イオンが分子内を高効率で動く仕組みを発見 ～新しい化学反応過程の探索や合成手法の開発に期待～

イオンが分子内を高効率で動く仕組みを発見～新しい化学反応過程の探索や合成手法の開発に期待～

2023年9月12日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇大学院理学研究科化学専攻
助教　大下慶次郎（おおしもけいじろう）

【発表のポイント】

従来、溶液中のプロトン（水素原子イオン）は、复数个の溶媒分子が织りなすネットワークの中でリレーされる机构で移动すると考えられてきました。
本研究では、1个の溶媒分子が标的分子のある场所のプロトンを引き抜き、その溶媒分子がプロトンを运んで标的分子の别の场所で放出する机构（ビークル机构）が効率よく起こることを、世界で初めて発见しました。
この研究成果は従来のプロトン移动の考え方にとらわれない新たな反応过程の発见や合成手法の开発につながる可能性があります。

【概要】

　长い距离をイオンが输送される现象は、化学、工业、生物学の幅広い分野で重要な役割を果たしています。この长距离原子输送现象の中でもプロトン（水素原子イオン、贬⁺）が移动する反応は、燃料电池におけるプロトン伝导、细胞膜におけるプロトンポンプなど、様々な过程を担う最も基本的な现象です。

　电解质中における长距离プロトン移动の仕组みとして、グロータス机构とビークル机构の2つが提唱されています（図1）。1806年に提唱されたグロータス机构では、水素结合した复数の水分子がプロトンをリレーして输送します。一方、1982年に提唱されたビークル机构では、贬₃O⁺のようなプロトンが付加した1个の水分子の移动によってプロトンが输送されます。しかし真空中にある1个の分子内をプロトンが动くビークル机构による分子内プロトン移动については全く报告例が无く、研究が进んでいませんでした。

　东北大学大学院理学研究科の大下庆次郎助教と美齐津文典教授らの研究グループは、プロトン付加p-アミノ安息香酸（贬₂NC₆H₄颁翱翱贬·贬⁺、 PABA·H⁺）分子とアンモニア（狈贬₃）の1分子同士を真空中で衝突反応させ、生成物を自作のイオンモビリティー质量分析^（注¹^）装置で観测しました。この実験とab initio分子动力学计算^（注²^）から、アンモニウムイオン（狈贬₄⁺）がプロトンの運び役となるビークル機構によって、プロトンが0.6 nmの距離をほぼ100%の効率で移動することを発見しました。

　この研究成果はプロトン移动反応の新たな反応过程を探究する学术的な兴味にとどまらず、燃料电池で使われるプロトン交换膜のプロトン伝导効率の向上など社会的な贡献につながると期待できます。本研究成果は、2023年9月7日に米国化学会発行のThe Journal of Physical Chemistry Lettersに掲载されました。

図1. 長距離プロトン移動反応の2種類の機構（Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 21, 208 (1982).の図を参考にして作成）。

【用语解説】

注1　イオンモビリティー质量分析：
真空中でのイオンとヘリウムガスとの衝突を利用してイオンの構造を決定する分析手法。本研究では、ヘリウムガスを液体窒素を用いてマイナス190 ℃に冷却することで、プロトン移動反応で生成したイオンの構造を精密に決定しました。

注2　Ab initio分子动力学计算：　
分子内の原子に働く力を计算し、その力をもとにニュートンの运动方程式を解き、分子の运动をシミュレートする方法です。本研究では、非経験的（ab initio）な量子化学計算を用いることで、力場などの経験的なパラメータが不要な高精度の化学反応シミュレーションを行いました。

详细（プレスリリース本文）