リン酸アルミニウム・ゼオライトの親水性に関する非経験的量子化学計算による研究

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リン酸アルミニウム・ゼオライト(以後AlPO)はAlO_4とPO_4四面体が頂点を共有しながら交互に3次元で連結した新規のモレキュラー・シ-ブであり欠陥の無い網目構造を持つ。疎水的な高シリカゼオライトと同様な構造・電荷分布であるにも拘らず親水性を示すことがAlPOの特徴である。本課題では非経験的量子化学計算法を用いてAlPOの親水性を解明することを試みた。具体的にはAlPOの一つであるVPI-5を取り上げた。X線で確認されているVPI-5の構造から構成したクラスター・モデルAlPO_4と水分子の相互作用エネルギーをRHF/6-31G^*レベルの量子化学計算で取り扱った。その際counter-poise法を採用し相互作用エネルギーの基底関数への依存性を無くす工夫を行なった。4つのモデルのうち水和VPI-5の4員酸素環同士の交点にあるAl位置に由来するモデルのみが25kcal/mol以上の相互作用エネルギーを示したが、他のモデルは全く水分子を吸着しなかった。構造に大きく依存する親水性の理由を説明するためにAlPO_4-水分子系の相互作用をエネルギー分割法により調べ、次のことを明らかにした。(1)通常のAl部位ではAl周囲の酸素原子と水の酸素原子間に働く電子交換相互作用で水の接近を妨げている。(2)水和VPI-5の4員酸素環同士の交点位置のような特定のAl部位では、静電的相互作用が電子交換相互作用に打ち勝ち水は吸着される。電荷移動相互作用項は小さいが、結果としてAl部位はLewis酸として水を吸着することができる。以上の結論はVPI-5というAlPOの1種に基づいたものであるが一般のAlPOの親水性を説明すると考えられる。