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多孔性錯体で軽金属イオンに新しい相棒

掲載日:2015年1月19日

次世代材料として期待されている多孔性金属錯体に、豊富にある軽金属イオンを活用するのに道を開く新しい“相棒”が見つかった。安価で生物に優しい軽金属(比重4~5以下の比較的軽い金属)イオンを含む多孔性軽金属錯体の新しい合成法を、北海道大学電子科学研究所の野呂真一郎(のろ しんいちろう)准教授らが開発した。この合成法は、多孔性軽金属錯体の多様化に役立ち、安価で安全な材料の多様化、実用化の可能性を広げる成果といえる。1月16日付の英オンライン科学誌ネイチャーコミュニケーションズに発表した。

金属イオンを有機配位子(金属に結合する有機分子)がつなぎ合わせる多孔性金属錯体は、物質の吸着や触媒などに使われてきたゼオライトや活性炭に続く次世代の多孔性材料として注目されている。これまでは、銅やコバルトなど重金属イオン(比重4~5以上の重い金属)が主に使われてきた。マグネシウムやアルミニウム、チタンなどの軽金属イオンは、組み合わせの相棒となる有機分子が限られていたため、利用がごく限られていた。

研究グループは、相棒に適役がいないか、探った。電荷が分離した構造を持つ有機分子を使えば、軽金属の新しい相棒になりうるとみて設計し、中性有機配位子ビピリジンジオキシド(bpdo)を作った。この有機分子は両端の酸素上にマイナスの電荷が、窒素上にプラスの電荷がそれぞれ局在した電荷分離状態をとるため、硬い塩基であると考えられ、硬い酸の軽金属イオンと相性が良く、連結できると予想した。

実際に、軽金属のマグネシウムとこの有機分子のbpdoを混ぜて加熱したところ、きらきらと光る多孔性マグネシウム錯体を合成できた。マグネシウムイオンの間をbpdoが架橋しており、細孔がいっぱいある多孔性の構造も、単結晶X線構造解析で確認した。この多孔性金属錯体は、細孔内部に取り込まれていた溶媒分子を除去した後も安定で、CO2とメタンの混合ガスからCO2を選択的に分離吸着できる機能を実証した。

野呂真一郎准教授は「電荷分離した中性有機配位子は、アルミニウムやナトリウム、カルシウムといったほかの軽金属イオン架橋にも有効と考えられる。安価で毒性も少ない軽金属イオンを多孔性錯体の合成に積極的に使えれば、網目の大きさなど構造を多様化できる。今後、架橋に使う有機分子の設計を工夫していけば、ガス貯蔵や分離膜、ドラッグデリバリーなどといった実用化の道が加速度的に広がるだろう」と期待している。

重金属イオンと軽金属イオン。重金属イオンは多くの種類の“相棒”、有機配位子と結合を形成するが、軽金属イオンは相棒が限られていた。
図1. 重金属イオンと軽金属イオン。重金属イオンは多くの種類の“相棒”、有機配位子と結合を形成するが、軽金属イオンは相棒が限られていた。
軽金属イオンの新しい相棒、電荷分離型中性有機配位子。今回の研究で用いた電荷分離型中性有機配位子bpdoは分子全体としては中性だが、プラスに帯電した窒素原子(青)とマイナスに帯電した酸素原子(赤)をもつ。その結果、硬い塩基性を示し、硬い酸である軽金属イオンと結合を形成しやすくなる。
図2. 軽金属イオンの新しい相棒、電荷分離型中性有機配位子。今回の研究で用いた電荷分離型中性有機配位子bpdoは分子全体としては中性だが、プラスに帯電した窒素原子(青)とマイナスに帯電した酸素原子(赤)をもつ。その結果、硬い塩基性を示し、硬い酸である軽金属イオンと結合を形成しやすくなる。
多孔性マグネシウム錯体の構造とガス分離特性。合成した多孔性マグネシウム錯体では、電荷分離型中性有機配位子bpdo(青線で囲んだ分子)はマグネシウムイオン(緑の球)間を架橋している。また、細孔内部の溶媒分子(黄緑)を取り除いても、多孔性構造が保持され、CO2/メタン混合ガスの分離特性を示す。
図3. 多孔性マグネシウム錯体の構造とガス分離特性。合成した多孔性マグネシウム錯体では、電荷分離型中性有機配位子bpdo(青線で囲んだ分子)はマグネシウムイオン(緑の球)間を架橋している。また、細孔内部の溶媒分子(黄緑)を取り除いても、多孔性構造が保持され、CO2/メタン混合ガスの分離特性を示す。(いずれも提供:北海道大学)
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