大阪大学研究生院基础工学研究科的满留敬人副教授、博士3年级学生津田智广（研究当时）等人发现，由铁和磷构成的磷化铁纳米晶体（Fe₂P NC）可作为高效促进羰基化合物还原胺化反应的催化剂发挥作用。研究人员将这种磷化铁纳米晶体负载于氧化锆上的催化剂，显示出传统铁催化剂300倍以上的活性。通过该反应，可从各种羰基化合物中高收率获得目标生成物“一级胺”，且反应后的催化剂在保持高活性的同时可重复使用。相关研究成果已发表在期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
图1. （a）研发的磷化铁纳米晶体（Fe₂P NC）的电子显微镜图像：Fe₂P NC具有纵66纳米×横10纳米的六棱柱纳米棒结构；（b）传统铁催化剂（Fe/ZrO₂）与此次研发的磷化铁催化剂（Fe₂P NC）在还原胺化反应中的活性对比；（c）使用Fe₂P NC/ZrO₂催化剂通过各种羰基化合物的还原胺化反应合成一级胺（供图：大阪大学）
以氨为氮源的羰基化合物还原胺化反应，是合成作为医药中间体及聚合物原料不可或缺的一级胺的工业重要反应。促进该反应的催化剂多使用稀少昂贵的贵金属或镍、钴等存在资源枯竭的担心，因此开发成本更低、通用性更高的铁基催化剂一直备受业界的期待。
研究团队通过独创方法致力于多种金属纳米化合物的合成，此次成功合成了由铁和磷构成的棒状磷化铁纳米晶体（Fe₂P NC）。
这种磷化铁纳米晶体作为促进醛类还原胺化反应的催化剂发挥作用，显示出较传统铁催化剂（Fe/ZrO₂）高77倍的催化活性。此外，棒状磷化铁纳米晶体与传统铁纳米粒子不同，由于具备在大气中稳定的性质，将其与ZrO₂复合后，催化活性显著提升，达到传统铁催化剂313倍的极高活性。
这种复合催化剂可在各种羰基化合物的还原胺化反应中高收率生成胺类化合物，且这些胺类化合物可作为医药中间体及聚合物原料加以利用。此外，由于该催化剂为固体，反应后可通过离心分离轻松回收，即便重复使用后仍能维持高活性。
此次研究在还原胺化反应中兼具高活性与耐久性的铁基催化剂开发上，实现了全球的首次成功。论文中还针对复合催化剂的活性形成因子及反应机理进行了详细探讨。
满留副教授表示：“为实现可持续发展的社会，需要基于资源循环的材料选择与基础技术革新。其中，将储量丰富且环境负荷低的‘铁’作为催化剂使用，长期以来虽被视为理想方案，但针对铁本身的不稳定性和低活性，一直缺乏现实的解决方案。本研究针对这些课题，为开发具备实用性的铁基催化剂提供了一个方向。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST 客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of the American Chemical Society
论文：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
