【高瞻特輯-化學催化反應】金剛烷的合成（The Synthesis of Adamantane）

【高瞻特輯】金剛烷的合成（The Synthesis of Adamantane）
日本早稻田大學室井髙城(Muroi Takashiro)教授撰寫/麻省理工學院材料系李祐慈博士責任編輯

【本系列文章譯自日本報導】

金剛烷與鑽石的化學鍵結形式相同，有耐熱與潤滑的性質，能做為光學材料、藥物成分、黏著劑等方面的應用，如下圖所示

金剛烷一般是將雙環戊二烯(dicyclopentadiene)進行氫化而成四氫雙環戊二烯(tetrahydropentadiene, THDP)，再將其異構化而成。

其中第一步雙環戊二烯的氫化反應若是以鎳金屬或鈀‧氧化鋁（Pd-Al2O3）催化，可在溫和的環境下進行。第二步的異構化反應則需氯化鋁。合成每百萬噸的金剛烷會產生兩百萬噸的氯化鋁殘渣。使用過的氯化鋁無法回收，又有腐蝕性，而金剛烷的產率只有三至四成。這樣的生產方式實在稱不上環保。

若使用Y型或β型分子篩（Y- or β-zeolite）逐批反應則可得到較高的產率。反之，孔徑小於金剛烷和雙環戊二烯的ZSM-5分子篩或絲光沸石（mordenite）則沒有任何反應活性。另外如氧化矽­­—氧化鋁（SiO2-Al2O3）催化劑酸性過低，也無法增加活性。最初使用Y型分子篩催化異構化反應時發現有碳沉積的問題，因此又在分子篩中添加鉑金屬，並在氫氣環境中進行以抑制碳沉積。

但這樣的反應條件又會造成加氫裂解（hydrocracking）。問題在於酸度：強酸會造成加氫裂解，弱酸又無法催化異構化，因此控制酸度成了反應的關鍵。實驗發現可藉由調整Ｙ型分子篩的氧化矽：氧化鋁比例控制酸度。氧化矽與氧化鋁為五比一的比例有最高的選擇性。β型分子篩的氧化矽：氧化鋁比例過高，因此選擇性較低。

更進一步的酸度控制，是以離子交換的方法在系統中加入金屬。例如鹼土金屬鈣、鎂可降低轉換率，而稀土金屬鑭、鈰則可提高轉換率。另外，實驗發現，在系統中添加少量的水也可降低酸性。同時為了鉑金屬催化劑的氫解反應，又在系統中添加乙基苯（ethylbenzene）修飾鉑金屬表面。如此這般，經過種種嘗試，終於找出合成金剛烷最佳的反應條件。

參考文獻：
1) USP USP 4,048,096 Dupont
2) USP 4,337,178
3) Toshio Matsuhisa, Catalyst & Catalysis ,Vol.48, No.5, 326 (2006)

作者資訊：
Inovation Design Laboratory
Waseda University
Takashiro. Muroi TEL&FAX +81-29-873-8844
E-mail: t.muroi@kurenai.waseda.jp

● 特別感謝 Muroi Takashiro 教授提供原文及李祐慈博士提供此譯稿。