JP7317303B2 - Ammonia decomposition method and ruthenium complex - Google Patents

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Description

本発明は、アンモニアの分解方法及びルテニウム錯体に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for decomposing ammonia and a ruthenium complex.

アンモニアは、取り扱いが比較的容易であり、炭素を含まず燃焼しても二酸化炭素が排出されないため、今後の炭素フリー社会に向け、エネルギーキャリアとしての利用が注目されている。エネルギーキャリアとしてのアンモニアは、コスト面や二酸化炭素の排出、エネルギー効率の観点から、従来のエネルギーと十分に競争できるポテンシャルを持っている。しかし、アンモニアをエネルギーキャリアとして実用化するためには、アンモニアを酸化的に分解して窒素分子と電子とプロトンとを取り出すアンモニアの分解反応が必要である。この種のアンモニアの分解反応としては、固体触媒であるNi-Gd系、Pt、Ru-Al系などの触媒反応の報告例がある(非特許文献1~3)。 Ammonia is relatively easy to handle, does not contain carbon, and does not emit carbon dioxide when burned. Therefore, its use as an energy carrier is attracting attention toward the future carbon-free society. Ammonia as an energy carrier has the potential to be sufficiently competitive with conventional energy in terms of cost, carbon dioxide emissions, and energy efficiency. However, in order to put ammonia into practical use as an energy carrier, it is necessary to oxidatively decompose ammonia to take out nitrogen molecules, electrons, and protons. As this type of ammonia decomposition reaction, there are reports of catalytic reactions using solid catalysts such as Ni—Gd, Pt, and Ru—Al (Non-Patent Documents 1 to 3).

J. Power Sources 2016, vol. 305, p72J. Power Sources 2016, vol.305, p72 J. Mater. Chem., 2013, vol. 1, p3216J. Mater. Chem., 2013, vol. 1, p3216 Sci. Adv. 2017, vol.3, e1602747Sci. Adv. 2017, vol.3, e1602747

しかしながら、上述した報告例は、いずれも高温高圧又は過電圧を必要とするという問題があった。 However, all of the above-mentioned reported examples have the problem of requiring high temperature, high pressure or overvoltage.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、従来よりも温和な条件でアンモニアを分解して窒素分子と電子とプロトンとを取り出すことを主目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the main object thereof is to extract nitrogen molecules, electrons, and protons by decomposing ammonia under milder conditions than conventional ones.

上述した目的を達成するために、本発明者らは、ある種のルテニウム錯体を触媒として用いて塩基の存在下でアンモニアを酸化分解したところ、効率よく窒素とプロトンと電子が得られることを見いだし、本発明を完成するに至った。 In order to achieve the above object, the present inventors have found that nitrogen, protons and electrons can be efficiently obtained by oxidative decomposition of ammonia in the presence of a base using a certain ruthenium complex as a catalyst. , have completed the present invention.

即ち、本発明のアンモニアの分解方法は、触媒及び塩基の存在下、アンモニアを酸化分解して窒素とプロトンと電子を得るアンモニアの分解方法であって、前記触媒は、2つの第1配位子と1つの第2配位子とを有するルテニウム錯体であり、前記第1配位子は、置換基を有していてもよいピリジン又はピリジン縮合環式化合物であり、前記第2配位子は、ピリジン環上に置換基を有していてもよい2,2’-ビピリジル-6,6’-ジカルボン酸であるものである。 That is, the method for decomposing ammonia of the present invention is a method for decomposing ammonia to obtain nitrogen, protons and electrons by oxidatively decomposing ammonia in the presence of a catalyst and a base, wherein the catalyst comprises two primary ligands and one second ligand, wherein the first ligand is pyridine or a pyridine-condensed cyclic compound that may have a substituent, and the second ligand is , 2,2'-bipyridyl-6,6'-dicarboxylic acid optionally having a substituent on the pyridine ring.

このアンモニアの分解方法によれば、従来に比べて温和な条件でアンモニアから窒素とプロトンと電子を得ることができる。 According to this method of decomposing ammonia, nitrogen, protons and electrons can be obtained from ammonia under milder conditions than conventional methods.

触媒としては、例えば式(A)~(C)

Figure 0007317303000001
(式中、Pyは、4位にアルキル基、アルコキシ基、アリール基若しくはハロゲン原子を有していてもよいピリジン又は6位にアルキル基、アルコキシ基、アリール基若しくはハロゲン原子を有していてもよいイソキノリンであり、Rはアルキル基、アルコキシ基、アリール基又はハロゲン原子であり、Xは1価のアニオンである)のいずれかで表されるルテニウム錯体が挙げられる。As catalysts, for example, formulas (A) to (C)
Figure 0007317303000001
(Wherein, Py is a pyridine optionally having an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom at the 4-position or an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom at the 6-position is a good isoquinoline, R is an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom, and X is a monovalent anion).

式(B)のルテニウム錯体は、式(A)のルテニウム錯体を1電子酸化しアンモニアが配位したものである。式(C)のルテニウム錯体は、式(B)のルテニウム錯体の1電子酸化と脱プロトン化とを繰り返したあとに形成される窒素錯体である。式(B),(C)のルテニウム錯体は、式(A)のルテニウム錯体によるアンモニアの酸化分解において生成する中間体(新規化合物)であり、実際にはこれらも触媒として機能する。 The ruthenium complex of formula (B) is obtained by one-electron oxidation of the ruthenium complex of formula (A) and coordination with ammonia. The ruthenium complex of formula (C) is a nitrogen complex formed after repeated one-electron oxidation and deprotonation of the ruthenium complex of formula (B). The ruthenium complexes of formulas (B) and (C) are intermediates (novel compounds) produced in the oxidative decomposition of ammonia by the ruthenium complex of formula (A), and actually function as catalysts.

実験例28,29の電流-電位曲線のグラフ。Graphs of current-potential curves of Experimental Examples 28 and 29. FIG. 実験例28,32の電流-電位曲線のグラフ。Graphs of current-potential curves of Experimental Examples 28 and 32. FIG.

本発明のアンモニアの分解方法及びルテニウム錯体の好適な実施形態を以下に示す。 Preferred embodiments of the method for decomposing ammonia and the ruthenium complex of the present invention are shown below.

本実施形態のアンモニアの分解方法は、触媒及び塩基の存在下、アンモニアを酸化分解して窒素とプロトンと電子を得るアンモニアの分解方法(下記式参照)であって、触媒は、2つの第1配位子と1つの第2配位子とを有するルテニウム錯体であり、第1配位子は、置換基を有していてもよいピリジン又はピリジン縮合環式化合物であり、第2配位子は、ピリジン環上に置換基を有していてもよい2,2’-ビピリジル-6,6’-ジカルボン酸であるものである。

Figure 0007317303000002
The method for decomposing ammonia of the present embodiment is a method for decomposing ammonia to obtain nitrogen, protons, and electrons by oxidatively decomposing ammonia in the presence of a catalyst and a base (see the following formula). A ruthenium complex having a ligand and one secondary ligand, wherein the primary ligand is pyridine or a pyridine-fused ring compound optionally having a substituent, and the secondary ligand is 2,2′-bipyridyl-6,6′-dicarboxylic acid optionally having a substituent on the pyridine ring.
Figure 0007317303000002

本実施形態のアンモニアの分解方法において、触媒は、2つの第1配位子と1つの第2配位子とを有するルテニウム錯体である。第1配位子は、置換基を有していてもよいピリジン又はピリジン縮合環式化合物である。第1配位子としては、例えば、ピリジン、イソキノリン、キノリンなどのほか、2位から6位の少なくとも1つに置換基を有するピリジン、1位及び3位から8位の少なくとも1つに置換基を有するイソキノリン、2位から8位の少なくとも1つに置換基を有するキノリンなどが挙げられる。置換基としては、特に限定するものではないが、例えばアルキル基、アルコキシ基、アリール基、ハロゲン原子などが挙げられる。アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基及びそれらの構造異性体などの直鎖状又は分岐状のアルキル基であってもよいし、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基などの環状のアルキル基であってもよい。アルキル基は、炭素数1~12であることが好ましく、炭素数1~6であることがより好ましい。アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ペントキシ基、ヘキシルオキシ基及びそれらの構造異性体などの直鎖状又は分岐状のアルコキシ基であってもよいし、シクロプロポキシ基、シクロブトキシ基、シクロペントキシ基、シクロヘキシルオキシ基などの環状のアルコキシ基であってもよい。アルコキシ基は、炭素数1~12であることが好ましく、炭素数1~6であることがより好ましい。アリール基としては、例えば、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基及びそれらの環上の水素原子の少なくとも1つの原子がアルキル基又はハロゲン原子で置換されたものなどが挙げられる。ハロゲン原子としては、例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などが挙げられる。第2配位子は、ピリジン環上に置換基を有していてもよい2,2’-ビピリジル-6,6’-ジカルボン酸である。第2配位子としては、2,2’-ビピリジル-6,6’-ジカルボン酸のほか、ピリジン環の3位から5位及び3’位から5’位の少なくとも1つに置換基を有している2,2’-ビピリジル-6,6’-ジカルボン酸が挙げられる。置換基としては、特に限定するものではないが、例えばアルキル基、アルコキシ基、アリール基、ハロゲン原子などが挙げられる。これらの具体例としては、既に例示したものと同じものが挙げられる。こうした触媒は、アンモニアに対して触媒量使用すればよいが、例えば、アンモニアのモル数の0.001倍以上0.1倍以下使用することが好ましく、0.002倍以上0.01倍以下使用することがより好ましい。 In the ammonia decomposition method of the present embodiment, the catalyst is a ruthenium complex having two primary ligands and one secondary ligand. The first ligand is optionally substituted pyridine or a pyridine-fused ring compound. As the first ligand, for example, pyridine, isoquinoline, quinoline, etc., pyridine having a substituent at at least one of the 2- to 6-positions, and a substituent at at least one of the 1- and 3- to 8-positions. and isoquinoline having a substituent at at least one of the 2- to 8-positions. Examples of substituents include, but are not limited to, alkyl groups, alkoxy groups, aryl groups, and halogen atoms. Examples of alkyl groups include linear or branched alkyl groups such as methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl and structural isomers thereof, and cyclopropyl. cyclic alkyl groups such as groups, cyclobutyl groups, cyclopentyl groups and cyclohexyl groups. The alkyl group preferably has 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 6 carbon atoms. The alkoxy group may be, for example, a linear or branched alkoxy group such as a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, a butoxy group, a pentoxy group, a hexyloxy group, and structural isomers thereof; A cyclic alkoxy group such as a propoxy group, a cyclobutoxy group, a cyclopentoxy group, and a cyclohexyloxy group may be used. The alkoxy group preferably has 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 6 carbon atoms. Aryl groups include, for example, phenyl groups, tolyl groups, xylyl groups, naphthyl groups, and those in which at least one hydrogen atom on the ring thereof is substituted with an alkyl group or a halogen atom. Halogen atoms include, for example, fluorine, chlorine, bromine and iodine atoms. The second ligand is 2,2'-bipyridyl-6,6'-dicarboxylic acid optionally having a substituent on the pyridine ring. As the second ligand, in addition to 2,2'-bipyridyl-6,6'-dicarboxylic acid, at least one of the 3-position to 5-position and the 3'-position to 5'-position of the pyridine ring has a substituent. and 2,2'-bipyridyl-6,6'-dicarboxylic acid. Examples of substituents include, but are not limited to, alkyl groups, alkoxy groups, aryl groups, and halogen atoms. Specific examples thereof are the same as those already exemplified. Such a catalyst may be used in a catalytic amount with respect to ammonia. For example, it is preferable to use 0.001 to 0.1 times the number of moles of ammonia, and use 0.002 to 0.01 times the number of moles of ammonia. is more preferable.

触媒としては、式(A)~(C)

Figure 0007317303000003
(式中、Pyは、4位にアルキル基、アルコキシ基、アリール基若しくはハロゲン原子を有していてもよいピリジン又は6位にアルキル基、アルコキシ基、アリール基若しくはハロゲン原子を有していてもよいイソキノリンであり、Rはアルキル基、アルコキシ基、アリール基又はハロゲン原子であり、Xは1価のアニオンである)のいずれかで表されるルテニウム錯体が好ましい。式中のアルキル基、アルコキシ基、アリール基、ハロゲン原子としては、既に例示したものと同じものが挙げられる。1価のアニオンとしては、例えば、ヘキサフルオロホスファートイオン、ヘキサクロロアンチモナートイオン、トリフルオロメタンスルホナートイオン、テトラフルオロボラートイオン、ホスフェートイオン、スルホナートイオン、クロリド、ブロミド、ヨージド、ヒドロキシドなどが挙げられる。このうち、式(B),(C)のルテニウム錯体は新規化合物である。As catalysts, formulas (A) to (C)
Figure 0007317303000003
(Wherein, Py is a pyridine optionally having an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom at the 4-position or an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom at the 6-position is a good isoquinoline, R is an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom, and X is a monovalent anion). Examples of the alkyl group, alkoxy group, aryl group, and halogen atom in the formulas include those already exemplified. Examples of monovalent anions include hexafluorophosphate ion, hexachloroantimonate ion, trifluoromethanesulfonate ion, tetrafluoroborate ion, phosphate ion, sulfonate ion, chloride, bromide, iodide, and hydroxide. be done. Among these, the ruthenium complexes of formulas (B) and (C) are novel compounds.

本実施形態のアンモニアの分解方法において、塩基は、アンモニアが酸化分解したときに生じるプロトンをトラップする役割を果たす。塩基としては、こうした役割を果たすものであれば特に限定するものではないが、例えばピリジン誘導体が好ましい。ピリジン誘導体としては、ピリジンのほか、2位から6位の少なくとも1つに置換基を有するピリジンが挙げられる。置換基としては、特に限定するものではないが、例えばアルキル基、ジアルキルアミノ基、アルコキシ基、アリール基、ハロゲン原子などが挙げられる。アルキル基(ジアルキルアミノ基中のアルキル基を含む)、アルコキシ基、アリール基、ハロゲン原子としては、既に例示したものと同じものが挙げられる。ピリジン誘導体の具体例として、ピリジン、2,6-ルチジン、2,4,6-コリジン、4-ジメチルアミノピリジン(DMAP)などが挙げられるが、このうち2,4,6-コリジンが好ましい。なお、アンモニアを系内でアンモニウム塩と塩基との反応により生成する場合、塩基はこの反応にも用いられる。 In the ammonia decomposition method of the present embodiment, the base plays a role of trapping protons generated when ammonia is oxidatively decomposed. The base is not particularly limited as long as it fulfills such a role, but pyridine derivatives are preferred, for example. Examples of pyridine derivatives include pyridine and pyridine having at least one substituent on the 2- to 6-positions. Examples of substituents include, but are not limited to, alkyl groups, dialkylamino groups, alkoxy groups, aryl groups, and halogen atoms. Examples of the alkyl group (including the alkyl group in the dialkylamino group), alkoxy group, aryl group, and halogen atom are the same as those already exemplified. Specific examples of pyridine derivatives include pyridine, 2,6-lutidine, 2,4,6-collidine, and 4-dimethylaminopyridine (DMAP), among which 2,4,6-collidine is preferred. When ammonia is produced in the system by the reaction of an ammonium salt and a base, the base is also used in this reaction.

本実施形態のアンモニアの分解方法において、アンモニアは、アンモニアガスを用いてもよいが、系内でアンモニウム塩と塩基との反応により生成させてもよい。アンモニアを定量する必要がある場合には、後者のようにアンモニアを系内で生成するのが好ましい。アンモニウム塩としては、塩基との反応によりアンモニアを定量的に生成するものであれば特に限定するものではないが、例えばアンモニウムトリフラート、アンモニウムヘキサフルオロホスファート、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム、アンモニウムヒドロキシド、酢酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、リン酸アンモニウムなどが挙げられる。 In the method for decomposing ammonia according to the present embodiment, ammonia gas may be used, but ammonia may also be generated by reaction between an ammonium salt and a base in the system. When it is necessary to quantify ammonia, it is preferable to generate ammonia in the system as in the latter case. The ammonium salt is not particularly limited as long as it quantitatively produces ammonia by reaction with a base. ammonium hydroxide, ammonium acetate, ammonium sulfate, ammonium phosphate and the like.

本実施形態のアンモニアの分解方法において、アンモニアの酸化分解は、トリアリールアミンの一電子酸化体を含む酸化剤を用いることにより行ってもよいし、電気化学的酸化条件により行ってもよい。トリアリールアミンの一電子酸化体を含む酸化剤は、アンモニアが酸化分解したときに生じる電子をトラップする役割を果たす。こうした酸化剤の一例を式(D)に示す。式(D)中、R1,R2は、同じでも異なっていてもよく、アルキル基、ハロゲン原子又は水素原子である。アルキル基やハロゲン原子としては、既に例示したものと同じものが挙げられる。このうちR1が臭素原子でR2が水素原子であるものが好ましい。Yは1価のアニオンであり、例えば、ヘキサクロロアンチモナートイオン、ヘキサフルオロホスファートイオン、クロリド、ブロミド、ヨージド、ヒドロキシド、ホスフェートイオン、スルホナートイオン、トリフルオロメタンスルホナートイオンなどが挙げられる。

Figure 0007317303000004
In the method for decomposing ammonia of the present embodiment, oxidative decomposition of ammonia may be performed using an oxidizing agent containing a one-electron oxidant of triarylamine, or may be performed under electrochemical oxidation conditions. An oxidizing agent containing a one-electron oxidant of triarylamine plays a role of trapping electrons generated when ammonia is oxidatively decomposed. An example of such an oxidizing agent is shown in formula (D). In formula (D), R 1 and R 2 , which may be the same or different, are alkyl groups, halogen atoms or hydrogen atoms. Examples of the alkyl group and halogen atom include those already exemplified. Of these, those in which R 1 is a bromine atom and R 2 is a hydrogen atom are preferred. Y is a monovalent anion such as hexachloroantimonate ion, hexafluorophosphate ion, chloride, bromide, iodide, hydroxide, phosphate ion, sulfonate ion, and trifluoromethanesulfonate ion.
Figure 0007317303000004

本実施形態のアンモニアの分解方法において、アンモニアの酸化分解を溶媒中で行ってもよい。溶媒としては、特に限定するものではないが、ニトリル系溶媒、ハロゲン化炭化水素系溶媒、ケトン系溶媒、アルコール系溶媒、環状エーテル系溶媒、鎖状エーテル系溶媒、水などが挙げられる。ニトリル系溶媒としては、例えばアセトニトリルやプロピオニトリルなどが挙げられる。ハロゲン化炭化水素系溶媒としては、例えば塩化メチレンやクロロホルムなどが挙げられる。ケトン系溶媒としては、例えばアセトンやメチルエチルケトンなどが挙げられる。アルコール系溶媒としては、例えばメタノールやエタノールなどが挙げられる。環状エーテル系溶媒としては、例えばテトラヒドロフラン(THF)や1,4-ジオキサンなどが挙げられる。鎖状エーテル系溶媒としては、例えばジエチルエーテルなどが挙げられる。 In the method for decomposing ammonia of the present embodiment, oxidative decomposition of ammonia may be performed in a solvent. Examples of the solvent include, but are not limited to, nitrile solvents, halogenated hydrocarbon solvents, ketone solvents, alcohol solvents, cyclic ether solvents, chain ether solvents, and water. Examples of nitrile solvents include acetonitrile and propionitrile. Halogenated hydrocarbon solvents include, for example, methylene chloride and chloroform. Examples of ketone-based solvents include acetone and methyl ethyl ketone. Examples of alcoholic solvents include methanol and ethanol. Cyclic ether solvents include, for example, tetrahydrofuran (THF) and 1,4-dioxane. Examples of chain ether solvents include diethyl ether.

本実施形態のアンモニアの分解方法では、反応温度は、従来に比べて低温であってもアンモニアの酸化分解は進行する。例えば、常温(室温)や0℃、-20℃でも反応は進行する。反応雰囲気は、例えば、不活性雰囲気(Ar雰囲気など)でもよいし、大気でもよい。また、加圧雰囲気にする必要はなく、常圧雰囲気でよい。反応時間は、特に限定するものではないが、通常は数10分~数10時間の範囲で設定すればよい。 In the method for decomposing ammonia of the present embodiment, the oxidative decomposition of ammonia proceeds even if the reaction temperature is lower than in the conventional method. For example, the reaction proceeds even at normal temperature (room temperature), 0°C, and -20°C. The reaction atmosphere may be, for example, an inert atmosphere (such as an Ar atmosphere) or the air. Moreover, it is not necessary to use a pressurized atmosphere, and a normal pressure atmosphere may be used. Although the reaction time is not particularly limited, it may usually be set in the range of several tens of minutes to several tens of hours.

本実施形態のアンモニアの分解方法において、アンモニアの酸化分解の反応機構は下記のスキームに示すように進行すると考えられる。このスキームでは、式(A)のルテニウム錯体Ru(II)を触媒として用いた場合を例示する。まず、式(A)のルテニウム錯体が1電子酸化を受けたあとアンモニアが配位し、式(B)のルテニウム錯体である[Ru(III)-NH3]が生成する。その後、1電子酸化と脱プロトン化を繰り返し、[Ru(IV)-NH2]、[Ru(V)=NH]、[Ru(VI)≡N]が順次生成する。その後、[Ru(VI)≡N]が二量化するか、Ru(V)=NH]が二量化後脱プロトン化することにより、式(C)のルテニウム錯体である[Ru(IV)=N=N=Ru(IV)]が生成する。この[Ru(IV)=N=N=Ru(IV)]の窒素がアンモニアと交換することによって[Ru(III)-NH3]に戻る。つまり、配位子交換反応によって窒素が生成すると共に新たなアンモニアが触媒反応のサイクルに導入される。

Figure 0007317303000005
In the ammonia decomposition method of the present embodiment, the reaction mechanism of oxidative decomposition of ammonia is thought to proceed as shown in the scheme below. This scheme illustrates the case where the ruthenium complex Ru(II) of formula (A) is used as a catalyst. First, the ruthenium complex of formula (A) undergoes one-electron oxidation and then coordinated with ammonia to produce [Ru(III)-NH 3 ], which is the ruthenium complex of formula (B). Thereafter, one-electron oxidation and deprotonation are repeated to produce [Ru(IV)-NH 2 ], [Ru(V)=NH], and [Ru(VI)≡N] in sequence. Subsequent dimerization of [Ru(VI)≡N] or post-dimerization deprotonation of Ru(V)=NH] results in the ruthenium complex of formula (C) [Ru(IV)=N =N=Ru(IV)]. Nitrogen in [Ru(IV)=N=N=Ru(IV)] returns to [Ru(III)-NH 3 ] by exchanging with ammonia. That is, the ligand exchange reaction produces nitrogen and introduces new ammonia into the catalytic reaction cycle.
Figure 0007317303000005

以上の反応機構からわかるように、式(B),(C)のルテニウム錯体は式(A)のルテニウム錯体によるアンモニアの酸化分解の過程で生成する中間体であり、これらも触媒として機能する。 As can be seen from the above reaction mechanisms, the ruthenium complexes of formulas (B) and (C) are intermediates produced in the process of oxidative decomposition of ammonia by the ruthenium complex of formula (A), and they also function as catalysts.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present invention.

以下に、本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例は本発明を何ら限定するものではない。 Examples of the present invention are described below. In addition, the following examples do not limit the present invention.

[実験例1-25]
触媒、酸化剤、塩基を用い、アンモニアの酸化分解を試みた(表1参照)。アンモニアは、系内でNH4OTfと塩基との反応により発生させた。なお、表1の欄外に化学式を示したRu錯体(1a),(2a),(2b),(3)は、公知文献(Nat. Chem. 2012,vol. 4, p418, J. Am. Chem. Soc. 2009, vol. 31, p10397, Inorg. Chem. 2012, vol. 51, p2930, J. Am. Chem. Soc. 2006 vol. 128, p7761)を参考にして合成した。

Figure 0007317303000006
[Experimental Example 1-25]
An attempt was made to oxidatively decompose ammonia using a catalyst, an oxidizing agent, and a base (see Table 1). Ammonia was generated in the system by the reaction of NH 4 OTf and a base. The Ru complexes (1a), (2a), (2b), and (3), whose chemical formulas are shown in the margins of Table 1, are disclosed in known literature (Nat. Chem. 2012, vol. 4, p418, J. Am. Chem. 2009, vol. 31, p10397, Inorg. Chem. 2012, vol. 51, p2930, J. Am. Chem. Soc. 2006 vol. 128, p7761).
Figure 0007317303000006

実験例1では、Ru錯体(2a)0.01mmolと、アンモニウム塩としてのNH4OTf3.0mmolと、酸化剤としての[(p-BrC643+[SbCl6- (4a)0.9mmolと、塩基としての2,4,6-コリジン3.0mmolとを、5mLのアセトニトリル中、1atmのAr雰囲気下、-40℃で2時間攪拌した後、室温で4時間攪拌した。その結果、12.0当量(酸化剤基準で収率80%)の窒素が確認された。In Experimental Example 1, 0.01 mmol of Ru complex (2a), 3.0 mmol of NH 4 OTf as an ammonium salt, and [(p-BrC 6 H 4 ) 3 N · ] + [SbCl 6 ] ( 4a) 0.9 mmol and 3.0 mmol of 2,4,6-collidine as a base were stirred in 5 mL of acetonitrile under an Ar atmosphere of 1 atm at −40° C. for 2 hours and then at room temperature for 4 hours. . As a result, 12.0 equivalents of nitrogen (80% yield based on oxidant) were confirmed.

実験例2-4では、酸化剤として、[(p-MeC643+[SbCl6- (4b) 、[(2,4-Br2633+[SbCl6- (4c),Cp2FeOTfを検討した。その結果、いずれの酸化剤でも反応は進行したが、トリアリールアンモニウム系の酸化剤を用いた際の収率が高く、特に実験例1の酸化剤(4a)を用いた際の収率が高かった。In Experimental Example 2-4, [(p-MeC 6 H 4 ) 3 N. ] + [SbCl 6 ] (4b) and [(2,4-Br 2 C 6 H 3 ) 3 N. ] + [SbCl 6 ] (4c), Cp 2 FeOTf were investigated. As a result, although the reaction proceeded with any of the oxidants, the yield was high when the triarylammonium-based oxidant was used, and the yield was particularly high when the oxidant (4a) of Experimental Example 1 was used. rice field.

実験例5-7では、塩基として、ピリジン、2,6-ルチジン,4-ジメチルアミノピリジン(DMAP)を検討した。その結果、いずれの塩基でも反応は進行したが、実験例1の2,4,6-コリジンが最適であった。 In Experimental Example 5-7, pyridine, 2,6-lutidine, and 4-dimethylaminopyridine (DMAP) were examined as bases. As a result, the reaction proceeded with any base, but 2,4,6-collidine of Experimental Example 1 was the most suitable.

実験例8-10では、塩基の添加量として、3.9mmol,6.0mmol,2.0mmolを検討した。その結果、いずれの添加量でも反応は進行したが、実験例1の3.0mmolが最適であった。 In Experimental Example 8-10, 3.9 mmol, 6.0 mmol, and 2.0 mmol were examined as the amount of base to be added. As a result, although the reaction progressed in any amount added, 3.0 mmol in Experimental Example 1 was optimal.

実験例11-15では、溶媒として、塩化メチレン、アセトン、メタノール、エタノール、THFを検討した。その結果、いずれの溶媒でも反応は進行したが、実験例1のアセトニトリルが最適であった。 In Experimental Examples 11-15, methylene chloride, acetone, methanol, ethanol, and THF were investigated as solvents. As a result, the reaction proceeded with any solvent, but acetonitrile of Experimental Example 1 was the most suitable.

実験例16,17では、冷却温度について-20℃、0℃で検討を行った。その結果、いずれの冷却温度でも反応は進行したが、実験例1の-40℃が最適であった。これは、塩基による酸化剤の消費が低温化では抑えられるためであると考えられる。 In Experimental Examples 16 and 17, the cooling temperature was -20°C and 0°C. As a result, although the reaction proceeded at any cooling temperature, −40° C. in Experimental Example 1 was optimal. It is considered that this is because the consumption of the oxidizing agent by the base is suppressed at lower temperatures.

実験例18では、塩基なし、実験例19では、酸化剤なし、実験例20では、NH4OTfなし、実験例21では触媒なしを検討した。その結果、実験例18-21では、窒素が発生しないことを確認した。Experimental example 18 without a base, experimental example 19 without an oxidizing agent, experimental example 20 without NH 4 OTf, and experimental example 21 without a catalyst were examined. As a result, it was confirmed that nitrogen was not generated in Experimental Examples 18-21.

実験例22-24では、最適化した条件(すなわち実験例1)において触媒(1a),(2b),(3)を用いて検討を行った。その結果、実験例23のRu錯体(2b)においても効率よく窒素が発生したが、実験例1のRu錯体(2a)の方が高い活性を示した。一方、実験例22,24の触媒(1a),(3)はアンモニアの分解方法をほとんど促進しなかった。 Examples 22-24 were studied using catalysts (1a), (2b) and (3) under optimized conditions (ie, Example 1). As a result, the Ru complex (2b) of Experimental Example 23 also efficiently generated nitrogen, but the Ru complex (2a) of Experimental Example 1 exhibited higher activity. On the other hand, the catalysts (1a) and (3) of Experimental Examples 22 and 24 hardly promoted the decomposition of ammonia.

実験例25では、実験例1のNH4OTfの代わりにNH4PF6を用いた以外は、実験例1と同様にして反応を行った。その結果、10.8当量(収率72%)の窒素が確認された。これより、アンモニア源としてNH4PF6も十分使用可能であることがわかった。In Experimental Example 25, the reaction was carried out in the same manner as in Experimental Example 1 except that NH 4 PF 6 was used instead of NH 4 OTf. As a result, 10.8 equivalents (yield 72%) of nitrogen was confirmed. From this, it was found that NH 4 PF 6 can also be sufficiently used as an ammonia source.

[実験例26]
下記式にしたがって、Ru錯体(2c)(式(B)においてPy=4-メチルピリジン、R=H、X=PF6 -)を合成した。すなわち、まず、文献(Chem. Commun. 2016, vol.52, p8619)に記載された合成例に倣い、Ru錯体(2b)を1電子酸化することでRu錯体(2e)を合成した。次に、Ru錯体(2e)(65.0mg,0.10mmol)をアンモニア-メタノール溶液(2M 2mL)中において、10分攪拌した。その後メタノール-ジエチルエーテルを用いた再結晶により、Ru錯体(2c)を結晶性固体として得た(61.0mg,収率83%)。Ru錯体(2c)のスペクトルデータは以下のとおり。
1H NMR(CD3CN):44.6(s), 4.5(br), 1.48(br)

Figure 0007317303000007
[Experimental example 26]
Ru complex (2c) (Py=4-methylpyridine, R=H, X=PF 6 in formula (B)) was synthesized according to the following formula. That is, first, Ru complex (2e) was synthesized by one-electron oxidation of Ru complex (2b) following the synthesis example described in the literature (Chem. Commun. 2016, vol.52, p8619). Next, Ru complex (2e) (65.0 mg, 0.10 mmol) was stirred in an ammonia-methanol solution (2 M, 2 mL) for 10 minutes. Then, by recrystallization using methanol-diethyl ether, Ru complex (2c) was obtained as a crystalline solid (61.0 mg, yield 83%). Spectral data of Ru complex (2c) are as follows.
1H NMR ( CD3CN ): 44.6(s), 4.5(br), 1.48(br)
Figure 0007317303000007

実験例1において、Ru錯体(2a)の代わりにRu錯体(2c)を用いて、実験例1と同様にしてアンモニアの酸化分解を試みた。その結果を表2に示す。表2には、Ru錯体(2a),(2b)を用いた実験例1,23の結果も併せて示した。表2から明らかなように、Ru錯体(2c)はRu錯体(2a),(2b)と同程度の触媒活性があることがわかった。

Figure 0007317303000008
In Experimental Example 1, the Ru complex (2c) was used instead of the Ru complex (2a), and the oxidative decomposition of ammonia was attempted in the same manner as in Experimental Example 1. Table 2 shows the results. Table 2 also shows the results of Experimental Examples 1 and 23 using Ru complexes (2a) and (2b). As is clear from Table 2, Ru complex (2c) was found to have catalytic activity comparable to Ru complexes (2a) and (2b).
Figure 0007317303000008

[実験例27]
下記式にしたがって、Ru錯体(5)(式(C)においてPy=4-メチルピリジン、R=H、X=PF6 -)を合成した。すなわち、アルゴン雰囲気下、室温にて50mLシュレンク管にRu錯体(2b)(53.0mg,0.10mmol)、2,4,6-コリジン(0.13mL,1.0mmol)、アンモニウムトリフラート(146.7mg,1.0mmol)を入れ、アセトニトリル4mLを加えた。その後溶液を攪拌しながら、アセトニトリル1mLに溶かした[(p-BrC643+[SbCl6-(4a)(326.4mg,0.4mmol)を滴下し、滴下後10分間攪拌した。反応溶液に飽和NH4PF6水溶液(10mL)を加え一晩静置した。溶液をろ過し、水(10mL×3)で洗浄したのち、メタノールで抽出を行うと橙褐色溶液を得た。橙褐色溶液を減圧条件下濃縮し、THFで再度洗浄を行うことでRu錯体(5)を橙褐色固体として得た。Ru錯体(5)のスペクトルデータは以下のとおり。
ESI-TOF-MS(MeOH):m/z=1088.1(計算値1088.1)

Figure 0007317303000009
[Experimental example 27]
Ru complex (5) (Py=4-methylpyridine, R=H, X=PF 6 in formula (C)) was synthesized according to the following formula. That is, under an argon atmosphere, Ru complex (2b) (53.0 mg, 0.10 mmol), 2,4,6-collidine (0.13 mL, 1.0 mmol), ammonium triflate (146. 7 mg, 1.0 mmol) was added, and 4 mL of acetonitrile was added. After that, while stirring the solution, [(p-BrC 6 H 4 ) 3 N. ] + [SbCl 6 ] (4a) (326.4 mg, 0.4 mmol) dissolved in 1 mL of acetonitrile was added dropwise. Stir for a minute. A saturated NH 4 PF 6 aqueous solution (10 mL) was added to the reaction solution, and the mixture was allowed to stand overnight. The solution was filtered, washed with water (10 mL×3), and then extracted with methanol to obtain an orange-brown solution. The orange-brown solution was concentrated under reduced pressure and washed again with THF to obtain Ru complex (5) as an orange-brown solid. Spectral data of Ru complex (5) are as follows.
ESI-TOF-MS (MeOH): m/z = 1088.1 (calculated value 1088.1)
Figure 0007317303000009

[実験例28,29]
実験例28では、電気化学的酸化条件でのアンモニアの分解について知見を得るため、サイクリックボルタンメトリ(CV)測定を行った。すなわち、ガラス状炭素(Glassy Carbon)電極を作用電極とし、[nBu4N][PF6]を支持電解質として用い、アセトニトリル10mL中、Ru錯体(2a)0.01mmol(1mM)、2,4,6-コリジン6.0mmol、NH4OTf6.0mmolの存在下、スキャン速度1mV/sにてCV測定を行った。得られた電流-電位曲線のグラフを図1に示す。このグラフから、アンモニアの酸化分解における定常電流が確認された。その値は200μAであった。この定常電流はスキャン速度を半分の0.5mV/sとしても同じ値が得られた。比較例(実験例29)としてRu錯体なしの条件で同様にCV測定を行ったところ、図1に示すグラフが得られ、定常電流は観測されなかった。この結果により、アンモニアの酸化分解は電気化学的酸化条件においても進行することが確認できた。
[Experimental Examples 28 and 29]
In Experimental Example 28, cyclic voltammetry (CV) measurements were performed to obtain knowledge about the decomposition of ammonia under electrochemical oxidation conditions. That is, using a Glassy Carbon electrode as a working electrode and [nBu 4 N][PF 6 ] as a supporting electrolyte, 0.01 mmol (1 mM) of Ru complex (2a), 2,4, CV measurement was performed at a scan rate of 1 mV/s in the presence of 6.0 mmol of 6-collidine and 6.0 mmol of NH 4 OTf. A graph of the obtained current-potential curve is shown in FIG. From this graph, a steady current was confirmed in the oxidative decomposition of ammonia. Its value was 200 μA. The same steady-state current was obtained even when the scanning speed was halved to 0.5 mV/s. As a comparative example (Experimental Example 29), CV measurement was performed in the same manner without the Ru complex. As a result, the graph shown in FIG. 1 was obtained, and no steady current was observed. From these results, it was confirmed that the oxidative decomposition of ammonia proceeds even under electrochemical oxidation conditions.

[実験例30,31]
ピリジンの4位にメトキシ基を有するRu錯体(2f)の合成を、文献既知の方法に従って行った(Inorg. Chem. 2013, 52, 7844)。錯体(2f)を用いて表3に示すようにアンモニアの酸化反応を行った。実験例30では、アルゴン雰囲気下、-40℃において、50mLシュレンクに[(p-BrC643+[SbCl6-(4a)(1.80mmol)、アンモニウムトリフラート(6.0 mmol)及びアセトニトリル(4.5mL)を加えた後、2,4,6-コリジン(6.0mmol)を加えた。その後、アセトニトリル(0.5mL)に溶かした錯体(2f)(0.005mmol)を加え、室温にて1.5時間攪拌を行った。その結果、窒素が酸化剤あたり87%の収率で得られた。また、実験例31では、-40℃において2時間撹拌した後、室温下で4時間撹拌を行い、反応させたところ、窒素の発生量が酸化剤あたり89%の収率となった。

Figure 0007317303000010
[Experimental Examples 30 and 31]
A Ru complex (2f) having a methoxy group at the 4-position of pyridine was synthesized according to a method known in the literature (Inorg. Chem. 2013, 52, 7844). The oxidation reaction of ammonia was carried out as shown in Table 3 using the complex (2f). In Experimental Example 30, [(p-BrC 6 H 4 ) 3 N · ] + [SbCl 6 ] (4a) (1.80 mmol), ammonium triflate (6. 0 mmol) and acetonitrile (4.5 mL) were added followed by 2,4,6-collidine (6.0 mmol). After that, complex (2f) (0.005 mmol) dissolved in acetonitrile (0.5 mL) was added, and the mixture was stirred at room temperature for 1.5 hours. As a result, nitrogen was obtained with a yield of 87% per oxidant. Further, in Experimental Example 31, after stirring at −40° C. for 2 hours, stirring was performed at room temperature for 4 hours for reaction.
Figure 0007317303000010

[実験例32]
Ru錯体(2a)のイソキノリン環の6位にフルオロ基を有するRu錯体(2g)を文献既知の方法に従って行った(Chem. Commun. 2014, 50, 12947)。錯体(2g)を用いて電気化学的酸化条件下でのアンモニア酸化分解を実験例28と同様にして行った。その結果、図2に示すように、錯体(2g)を用いた場合でも錯体(2a)を用いた際と同様に触媒反応における定常電流を確認し、触媒反応の進行を確認した。その触媒電流の値は、543μAであった。
[Experimental example 32]
Ru complex (2g) having a fluoro group at the 6-position of the isoquinoline ring of Ru complex (2a) was prepared according to a method known in the literature (Chem. Commun. 2014, 50, 12947). Ammonia oxidative decomposition under electrochemical oxidation conditions was carried out in the same manner as in Example 28 using the complex (2 g). As a result, as shown in FIG. 2, even when the complex (2g) was used, the stationary current in the catalytic reaction was confirmed in the same manner as when the complex (2a) was used, and the progress of the catalytic reaction was confirmed. Its catalytic current value was 543 μA.

[実験例33,34]
アンモニア源としてアンモニアを用いて触媒反応を行った。実験例33では、アルゴン雰囲気下、-40℃において、50mLシュレンクに[(p-BrC[SbCl(4a)(0.90mmol)、アンモニア(3.0mmol)及びアセトニトリル(4.5mL)を加えた後、アセトニトリル(0.5mL)に溶かした錯体2a(0.005mmol)を加え、-40℃において2時間撹拌した後、室温下で4時間撹拌を行い、反応させた。その結果、窒素が酸化剤あたり73%の収率で確認された。また、実験例34では、この反応条件において、2,4,6-コリジン(6.0mmol)を加え反応を行ったところ、窒素が酸化剤あたり93%確認された。

Figure 0007317303000011
[Experimental Examples 33 and 34]
Catalytic reactions were carried out using ammonia as the ammonia source. In Experimental Example 33, [(p-BrC 6 H 4 ) 3 N · ] + [SbCl 6 ] (4a) (0.90 mmol), ammonia (3.0 mmol) and ) and acetonitrile (4.5 mL) were added, complex 2a (0.005 mmol) dissolved in acetonitrile (0.5 mL) was added, and the mixture was stirred at −40° C. for 2 hours and then stirred at room temperature for 4 hours. , reacted. As a result, nitrogen was confirmed at a yield of 73% per oxidant. Further, in Experimental Example 34, 2,4,6-collidine (6.0 mmol) was added under these reaction conditions and the reaction was carried out, and 93% of nitrogen was confirmed per oxidant.
Figure 0007317303000011

なお、実験例1-17,23,25-28,30-34が本発明の実施例に相当し、実験例18-22,24,29が比較例に相当する。 Incidentally, Experimental Examples 1-17, 23, 25-28, and 30-34 correspond to Examples of the present invention, and Experimental Examples 18-22, 24, and 29 correspond to Comparative Examples.

本出願は、2018年3月1日に出願された日本国特許出願第2018-36966号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。 This application claims priority from Japanese Patent Application No. 2018-36966 filed on March 1, 2018, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

本発明は、アンモニアの分解に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for decomposing ammonia.

Claims (11)

触媒及び塩基の存在下、酸化剤を用いてアンモニアを酸化分解するか又は電気化学的酸化条件下にてアンモニアを酸化分解して窒素とプロトンと電子を得るアンモニアの分解方法であって、
前記触媒は、2つの第1配位子と1つの第2配位子とを有するルテニウム錯体であり、前記第1配位子は、置換基を有していてもよいピリジン又はピリジン縮合環式化合物であり、前記第2配位子は、ピリジン環上に置換基を有していてもよい2,2’-ビピリジル-6,6’-ジカルボン酸であ
前記塩基は、ピリジン誘導体である、
アンモニアの分解方法。
A method of decomposing ammonia by oxidatively decomposing ammonia using an oxidizing agent in the presence of a catalyst and a base or by oxidatively decomposing ammonia under electrochemical oxidation conditions to obtain nitrogen, protons and electrons,
The catalyst is a ruthenium complex having two primary ligands and one secondary ligand, and the primary ligand is an optionally substituted pyridine or pyridine-fused cyclic a compound, wherein the second ligand is 2,2'-bipyridyl-6,6'-dicarboxylic acid optionally having a substituent on the pyridine ring;
the base is a pyridine derivative,
Method for decomposing ammonia.
前記触媒は、式(A)~(C)
Figure 0007317303000012
(式中、Pyは、4位にアルキル基、アルコキシ基、アリール基若しくはハロゲン原子を有していてもよいピリジン又は6位にアルキル基、アルコキシ基、アリール基若しくはハロゲン原子を有していてもよいイソキノリンであり、Rはアルキル基、アルコキシ基、アリール基又はハロゲン原子であり、Xは1価のアニオンである)のいずれかで表されるルテニウム錯体である、
請求項1に記載のアンモニアの分解方法。
The catalyst has formulas (A) to (C)
Figure 0007317303000012
(Wherein, Py is a pyridine optionally having an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom at the 4-position or an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom at the 6-position is a good isoquinoline, R is an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom, and X is a monovalent anion).
The method for decomposing ammonia according to claim 1.
前記アンモニアは、系内でアンモニウム塩と塩基との反応により生成させる、
請求項1又は2に記載のアンモニアの分解方法。
The ammonia is generated in the system by a reaction between an ammonium salt and a base,
The method for decomposing ammonia according to claim 1 or 2.
前記触媒は、アンモニアのモル数の0.001倍以上0.1倍以下使用する、
請求項1~3のいずれか1項に記載のアンモニアの分解方法。
The catalyst uses 0.001 to 0.1 times the number of moles of ammonia,
The method for decomposing ammonia according to any one of claims 1 to 3.
前記塩基は、2位から6位の少なくとも1つに置換基を有していてもよいピリジンである、
請求項1~3のいずれか1項に記載のアンモニアの分解方法。
The base is pyridine optionally having a substituent at at least one of the 2- to 6-positions.
The method for decomposing ammonia according to any one of claims 1 to 3.
前記塩基は、2,4,6-コリジンである、
請求項5に記載のアンモニアの分解方法。
the base is 2,4,6-collidine;
The method for decomposing ammonia according to claim 5.
前記アンモニアの酸化分解は、トリアリールアミンの一電子酸化体を含む酸化剤を用いることにより行う、
請求項1~6のいずれか1項に記載のアンモニアの分解方法。
The oxidative decomposition of ammonia is performed by using an oxidizing agent containing a one-electron oxidant of triarylamine.
The method for decomposing ammonia according to any one of claims 1 to 6.
前記酸化剤に含まれるアリール基は、2位及び/又は4位にアルキル基又はハロゲン原子を有するフェニル基である、
請求項7に記載のアンモニアの分解方法。
the aryl group contained in the oxidizing agent is a phenyl group having an alkyl group or a halogen atom at the 2- and/or 4-position;
The method for decomposing ammonia according to claim 7.
前記アンモニアの酸化分解は、電気化学的酸化条件により行う、
請求項1~6のいずれか1項に記載のアンモニアの分解方法。
The oxidative decomposition of ammonia is performed under electrochemical oxidation conditions.
The method for decomposing ammonia according to any one of claims 1 to 6.
式(B)
Figure 0007317303000013
(式中、Pyは、4位にアルキル基、アルコキシ基、アリール基若しくはハロゲン原子を有していてもよいピリジン又は6位にアルキル基、アルコキシ基、アリール基若しくはハロゲン原子を有していてもよいイソキノリンであり、Rはアルキル基、アルコキシ基、アリール基又はハロゲン原子であり、Xは、1価のアニオンである)で表される、ルテニウム錯体。
Formula (B)
Figure 0007317303000013
(Wherein, Py is a pyridine optionally having an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom at the 4-position or an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom at the 6-position a good isoquinoline, R is an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom, and X is a monovalent anion).
式(C)
Figure 0007317303000014
(式中、Pyは、4位にアルキル基、アルコキシ基、アリール基若しくはハロゲン原子を有していてもよいピリジン又は6位にアルキル基、アルコキシ基、アリール基若しくはハロゲン原子を有していてもよいイソキノリンであり、Rはアルキル基、アルコキシ基、アリール基又はハロゲン原子であり、Xは、1価のアニオンである)で表される、ルテニウム錯体。
Formula (C)
Figure 0007317303000014
(Wherein, Py is a pyridine optionally having an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom at the 4-position or an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom at the 6-position a good isoquinoline, R is an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group or a halogen atom, and X is a monovalent anion).
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