Fluorous and organic extraction systems; A Comparison from the perspectives of coordination structures, interfaces, and bulk extraction phases

フルオラス抽出系の有機抽出系との比較; 配位構造、界面、およびバルク抽出相の観点から

上田 祐生   ; Micheau, C.; 阿久津 和宏*; 徳永 紘平   ; 山田 雅子*; 山田 悟史*; Bourgeois, D.*; 元川 竜平   

Ueda, Yuki; Micheau, C.; Akutsu, Kazuhiro*; Tokunaga, Kohei; Yamada, Masako*; Yamada, Norifumi*; Bourgeois, D.*; Motokawa, Ryuhei

本研究では、パーフルオロヘキサン中のフルオラスリン酸エステル(TFP)からなるフルオラス抽出系において、n-ヘキサン中の有機リン酸エステル(THP)からなる類似の有機抽出系と比較して、より高い金属イオン抽出性能に寄与する主要因を分子レベルで理解するために、硝酸溶液からのZr(IV)イオンの抽出の巨視的挙動を微視的構造情報と相関させた。拡張X線吸収微細構造、中性子反射率測定、中性子小角散乱により、それぞれZr(IV)イオン周辺の局所配位構造、界面における抽出剤分子の蓄積、バルク抽出相における抽出剤分子の構造が明らかになった。その結果、いずれの抽出系においても、界面には抽出剤分子はあまり蓄積しなかった。フルオラス抽出系では、硝酸との接触により凝集体が形成され、Zr(IV)抽出後も残存した。一方、有機抽出系では、二量体のみが形成された。Zr(IV)イオン周辺の局所的な配位構造とバルク抽出相における抽出剤分子の構造の違いが、フルオラス抽出系における高いZr(IV)抽出性能に寄与していると推測している。特に、フルオラス相中のZr(IV)濃度が増加しても凝集体の大きさはほとんど変化せず、これはフルオラス抽出系で相分離が起こらないことと密接に関係していると考えられる。

Microscopic structures in liquid-liquid extraction, such as structuration between extractants or extracted complexes in bulk organic phases and at interfaces, can influence macroscopic phenomena, such as the distribution behavior of solutes, including extraction efficiency, selectivity, and phase separation of the organic phase. In this study, we correlated the macroscopic behavior of the extraction of Zr(IV) ions from nitric acid solutions with microscopic structural information in order to understand at the molecular level the key factors contributing to the higher metal ion extraction performance in the fluorous extraction system comprising fluorous phosphate (TFP) in perfluorohexane as compared to the analogous organic extraction system comprising organic phosphate (THP) in n-hexane. Extended X-ray absorption fine structure, neutron reflectometry, and small-angle neutron scattering revealed the local coordination structure around the Zr(IV) ion, the accumulation of extractant molecules at the interface, and the structuration of extractant molecules in the bulk extraction phase, respectively. In the fluorous extraction system, extractant aggregates with were formed after contact with nitric acid. In contrast, in the organic extraction system, only extractant dimers were formed. We speculate that differences in the local coordination structure around the Zr(IV) ion and the structuration of the extractant molecules in the bulk extraction phase contribute to the high Zr(IV) extraction performance in the fluorous extraction system. In particular, the size of the aggregates hardly changed with increasing Zr(IV) concentration in the fluorous phase, which may be closely related to the absence of phase splitting in the fluorous extraction system.