大阪大學研究生院基礎工學研究科的滿留敬人副教授、博士3年級學生津田智廣（研究當時）等人發現，由鐵和磷構成的磷化鐵奈米晶（Fe₂P NC）可作為高效促進羰基化合物還原胺化反應的觸媒發揮作用。研究人員將這種磷化鐵奈米晶負載於氧化鋯上的觸媒，顯示出傳統鐵觸媒300倍以上的活性。通過該反應，可從各種羰基化合物中高產率獲得目標生成物「一級胺」，且反應後的觸媒在保持高活性的同時可重複使用。相關研究成果已發表在期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
圖1. （a）研發的磷化鐵奈米晶（Fe₂P NC）的電子顯微鏡圖像：Fe₂P NC具有縱66奈米×橫10奈米的六稜柱奈米棒結構；（b）傳統鐵觸媒（Fe/ZrO₂）與此次研發的磷化鐵觸媒（Fe₂P NC）在還原胺化反應中的活性對比；（c）使用Fe₂P NC/ZrO₂觸媒通過各種羰基化合物的還原胺化反應合成一級胺（供圖：大阪大學）
以氨為氮源的羰基化合物還原胺化反應，是合成作為醫藥中間體及聚合體原料不可或缺的一級胺的工業重要反應。促進該反應的觸媒多使用稀少昂貴的貴金屬或鎳、鈷等存在資源枯竭的擔心，因此開發成本更低、通用性更高的鐵基觸媒一直備受業界的期待。
研究團隊通過獨創方法致力於多種金屬奈米化合物的合成，此次成功合成了由鐵和磷構成的棒狀磷化鐵奈米晶（Fe₂P NC）。
這種磷化鐵奈米晶作為促進醛類還原胺化反應的觸媒發揮作用，顯示出較傳統鐵觸媒（Fe/ZrO₂）高77倍的催化活性。此外，棒狀磷化鐵奈米晶與傳統鐵奈米粒子不同，由於具備在大氣中穩定的性質，將其與ZrO₂複合後，催化活性顯著提升，達到傳統鐵觸媒313倍的極高活性。
這種複合觸媒可在各種羰基化合物的還原胺化反應中高產率生成胺類化合物，且這些胺類化合物可作為醫藥中間體及聚合體原料加以利用。此外，由於該觸媒為固體，反應後可通過離心化輕鬆回收，即便重複使用後仍能維持高活性。
此次研究在還原胺化反應中兼具高活性與耐久性的鐵基觸媒開發上，實現了全球的首次成功。論文中還針對複合觸媒的活性形成因子及反應機構進行了詳細探討。
滿留副教授表示：「為實現永續發展的社會，需要基於資源循環的材料選擇與基礎技術革新。其中，將蘊藏量豐富且環境負荷低的‘鐵’作為觸媒使用，長期以來雖被視為理想方案，但針對鐵本身的不穩定性和低活性，一直缺乏現實的解決方案。本研究針對這些課題，為開發具備實用性的鐵基觸媒提供了一個方向。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST 客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Journal of the American Chemical Society
論文：Highly Active and Air-stable Iron Phosphide Catalyst for Reductive Amination of Carbonyl Compounds Enabled by Metal–support Synergy
DOI：doi.org/10.1021/jacs.4c18611
