Ministry of Economy and Trade and Industry, on a cross-

所触媒化学融合研究センターとのクロスアポイントメ

appointment system to promote cooperation among

ントによりにより、 産学官のネットワークを更に広げgovernment, academia and industry.

て行きます。

Mission Statement of Technical Application Division
Technical Transfer of Intellectual Property
owned by University to Industry

Business㻌 People

Researcher㻌 Community
13

Introduction of Industrial Needto University as Research Seed

ターゲット研究部 Department of Target Research
サステナブル触媒研究クラスター
Research Cluster for Sustainable Catalyst
http://www.cat.hokudai.ac.jp/, http://www.catalystdb.jp/index.php

拠点型CentralResearch
Section

触媒化学研究拠点事業の推進
Promoting Catalysis Research on the Basis of a Collaboration Framework
Cluster Leader: 長谷川淳也（Jun-ya HASEGAWA）
Member: 朝倉清髙（Kiyotaka ASAKURA, ICAT, Hokkaido Univ.）

福岡

淳（Atsushi FUKUOKA, ICAT, Hokkaido Univ.）

大澤雅俊（Masatoshi OSAWA, ICAT, Hokkaido Univ.）

中野

環（Tamaki NAKANO, ICAT, Hokkaido Univ.）

大谷文章（Bunsho OHTANI, ICAT, Hokkaido Univ.）

西田まゆみ（Mayumi NISHIDA, ICAT, Hokkaido Univ.）

高橋保（Tamotsu TAKAHASHI, ICAT, Hokkaido Univ.）

清水研一（Kenichi SHIMIZU, ICAT, Hokkaido Univ.）

For realizing a sustainable society, high level developme

学技術の先端研究を推進する。全国の研究者コミュ

nt of catalysis science is indispensable. This cluster is aim

ニティーとの協力研究体制の提案と構築、触媒科学

ing at collaboration and/or fusion of current catalytic studiの体系化、全国の研究者の情報共有のためのネット

es as well as the development of new catalytic science andワーク構築など、触 媒科学研究拠 点として独自な事

technologies like catalytic biomass conversion and also

業を行う。

new catalyst characterization methodology through netwo

ターゲット研究部

持続可能社会の構築に向け、その鍵となる触媒科

rking of researchers in catalytic science and related fields.

①サステナブル触媒事業
持続可能な社会に向けた技術革新を可能とする新This collaboration framework provides chances for the re

しいエネルギー・資源・物質変換の触媒科学・技

searchers to make global collaboration for discussing prob

術研究を推進する。

lems in catalytic studies, and for making international pro②触媒高度実践研修プログラム事業

posals relating to chemistry and catalytic science. We also

統合的触媒研究体制のもと、研究者の人材育成、

plan to systematize known catalytic chemistry and techno

触媒開発支援をする。③触媒データベース事業

logies by making database and to use the information for③複雑に進化する触媒に関係する膨大な科学技術

education and training of researchers in the field of catalysの体系化、触媒データベースを構築する。

is.

Figure 1. Top page view of the web site of catalyst database14

■ ターゲット研究部

不斉反応場クラスター

展開型

Research Cluster for Development of Non-centrochirality As Novel Asymmetric Reactants Media
http://www.cat.hokudai.ac.jp/takahashi/

Extensive
Research
Section「非中心不斉」化合物の不斉合成、不斉反応場としての応用を目指す
Development of Novel Application of Non-Centrochirality in Stereoselective Reactions
Cluster Leader: 小笠原正道（Masamichi OGASAWAR A）
Member: 柴田哲男（Norio SHIBATA, Nagoya Institute of Technology）

吉田和弘（Kazuhiro YOSHIDA, Chiba Univ.）

野村琴広（Kotohiro NOMURA, Tokyo Metropolitan Univ.）

神川憲（Ken KAMIKAWA, Osaka Prefecture Univ.）

西原康師（Yasushi NISHIHAR A, Okayama Univ.）

阿部竜（Ryu ABE, Kyoto Univ.）

中島誠（Makoto NAKAJIMA, Kumamoto Univ.）

中野

環（Tamaki NAKANO, ICAT, Hokkaido Univ.）

本研 究 では、軸 不斉、軸 不斉、螺 旋 不斉といったPurposes of this research project are development of「非中心不斉」を有する化合物の効率的な不斉合成

novel methods of inducing “non-centrochirality”, which

法の開発、およびそれらのキラル化合物の不斉試薬、

includes axial-, planar-, or helical-chirality, by the use

ターゲット研究部

不斉触媒、不斉反応場としての応用を目的とする。
立体て選択的合成手法、とりわけエナンチオ選択的合成反応の開発は近年の合成化学における最も重要な課題の一つであり、活発な研究が行われている。しかしながら、この分野の従来の報告例のほとんどは、of transition-metal-catalyzed asymmetric reactions andapplication of such non-centrally chiral molecules inasymmetric transformations as chiral reagents, catalysts,
or media.
Development of novel enantio-selective reactions has
been an area of extensively studied in recent synthetic

炭素上に中心不斉を誘起するものであり、「非中心不organic chemistry. In spite of importance of axially and/

斉」を有する化合物の触媒的不斉合成の成功例は非or planarly chiral compounds in this field, most of the

常に限られている。一方、軸不斉・面不斉を有する化

reports feature construction of tertiary or quaternary

合物は、不斉合成反応における効果的なキラル・テン

stereogen ic carbons and asy m met r ic sy nthesis of

プレートであることが知られている。すなわち、「非中

compounds with non-centrochirality is extremely rare.

心不斉化合物」の不斉合成は、潜在的な「不斉触媒種

We are going to challenge this relatively unexplored area,（あるいはその前駆体）」の不斉合成ととらえること

which will potentially be “catalytic asymmetric synthesisができる。

of asymmetric catalysts”.

Scheme 1. Development of Planar-Chiral (Arene)chromium-Based Phosphine-Olefin Ligands and Their Application in
Rhodium-Catalyzed Asymmetric Conjugate Addition Reaction.
15

Department of Target Research

構造制御表面反応場研究クラスター
Research Cluster of Well-deﬁned Surface Structures for Precise Reaction Control
http://www.hucc.hokudai.ac.jp/˜q16691/index.html

展開型
Extensive
Research
Section

構造の制御された表面反応場をつくる、みる
Create and Observe Well-deﬁned Surface Structures for Precise Reaction Control
Cluster Leader: 髙草木達（Satoru TAKAKUSAGI）
Member: 清水研一（Ken-ichi SHIMIZU, ICAT, Hokkaido Univ.）

魚崎浩平（Kohei UOSAKI, NIMS）

八木一三（Ichizo YAGI, Hokkaido Univ.）

増田卓也（Takuya MASUDA, NIMS）

佃達哉（Tatsuya TSUKUDA, The Univ. of Tokyo）

角山寛規（Hironori TSUNOYAMA, Keio Univ.）

田旺帝（Wan-Jae CHUN, International Christian Univ.）

原賢二（Kenji HAR A, Tokyo Univ. of Technology）

近藤敏啓（Toshihiro KONDO, Ochanomizu Univ.）

構造の規定された酸化物単結晶表面を機能性分子

The objective of our research group is to create well-

や金属で様々に修飾することで、well-definedな表

defined active surface structures by modifying oxide

面反応場を構築する。走査型トンネル顕微鏡（STM）

ルでの幾何・電子構造評価を行うとともに、実際に触媒活性を測定することで活性発現の起源を明らかにし、活性サイトの合理的設計のための指針を得る。

and metals. They are characterized at an atomic level byusing advanced surface science techniques such as STM
and PTRF-XAFS to elucidate the origin of the catalytic
activity.
We are now focusing on metal nanoclusters on oxide sur

例えば酸化物上の金属ナノ粒子は担持金属触媒を

faces because they are technologically important as oxide-

はじめ、センター、電子デバイスなど様々な材料に応

supported metal catalysts, sensors, and electronic devic

用されているが、凝集が起こりやすく、微少クラスター

es. It is not easy to prepare homogeneous subnanometer-（サイズが1nm以下）を均一に十分な量担持することが難しい。しかし酸化物表面を、あらかじめ金属と強く相互作用する官能基を有する機能性分子で修飾

ターゲット研究部や偏光 全反射蛍光X AFS法を用いて原子・分子レベsingle crystal surfaces with various functional molecules

sized clusters on oxides because they are easily aggregat
ed to form large clusters although they are expected as thenext generation catalysts or devices. We succeeded in preparing an atomically dispersed metal species by premodify

することで、図１のように金属を単原子状に分散でき

ing an oxide surface with functional molecules before met

る。機能性分子の被覆率と金属の導入量を変化させ

al deposition (Fig. 1), which may enable precise size contr

ることで、サイズを制御した微小クラスターの調製がol of subnanometer-sized clusters by controlling densities

可能になると期待できる。

of the functional molecule and the deposited metal.

Figure 1. Atomically dispersed Au on
TiO2(110) premodified with o-MBA(mercaptobenzoic acid) molecules.
16

■ ターゲット研究部

バイオインターフェース研究クラスター
Research Cluster of Bio-Interface
http://www.hokudai.ac.jp/osawa/member/ye

展開型
Extensive
Research
Section

生体界面の分子構造を高感度で追跡する
Exploring the Bio-Interface in a Molecular Sensitivity
Cluster Leader: 叶深（Shen YE）
Member: 村越敬（Kei MUR AKOSHI, Hokkaido Univ.）

葉金花（Jinhua YE, National Institute for Materials Science）

今堀博（Hiroshi IMAHORI, Kyoto Univ.）
田中賢（Masaru TANAKA, Kyushu Univ.）

ターゲット研究部

物 質の触 媒 活 性や機 能 性はその 物 質の 表 面や界Molecular structure at surface of a functional material

面の原子・分 子の配列構造に支配されている。我々

plays important roles in its functionality and catalytic

は、和周波発生（SFG）振動分光法や原子間力顕微鏡

activity. Our research interest is focused on elucidation of（AFM）などの表面科学的手法を用い、生体膜をは

relationship between the functionality and the molecular

じめとする生体機能性材料の界面分子構造の解明を

structures on the surface or interfaces of bio-membranes

通じて、その機能性発現の機構解明を分子レベルでand functional materials at molecular level using sum実現する。タンパク質や酵素などの様々な生体分子と

frequency generation (SFG) spectroscopy and atomicの反応に伴う界面構造の高感度な追跡により、バイ

force microscope (AFM). The enzyme reaction and phase

オインターフェースにおける反応の機構解明を目指す

transition have been investigated by these approachesと同時に、生体機能性材料の開発にも貢献する。さらunder in situ conditions. The structures on the electrode/に、リチウムイオン電池や金属空気電池などの蓄電池

solution interfaces in several secondary batteries, suchの充放電性能や安定性の改良を表面科学的視点から

as Li-ion battery and metal-air battery, have also been

取り組み、電極と有機電解質溶液との界面構造をそ

studied to establish our basic understanding between theの場に解明することにより、機能性電極触媒材料のbattery performance and the interfacial structures.

開発に貢献する。

Figure 1. Scheme for SFG and AFM Measurements on the Bio-interface.
17

Department of Target Research

光機能性プラズモン粒子研究クラスター
Research Cluster for Photofunctional Plasmonic Particles
http://www.hucc.hokudai.ac.jp/˜k15391/

展開型
Extensive
Research
Section

環境浄化用プラズモン励起型光触媒の開発
Development of Plasmonic Photocatalysts for Environmental Applications
Cluster Leader: エバ＝コワルスカ（Ewa KOWALSKA）
Member: 髙草木達（Satoru TAKAKUSAGI, ICAT, Hokkaido Univ.）

高瀬舞（Mai TAKASE, Muroran Institute of Technology）
Hynd REMITA （Univ. de Paris-Sud, France）
Saulius JUODKAZIS（Swinburne Univ. of Technology, Australia）

Sven R AU（Hironori TSUNOYAMA, Keio Univ.）

本研究クラスターでは、太陽光にふくまれる可視光の波長領域において表面プラズモン共鳴吸収をもつ光属あるいは合金と広いバンドギャップをもつ半導体からなる光触媒の開発をめざしている。これらの光触媒を用いる紫外あるいは可視光照射下での汚染物質分
解の反応機構およびLSPR吸収により生じる電場による光触媒活性向上の効果を検討し、主要な反応条件および光触媒活性と物理化学的特性の相関を明らかにする。さらにこのプラズモン光触媒に均一系光触媒である金属錯体を修飾することにより、さらなる光触媒活性の向上と光吸収、キャリア移動および酸化還元反Agata MARKOWSKA-SZCZUPAK（The West Pomeranian Univ. of Technology, Poland）

Antoni W. MOR AWSKI（The West Pomeranian Univ. of Technology, Poland）

Wojciech MACYK（Jagiellonian Univ., Poland）

Our research will focus on development of photofunctional
nanopar ticles with plasmonic proper ties (LSPR) at
visible range of solar spectrum, i.e. mono and bimetallic
photocatalysts composed of gold, silver, copper and wideband semiconductor. We will examine the influence ofstructural properties on the photocatalytic activity andon the mechanism of chemical and biological (bacteria
and fungi) pollutants degradation. The mechanism ofphotocatalytic action under visible light irradiation will be
studied by a few methods, e.g., i) action spectra analysis, ii)
determination of quasi Fermi level, and iii) determinationof lifetime of charge carriers by time resolved microwave
conductivity (TRMC) and photoacoustic spectroscopy(PAS). The influence of titania facets (101 and 001) on
properties of metal deposits, and thus on resultant photoand antiseptic properties will be also examined.

ターゲット研究部

機能性なの粒子、すなわち、金、銀あるいは銅などの金

Adriana ZALESKA（Gdansk Univ., Poland）

応の機構を解明する。

Figure 1. Scheme for SFG and AFM Measurements on the Biointerface.

Fig. 2. Scheme of photodegradation of chemicaland biological pollutants on titania (exposed with(101) facets) modified with NPs of gold and silver.
18

■ ターゲット研究部

バイオポリマー研究クラスター
Research Cluster for Biopolymers
http://www.cat.hokudai.ac.jp/biopolymer.html

展開型
Extensive
Research
Section

生体高分子の精密合成法を開発し、超分子材料を創製する
Development of Exact Polymerization Method of Biopolymers and Creation of SupramolecularMaterials Exploiting Biopolymers
Cluster Leader: 小山靖人（Yasuhito KOYAMA）
Member: 芹澤武（Takeshi SERIZAWA, Tokyo Institute of Technology）

門出健次（Kenji MONDE, Hokkaido Univ.）
福岡

淳（Atsushi FUKUOKA, ICAT, Hokkaido Univ.）

高田十志和（Toshikazu TAKATA, Tokyo Institute of Technology）

ターゲット研究部

光学活性な有機化合物の構造を合理的に設計する

Rational design of optically active organic compounds

ことにより、有用な機能性材料が創出される。有機金

produce useful materials such as organometallic catalysts,

属触 媒、分離・分割材料、円偏光 発 光 性材料などがchiral separation resins, and circularly polarized light

その代表的な例である。不斉場と機能性物質の複合(CPL)-emit ting mater ials. Hybr idization bet ween

化は、今後の革新的な機能性材料の創製において重asymmetric field and functional materials is an important

要であると考えられる。

concept on a creation of innovative materials. Helical

らせん 高 分 子 は 、光 学 活 性 低 分 子 には存 在しな

polymers have been regarded as a unique scaffold for high

い特異な不斉場である繰り返し構造間の「空孔 」や

performance materials, because they have two unique「溝」を有する。そのためらせん高分子を機能性材料

asymmetric fields, cavity and groove. On the basis ofの土台として活用する研究が近年盛んに行われていsuch backgrounds, we are intrigued by the potential

る。こうした背景の下、我々は①高次構造が完全に一

usefulness of biopolymers as a rigid, multi-functional,

方向巻きで、②様々な機能性物質と容易に複合化で

and stimuli-switchable helical foldamer. Development ofき、さらに③らせん構造を外部刺激によって自在に制exact polymerization method of biopolymers, elucidation

御できるような生体高分子に着目している。現在、糖of dynamic behavior of biopolymers, and creation of

鎖やポリペプチドの精密合成法と、高次構造の動的

supramolecular materials exploiting biopolymers are

特性の解明、及び生体高分子及び関連する生体分子

currently underway.

の構造特性を活かした超分子材料の創製について研究を実施している。
Conceptual Structure of Biopolymer
as a Helical Foldamer

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Research Motifs

Department of Target Research

量子シミュレーション研究クラスター
Research Cluster for Quantum Simulation
http://www.cat.hokudai.ac.jp/hasegawa/

展開型
Extensive
Research
Section

量子シミュレーション手法の開発と触媒反応の理論的解析
Development of the Methodology of Quantum Simulations and its Application to Catalytic Reactions
Cluster Leader: 中山哲（Akira NAKAYAMA）
Member: 髙草木達（Satoru TAKAKUSAGI, ICAT, Hokkaido Univ.）

原賢二（Kenji HAR A, Tokyo University of Technology）

清水研一（Ken-ichi SHIMIZU, ICAT, Hokkaido Univ.）

中村恒夫（Hisao NAKAMUR A, AIST）

武次徹也（Tetsuya TAKETSUGU, Hokkaido Univ.）

Nisanth N. NAIR
（Indian Institute of Technology Kanpur, India）

Ou r research focuses on the u nderst anding andと理論的設計法の確立を目指し、第一原理分子動力

theoretical modeling of the catalytic reactions with

学法やQM/MM法などの量子シミュレーション手法

the help of computer simulations such as the f irst-

をもとに、方法論の開発と応用研究を行っている。

principles molecular dynamics simulations and QM/MM

特に不均一系での触媒反応に重点を置き、反応活

methods. In particular, we are interested in chemical

性点周辺の電子状態の変化、表面欠陥の影響、ナノク

processes occurring in the heterogeneous catalysis andラスター担持触媒における接合部の役割、表面上の熱

aim to elucidate the underlying mechanisms of catalytic

力学的なプロセスに着目した触媒機能解析を行う。まreactions by examining the electronic structure around

た、触媒設計を指向したナノ接合界面における理論的the active site, a role of surface defects and interface,

モデリングも行い、界面電子移動反応にも展開する。

and environmental effects, and so on. The theoretical

ターゲット研究部

本研究クラスターでは、触媒反応のメカニズム解明

modeling of the electron transport process at the interfaces
is also a topic of our research.

Fig. 1. Heterogeneous catalytic reactions

Fig. 2 Redox process at the metal/metal-oxide interface20

■ ターゲット研究部

水中機能酸塩基触媒研究クラスター

展開型
Extensive
Research
SectionResearch Cluster for Water-Compatible Acid-Base Catalysts
http://www.cat.hokudai.ac.jp/fukuoka.html

水中で機能する固体酸塩基触媒を開発し、植物由来炭化水素から必須化学品の原料を得る
Development of water-compatible solid acid-base catalysts for the conversion ofabundant carbohydrates in nature to platform molecules for bulk chemical production

Cluster Leader: 中島清隆（Kiyotaka NAKAJIMA）
Member: 長谷川淳也（Jun-ya HASEGAWA, ICAT, Hokkaido Univ.）

神谷裕一（Yuichi KAMIYA, Hokkaido Univ.）

本倉健（Ken MOTOKUR A, Tokyo Institute of Technology）
Emiel J.M. HENSEN（Eindhoven University of Technology, The Nederlands）

一國伸之（Nobuyuki ICHIKUNI, Chiba Univ.）
横井俊之（Toshiyuki YOKOI, Tokyo Institute of Technology）

Barbara ONIDA（The Politecnico di Torino, Italy）

加藤英樹（Hideki KATOH, Tohoku Univ.）

近年、化石資源に依存しない資源循環型社会の構築

ターゲット研究部が求められており、反応性の高い植物由来炭化水素を原料とした水溶液内での必須化学品原料の合成が重要な課題となっている。本研究クラスターでは、固体酸化物の水溶液内における酸塩基触媒作用、特にこれまで検討されていなかった電子欠損金属サイトと電子過多な格子酸素の酸塩基性質を解明し、環境低負荷を志向した水溶液内でのバルクケミカル原料合成に取り組む。主な検討内容は、多様な植物由来の炭化水素（糖類、高級脂肪酸およびそのエステルなど）からカルボン酸､ケトン、アルデヒド、オレフィン類などを高収率で獲得する反応系の構築である。特に塩基サイトによる正・逆縮合反応の制御が可能となれば、C2〜C4を中心とした低分子量炭化水素からC12を大幅に上回る高分子量炭化水素合成の道筋が確立できる。

Chemical production from renewable and easily acces
sible carbohydrates in nature is increasingly important inrecent years for the development of sustainable society.
Plant-derived carbohydrates, which show higher reactivity
than fossil fuel-derived hydrocarbons, can be converted to
attractive platform molecules (furans, organic acids, keton
es, aldehydes, olefin, etc.) by acid-base catalysis in water.
In this project, water-compatible acid and base functionali
ty of electron-deficient metal species and electron-rich lattice oxygen sites, respectively, on metal oxides has been st
udied for aqueous-phase reactions of the carbohydrates. Pr
ecise control of basicity for oxide catalysts would enable
selective production of various small (C2-C4) and large (>C12) hydrocarbons though fragmentation and condensati
on reactions. The resulting molecules can be used as susta
inable resources for the production of a variety of industri
ally important chemicals.
Concept for active sites
Lewis acid site
Base site

Polyhedra in metal oxide surface

M Oį

O
-

M

į+

Carbohydrates

Platform molecules

䞉Sugars
䞉Fatty acids
䞉Fatty acid alkyl esters

䞉Furans, Organic acids
Ketones, Aldehydes,
Olefins

Conceptual illustration of acid-base pair on metal oxide surface available for carbohydrates
conversion in water21

研 究 支 援 技 術 部 T ec hni c a l Di v i si on
研究者と協力し、新しい装置を開発していく
Technical Support in Response to Various Special Needs of Scientists
http://www.cat.hokudai.ac.jp/technical/

研究支援技術部では、研究者からの規格外の特殊

The Technical Division is composed of Research Equipment

な要望に迅速に対応し、ガラス・金属製の実験器具・

Development Teams No. 1 and No. 2 and the Research Equipment装置の開発・製作・改良、本センター機器・設備・ネッManagement Team.

トワーク管理などの多岐にわたる技術補助を行い、本センターの高度な研究を支えている。講習会を開催
し、研究者と技術部との連携を高めるとともに、実習を通して安全な研究を支援し、共同研究による外部
からの依頼に対しても、長年培ってきた高度な技術を提供することで研究者と協力し、新しい装置を開発しResearch Equipment Development Team No. 1 manufactures
glassware commonly used in chemical experiments as well as
special glassware that is not commercially available, such as
vacuum pumps and special spectrochemical cells.
Research Equipment Development Team No. 2 is in charge ofmetal processing, welding, and the construction of equipmentている。
第一研究機器開発班：数百種類以上の装置・器具

such as ultra-high vacuum systems.

の開発・製作経験を活かした精度・実用度の高いガラ

The Research Equipment Management Team is responsible

ス加工を行っています。

for maintaining common-use equipment, such as SEM, TEM,

第二研究機器開発班：金属・樹脂・セラミックスの加工を行っており、主に真空部品・光学部品・電気化
学セル等を製作しています。汎用の工作機械を用いた加工から、自動プログラムを用いたNC加工までさま
ざまな機械工作を行っています。
研 究 機 器 管 理 班：本 センター の 走 査 型 電 子 顕 微

XPS, and NMR.
Our mission is to contribute to research at Inst.Catal throughtechnical support. We aim to make user-friendly, highly efficientequipment as requested, through active discussion and consultation
with the researchers from the early stages of development.

鏡、透過電子顕微鏡、X線光電子分光装置、吸着測定

Although we have many years of experience in glassblowing and装置、核磁気共鳴装置などの機器管理、ネットワーク

metal processing, we make every effort to acquire new skills.

管理を行っています。

研究支援技術部

技術部講習会

冷却装置
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