The Structure of a lanthanide complex at an extractant/water interface studied using heterodyne-detected vibrational sum frequency generation

ヘテロダイン検出振動和周波発生分光による抽出剤/水界面におけるランタノイド錯体の構造の研究

日下 良二  ; 渡邉 雅之   

Kusaka, Ryoji; Watanabe, Masayuki

溶媒抽出法は、極めて重要な金属の分離・精製法である。金属の溶媒抽出に一般的に用いられている、ジ-2-エチルヘキシルリン酸(HDEHP)の様な抽出剤は両親媒性であるため、抽出剤は有機相/水相の界面に集まって金属と錯体を形成し、金属を有機相へ抽出する。この様に溶媒抽出にとって、界面は重要な反応場であるにも関わらず、界面でどの様な金属錯体が形成し、有機相へ抽出されるのか分かっていない。本研究では、ヘテロダイン検出振動和周波発生分光(HD-VSFG)によって、HDEHP単分子膜/水界面に於いて形成した、Eu錯体の構造を調べた。HDEHP/水界面を対象にすることで、界面で形成したEu錯体が有機相へ抽出されること無しに、界面に於けるEu錯体の構造を調べることができた。HD-VSFGによって得た界面の振動スペクトルから、界面に於いて、Euは上側からHDEHP分子に配位され、水相側から水分子に配位された錯体を形成していることを見出すことができた。この様な錯体構造は有機相中や水相中では見つかっておらず、界面で起こる溶媒抽出機構の核心に迫る初の成果である。

Solvent extraction plays an integral part in the separation and purification of metals. Because extractants generally used as complexing agents for metal extractions, such as di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid (HDEHP) for lanthanide extractions, are amphiphilic, they come to the organic/water interface, and the interface plays a crucial role as the site of the formation of metal complexes and subsequent transfer reaction to an organic phase. Despite the importance of the interface for solvent extractions, however, molecular-level structure of the interface is unclear because of experimental difficulty. Here we studied structure of a trivalent europium (Eu) complex with HDEHP formed at HDEHP monolayer/water interface by heterodyne-detected vibrational sum frequency generation (HD-VSFG) spectroscopy. The study on the HDEHP/water interface enables us to investigate the structure of the interfacial Eu complex by excluding the migration of Eu into an organic phase after the complex formation at the interface. The interface-selective vibrational Im spectra observed by HD-VSFG of HDEHP/Eu(NO) aqueous solution interface in the 2800-3500 cm region indicate that Eu at the HDEHP/water interface is bonded by HDEHP from the air side and by water molecules from the water side. To the best of our knowledge, such metal complex structures have not been identified in the organic or water solutions.