環境調和型溶媒がアミンの酸化劣化に及ぼす反応場効果の検証

本研究課題では、研究代表者が構築した二酸化炭素-アミンの反応系に対する量子化学計算モデルをアミンの酸化劣化反応に適用し、地球温暖化対策技術として期待される二酸化炭素分離回収プロセスでのアミンの酸化反応機構を解明するとともに、異なる溶媒や担持環境がもたらす反応場効果を検証する。ベンチマークとして選定したモノエタノールアミンに対し、2021年度から2022年度までに、密度汎関数法によって、酸化劣化の初期過程における反応解析を実施した。その結果、鍵となるいくつかの機構を特定するとともに、特徴的な溶媒効果を見出した。さらに、対象とするアミン種を今後の実用化が期待されるジアミンやポリエチレンイミン等のポリアミンに拡張した。当該拡張系において、二酸化炭素との反応機構を解析し、溶媒および置換基効果を精査しているところである。特に、非水溶媒系での反応の進行は、反応サイト近傍の電子状態のみならず、置換基のかさ高さなどに依存した立体効果、さらには分子量や分子間あるいは分子内相互作用に依存した分子モビリティにも影響を受けることが解明されつつある。この際、遷移状態解析、固有反応座標計算、および分子動力学シミュレーションのほか、検証実験結果との比較も実施してきた。今後、酸化過程の解析を進め、アミン分子の構造、二酸化炭素の存在、そして溶媒和が酸化劣化の反応機構や進行のしやすさに与える影響について、分子レベルでの理解を深化させる。さらに、その理解にもとづき、酸化劣化を抑制しうる有望なアミン系二酸化炭素分離回収材料の設計や分離回収プロセスの提案に展開したい。

本研究課題では、研究代表者が構築した二酸化炭素-アミンの反応系に対する量子化学計算モデルをアミンの酸化劣化反応に適用し、地球温暖化対策技術として期待される二酸化炭素分離回収プロセスでのアミンの酸化反応機構を解明するとともに、異なる溶媒や担持環境がもたらす反応場効果を検証する。ベンチマークとして選定したモノエタノールアミンに対し、2021年度から2022年度までに、密度汎関数法によって、酸化劣化の初期過程における反応解析を実施した。その結果、鍵となるいくつかの機構を特定するとともに、特徴的な溶媒効果を見出した。さらに、対象とするアミン種を今後の実用化が期待されるジアミンやポリエチレンイミン等のポリアミンに拡張した。当該拡張系において、二酸化炭素との反応機構を解析し、溶媒および置換基効果を精査しているところである。特に、非水溶媒系での反応の進行は、反応サイト近傍の電子状態のみならず、置換基のかさ高さなどに依存した立体効果、さらには分子量や分子間あるいは分子内相互作用に依存した分子モビリティにも影響を受けることが解明されつつある。この際、遷移状態解析、固有反応座標計算、および分子動力学シミュレーションのほか、検証実験結果との比較も実施してきた。今後、酸化過程の解析を進め、アミン分子の構造、二酸化炭素の存在、そして溶媒和が酸化劣化の反応機構や進行のしやすさに与える影響について、分子レベルでの理解を深化させる。さらに、その理解にもとづき、酸化劣化を抑制しうる有望なアミン系二酸化炭素分離回収材料の設計や分離回収プロセスの提案に展開したい。