| Project/Area Number |
21K14585
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
平田 圭祐 東京工業大学, 理学院, 助教 (80845777)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | プロトン移動 / 冷却イオントラップ赤外分光法 / 赤外分光 / グロータス機構 / ビークル機構 / 重水素 |
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| Outline of Research at the Start |
プロトン移動反応は化学・生命科学において最も重要な反応のひとつであり、プロトンがどのような機構で移動するのか興味がもたれる。しかし、プロトン移動の微視的な機構に関して理論予測が数多くなされている一方で、実験研究は少なく、プロトン移動反応の分子論的な理解は進んでいない。そこで本研究では、水和環境に応じてプロトン付加位置が変化する分子群に着目して、プロトン移動の微視的な機構を紫外／赤外分光法を用いて明らかにすることを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
プロトン移動は化学反応における最も基本的な素過程であり、有機合成のみならず生命現象においても鍵となる役割を果たしている。これまで、水中のプロトン移動反応として、グロータス機構とビークル機構が提唱されてきた。グロータス機構はプロトンが隣の水分子に次々に乗り移ることでプロトンが移動する機構であり、ビークル機構はプロトンがヒドロニウムイオン（H3O+）の形で移動する機構である。グロータス機構を仮定するとプロトンの拡散係数等が合理的に説明できることから、グロータス機構が広く受け入れられてきたが、実験による実証研究は未だに進んでいない。本研究では、水和によりプロトン移動が誘起される分子群に着目して、プロトン移動の微視的な反応機構を赤外分光法を用いて明らかにすることを目指している。本年度は以下の研究成果を得た。
・プロトン化p-アミノ安息香酸における水和によるプロトン移動反応の機構解明
複数のプロトン付加位置を有するニコチン、p-アミノ安息香酸(PABA)は気相中で水分子を付加していくとプロトン付加位置が変化することが既に我々の研究により明らかにされている。本年度はこのプロトン付加位置の変化がどのような機構により進行するのか明らかにした。ニコチンではプロトンが隣接する水分子に乗り移るグロータス機構でプロトン移動が進行することが示された。一方、PABAでは水分子の個数によって反応機構が変わることが分かった。水分子の個数が小さい場合は、ヒドロニウムイオンが移動するビークル機構で、水分子が多い場合はグロータス機構でプロトン移動が進行することが分かった。以上の成果はThe Journal of Americal Chemical Society誌、Chemical Science誌に掲載され、表紙に選出されるなど高く評価されている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当該年度は、同位体標識と赤外分光法を組み合わせてプロトン移動反応のメカニズムを解明し、温度や水の個数によって反応機構がどのように変わるのか明らかにすることを目指した。
1) プロトン移動メカニズムの解明
プロトン化ニコチンに水分子を4つ付加するとプロトン付加位置がピリジンからピロリジンへ変化することが既に我々の研究により明らかにされている。プロトン化ニコチンの重水4分子クラスターを生成し、赤外スペクトルを測定したところ、重水クラスターにおいてもプロトン付加位置がピロリジンへ変化していること、さらにそのプロトン化位置が重水素化されていることを突きとめた。これはニコチンのプロトン移動がグロータス機構で進行していることを示している。
2) 温度,水和水の個数による反応機構の変化
プロトン化PABAに水分子付加していくと水5分子以上の水和によりプロトン移動が進行することが既に分かっている。この分子についても同様に重水クラスターの実験を行ったところ、PABAにおいては水分子の個数によってプロトン移動のメカニズムが変化することが示された。すなわち、6分子以下の水和ではプロトンがヒドロニウムイオンの形で移動するビークル機構で、7分子ではグロータス機構でプロトン移動が進行することが示された。一方、温度を変えた場合の反応機構の変化については結論が出ていない。これは、温度を高くするとH/D交換反応が副反応として進行してしまい、プロトン移動の反応機構の違いがマスクされてしまうためである。現在、H/D交換反応を極力抑制した条件での分光測定を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
プロトン移動反応機構の温度依存性を明らかにすべく、副反応のH/D交換反応を抑制する方策を検討している。具体的には、反応前のイオンビームを冷却すること、プロトン親和力が高い分子を用いること、を考えている。
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