計算化学に基づいて巧みに分子設計された超高活性アンモニア生成触媒の開発に成功！

• 常温常圧の温和な反応条件下で、窒素ガスと水からのアンモニア合成反応における触媒活性の自らの世界最高記録（Ashida and co-workers, Nature, 2019, 568, 536）を大幅に更新した（アンモニア生成量で約15倍、生成速度で約7倍の向上に成功！）。
• 触媒反応の反応機構を精査することで、分子触媒の適切な分子設計を計算化学的手法により予測した。分子設計に基づき新規に合成したモリブデン錯体が予測通り極めて有効な触媒として機能した。
• 本研究成果は、エネルギーキャリアとして期待されるアンモニアを高効率で合成する有用な触媒を提供しただけでなく、計算化学に基づいたアプローチによりさらなる高活性な触媒開発への展開が期待される。

　東京大学大学院工学系研究科の西林仁昭教授、九州大学先導物質化学研究所の吉澤一成教授、大同大学教養部の田中宏昌教授らによる研究グループは、分子触媒を用いた常温常圧の極めて温和な反応条件下で進行する窒素ガスと水からの触媒的アンモニア（注１）合成反応において、2019年にNature誌に掲載された論文（Ashida and co-workers, Nature, 2019, 568, 536）で達成した触媒活性の世界最高記録を大幅に更新した。新しく開発に成功したモリブデン錯体を触媒として用いることで、反応に用いた触媒当たりのアンモニア生成量で約15倍（触媒当たり60,000当量のアンモニアが生成）を達成し、単位時間当たりのアンモニア生成速度で約7倍（1分間で触媒当たり800当量のアンモニアが生成する触媒活性）に向上させることに成功した。
　最初に、触媒的アンモニア生成反応の反応機構を詳細に検討することで触媒反応の律速段階（注２）を特定した。この実験結果を踏まえて、触媒反応の反応速度を飛躍的に向上させることが期待できるモリブデン錯体の分子設計を計算化学に基づいて行った。この計算化学による分子設計を踏まえて、予測された新規なモリブデン錯体の合成を実際に行った。設計・合成された新規なモリブデン錯体を用いた触媒的アンモニア生成反応を行ったところ、予測通りに従来の触媒活性を大幅に向上する結果を達成した。
　本研究成果は、化石燃料を原料として用いた工業的なアンモニア合成法であるハーバー・ボッシュ法（注３）に代わる二酸化炭素を排出しない方法でアンモニアを合成するグリーンアンモニア合成反応の開発につながる大きな研究成果である。また、エネルギーキャリアとして期待されるアンモニアを高効率で合成する有用な触媒を開発しただけでなく、計算化学に基づいたアプローチによりさらなる高活性な触媒開発への展開が期待される意義深いものである。
　本研究成果は、2023年4月17日（英国夏時間）に「Nature Synthesis」（オンライン速報版）で公開された。

（注１）アンモニア
NH3で表される常温・常圧で無色の気体。アンモニアは、化学製品の原料として使用される他、主に窒素肥料として利用されており、これは食料を大量に生産する上で必要不可欠である。
（注２）律速段階
多段階の反応において最も反応が遅い段階で、反応全体が進行する速度を決定する素反応。
（注３）ハーバー・ボッシュ法
約100年前に開発された、窒素ガスと水素ガスから鉄系の触媒を用いてアンモニアを合成する方法。現在でも工業的に広く用いられている。開発者のフリッツ・ハーバーとカール・ボッシュ（両者共にノーベル化学賞受賞）にちなんでハーバー・ボッシュ法と呼ばれている。合成されたアンモニアが主に窒素肥料として用いられることから、「空気からパンを作る」方法と呼ばれる。

〈雑誌〉Nature Synthesis
〈題名〉Catalytic production of ammonia from dinitrogen employing molybdenum complexes bearing N-heterocyclic carbene-based PCP-type pincer ligands
〈著者〉Yuya Ashida, Takuro Mizushima, Kazuya Arashiba, Akihito Egi, Hiromasa Tanaka,Kazunari Yoshizawa,* and Yoshiaki Nishibayashi*
〈DOI〉https://doi.org/10.1038/s44160-023-00292-9（オープンアクセス）

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先導物質化学研究所　吉澤 一成　教授