Quantitative Observation of Temperature Dependence of Rate Constants in Carbon Chain Growth Reactions of Negatively Charged Molecular and Cluster Ions

• Project Area: Next Generation Astrochemistry: Reconstruction of the Science Based on Fundamental Molecular Processes
• Project/Area Number: 21H05418
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 大下 慶次郎 東北大学, 理学研究科, 助教 (40373279)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: イオン移動度質量分析 / イオンー分子反応 / 炭素クラスター / 負イオン / アセチレン / 異性体分離 / 反応速度定数 / イオンモビリティ分析 / 重合反応

Outline of Research at the Start

惑星系が誕生する場所で起きる多様な化学現象を理解するためには、極低温での化学反応を知るだけではなく、中間温度で進行する様々な気相化学反応を詳細に明らかにする必要がある。本研究では温度100-300Kにおける気相負イオン－分子反応の速度定数の温度依存性を定量的に求めるために、自作の温度可変イオン移動度質量分析装置を用いて反応を観測する。特に炭素－炭素結合が生成する炭素鎖成長反応に着目し、炭素鎖分子や複雑な有機分子生成の反応素過程を研究する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、温度100-300Kの気相における負イオンと分子との反応速度定数の温度依存性を求めるため、自作の温度可変イオン移動度質量分析装置を用いてイオン－分子反応を観測する。特に炭素クラスター負イオンとアセチレン（C2H2）などの炭化水素分子との反応により、炭素－炭素結合が生成する反応（炭素鎖成長反応）に着目した。本研究課題の2年目にあたる令和4年度は、鎖状および環状構造をもつ炭素クラスター負イオンの構造異性体をイオン移動度質量分析を用いて分離し、アセチレンとの反応実験を行った。
固体炭素へのレーザー蒸発とパルス分子線を組み合わせた自作のイオン源を用いて、炭素クラスター負イオンを気相に生成した。ヘリウム緩衝気体で満たされたイオンドリフトセルを用いたイオン移動度分析により、炭素クラスター負イオンの構造異性体を分離した。異性体が分離されたイオンを飛行時間型質量分析計を用いて質量選別して観測した。さらに、ドリフトセルに導入するヘリウム緩衝気体に5%のアセチレンを混合した際の、炭素クラスター負イオンの異性体比の変化を観測した。
イオンドリフトセルに導入した5% C2H2/He緩衝気体の温度300K、圧力0.801Torrにおける炭素クラスター負イオン（Cn-）のイオン移動度質量分析の結果、炭素原子数n=6-15で鎖状構造をもつ炭素クラスター負イオンが観測された。さらにnが13以上では環状構造をもつ炭素クラスター負イオンも合わせて観測された。n=13,15では鎖状と環状構造を持つ構造異性体が共存し、これらを明瞭に分離して観測した。n=13,15の異性体存在比は、純ヘリウムを導入した場合に比べて、アセチレンを導入すると環状の異性体が鎖状に比べて相対的にイオン量が減少することが見出された。これは環状構造をもつ炭素クラスター負イオンが鎖状に比べてアセチレンとの反応性が高いことを示している。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Ion Mobility-Mass Spectrometry of Protonated Molecules―Intramolecular Proton Transfer by Bimolecular Reaction― (2022)
  • Author(s): Ohshimo Keijiro、Miyazaki Shun、Sato Ryosuke、Hattori Keigo、Misaizu Fuminori
  • Journal Title: Journal of the Mass Spectrometry Society of Japan Volume: 70 Issue: 1 Pages: 36-42
  • DOI: 10.5702/massspec.S22-07
  • ISSN: 1340-8097, 1880-4225, 1884-3271
  • Year and Date: 2022-03-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Geometrical Structures of Gas Phase Cerium Oxide Cluster Cations after Reaction with Nitric Oxide Studied by Ion Mobility Mass Spectrometry (2022)
  • Author(s): Toshiaki Nagata, Jenna W. J. Wu, Motoyoshi Nakano, Keijiro Ohshimo, and Fuminori Misaizu
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry A Volume: 126 Issue: 7 Pages: 1204-1210
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.1c10835
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structures of Dibenzo-24-crown-8 Complex with an NH4+ Ion Studied by Cryogenic Ion Mobility-Mass Spectrometry (2022)
  • Author(s): R. Ito, K. Ohshimo, F. Misaizu
  • Journal Title: Chem. Phys. Lett. Volume: 794 Pages: 139510-139510
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2022.139510
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural assignments of yttrium oxide cluster cations studied by ion mobility mass spectrometry (2022)
  • Author(s): Yotaro Misao, Toshiaki Nagata, Motoyoshi Nakano, Keijiro Ohshimo, Fuminori Misaizu
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: － Issue: 18 Pages: 11096-11103
  • DOI: 10.1039/d1cp05929g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Time-of-flight mass spectrometry diagnostics in deep oscillation magnetron sputtering (DOMS) of titanium (2022)
  • Author(s): Sanekata Masaomi、Nakagomi Yuki、Hirayama Mutsuki、Nishida Hiroshi、Nishimiya Nobuo、Tona Masahide、Yamamoto Hiroaki、Tsukamoto Keizo、Fuke Kiyokazu、Ohshimo Keijiro、Koyasu Kiichirou、Misaizu Fuminori
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 131 Issue: 24 Pages: 243301-243301
  • DOI: 10.1063/5.0089592
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large Conformational Change in the Isomerization of Flexible Crown Ether Observed at Low Temperature (2022)
  • Author(s): Ito Ryosuke、He Xi、Ohshimo Keijiro、Misaizu Fuminori
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A Volume: 126 Issue: 27 Pages: 4359-4366
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.2c02271
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photofragment ion imaging in vibrational predissociation of the H2O+Ar complex ion (2021)
  • Author(s): Nakashima Yuji、Ito Yuri、Kominato Mizuhiro、Ohshimo Keijiro、Misaizu Fuminori
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 154 Issue: 17 Pages: 174301-174301
  • DOI: 10.1063/5.0049609
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Conformer Separation of Dibenzo-Crown-Ether Complexes with Na+ and K+ ions Studied by Cryogenic Ion Mobility-Mass Spectrometry (2021)
  • Author(s): K. Ohshimo, X. He, R. Ito, F. Misaizu
  • Journal Title: J. Phys. Chem. A Volume: 125 Issue: 17 Pages: 3718-3725
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.1c02300
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dependence of Optical Emission Spectra on Argon Gas Pressure during Modulated Pulsed Power Magnetron Sputtering (MPPMS) (2021)
  • Author(s): Masaomi Sanekata, Hiroshi Nishida, Yuki Nakagomi, Yoshihiro Hirai, Nobuo Nishimiya, Masahide Tona, Hiroaki Yamamoto, Naoki Hirata, Keizo Tsukamoto, Keijiro Ohshimo, Fuminori Misaizu, and Kiyokazu Fuke
  • Journal Title: Plasma Volume: 4 Issue: 2 Pages: 269-280
  • DOI: 10.3390/plasma4020018
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 低温イオントラップとイオン移動度質量分析を用いたプロトン付加アミノ安息香酸におけるプロトン移動の温度依存性の研究 (2023)
  • Author(s): 大下 慶次郎、高崎 佑也、角田 健吾、伊藤 亮佑、美齊津 文典
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] イオン移動度質量分析を用いたプロトン付加分子におけるプロトン移動反応の研究 (2022)
  • Author(s): 大下 慶次郎、佐藤 良亮、高崎 佑也、美齊津 文典
  • Organizer: 第70回質量分析総合討論会
  • Invited
• [Presentation] 低温イオン移動度質量分析を用いたプロトン付加アミノ安息香酸における分子内プロトン移動の研究 (2022)
  • Author(s): 大下 慶次郎、高崎 佑也、佐藤 良亮、美齊津 文典
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] イオン移動度質量分析を用いたホスト-ゲスト化合物の構造と異性化反応の研究 (2021)
  • Author(s): 大下 慶次郎
  • Organizer: 第9回イオン移動度研究会
  • Invited
• [Presentation] イオン移動度質量分析によるジベンゾクラウンエーテル-Na+, K+錯体の構造研究 (2021)
  • Author(s): 大下 慶次郎、He Xi、伊藤 亮佑、美齊津 文典
  • Organizer: 第69回質量分析総合討論会
• [Presentation] 温度可変低温イオン移動度質量分析によるホスト-ゲスト錯体の異性化反応の研究 (2021)
  • Author(s): 大下 慶次郎，伊藤 亮佑，He Xi，美齊津 文典
  • Organizer: 原子衝突学会第46回年会
• [Presentation] プロトン付加分子のイオン移動度質量分析－イオン分子反応による分子内プロトン移動－ (2021)
  • Author(s): 大下 慶次郎
  • Organizer: 日本質量分析学会第77回イオン反応研究会
  • Invited