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2017 Fiscal Year Annual Research Report

Microscopic theory of phase transfer catalysis at liquid-liquid interfaces

Research Project

Project/Area Number 26288003
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

森田 明弘  東北大学, 理学研究科, 教授 (70252418)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2019-03-31
Keywords表面・界面 / イオン輸送 / 分子シミュレーション
Outline of Annual Research Achievements

液液界面でのイオン輸送を制御する相間移動触媒の機能を、従来の現象論的な速度論や計算化学を超えた新たな視点で解明した。液液界面をイオンが通過する際には、油相中に入ったイオンが水和水を引き連れてwater finger構造を作ることが従来から計算化学的に知られていたが、その機能に対する意味を分子レベルで示された例はなかった。本研究では、water finger構造の形成と切断を表す座標を導入してその座標上での自由エネルギー面を計算化学的に求めることに成功し、その構造遷移に伴って自由エネルギー障壁が存在することを明らかとした。これは、液液界面のイオン移動速度が拡散律速よりも数桁遅くなる理由となることを解明した。

water finger形成・切断を示す座標を定義するうえで、界面水の水素結合ネットワークの連結性をグラフ理論に基づいて簡便に与えることができることを示した。water finger形成・切断に伴うダイナミックスを解明するため、その自由エネルギー面上のランダム力や摩擦係数を分子シミュレーションから求め、その摩擦係数の振る舞いには界面での異常性が存在しないことも示した。界面イオン輸送は、界面近傍で拡散係数に異常性が現れるのではなく、従来知られていなかった自由エネルギー障壁によって遅くなることを示した。油相中に移動したイオンのwater fingerが切れた直後の水和水の状況を示し、バルク中での水和クラスターの分布よりも水和水を過剰に伴っていることも明らかとした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究で目標として掲げたように、イオン輸送を制御する界面ゆらぎの効果を定量的かつ明確な描像として示すことに成功した。water finger座標の定式化は、今後の液液界面で>の物質輸送にとって大きな意味をもった成果である。その成果に基づいて、イオン輸送のダイナミックスについても分子レベルの実体を明らかにしつつあり、さらに今後の方針に示すような水和の効果、イオンペア形成に伴うfacilitated ion transferのメカニズムについても研究が進展している。前年度には、有機相中におけるイオン水和の分布および吸着・脱離レートについて計算化学による微視的な描像を明らかにする成果を報告した。

Strategy for Future Research Activity

液液界面を通過するイオンは、water fingerを切断した直後には多くの水和水を伴ってい>ることが知られている。先のイオン水和の分布にもとづき、水‐有機相界面の近傍をイオンが通過する際の水和クラスターの蒸発・吸着の速度論とイオン輸送の効率を明らかにする。
また相間移動触媒の輸送効率を決めるイオンペア形成の輸送への影響を解明する。イオンペア形成によって、界面輸送の自由エネルギーのプロファイルがどのように影響を受けるかを明らかにする。
また、液液界面における電子移動反応の計算にも進み、電子移動反応の自由エネルギー障壁が液液界面構造の揺らぎや水和によってどのように影響されるかの描像を明らかにする予定である。

Expenditure Plan for Carryover Budget

30年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (35 results)

All 2018 2017 Other

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 9 results) Presentation (25 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 6 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] 液液界面でのイオン輸送の分子機構2018

    • Author(s)
      森田 明弘
    • Journal Title

      Colloid & Interface Communication

      Volume: 4 Pages: 26-28

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Molecular dynamics study of structure and vibrational spectra at zwitterionoic lipid/aqueous KCl, NaCl, and CaCl2 solution interfaces2018

    • Author(s)
      Ishiyama Tatsuya、Shirai Shinnosuke、Okumura Tomoaki、Morita Akihiro
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 148 Pages: 222801~222801

    • DOI

      10.1063/1.5006543

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Structure at the air/water interface in the presence of phenol: a study using heterodyne-detected vibrational sum frequency generation and molecular dynamics simulation2018

    • Author(s)
      Kusaka Ryoji、Ishiyama Tatsuya、Nihonyanagi Satoshi、Morita Akihiro、Tahara Tahei
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 20 Pages: 3002~3009

    • DOI

      10.1039/C7CP05150F

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of third-order susceptibility in sum frequency generation spectra: a molecular dynamics study in liquid water2018

    • Author(s)
      Joutsuka Tatsuya、Hirano Tomonori、Sprik Michiel、Morita Akihiro
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 20 Pages: 3040~3053

    • DOI

      10.1039/C7CP01978E

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Theoretical Investigation of C-H Vibrational Spectroscopy. 2. Unified Assignment Method of IR, Raman, and Sum Frequency Generation Spectra of Ethanol2017

    • Author(s)
      Wang Lin、Ishiyama Tatsuya、Morita Akihiro
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry A

      Volume: 121 Pages: 6701~6712

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.7b05378

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Theoretical Investigation of C-H Vibrational Spectroscopy. 1. Modeling of Methyl and Methylene Groups of Ethanol with Different Conformers2017

    • Author(s)
      Wang Lin、Ishiyama Tatsuya、Morita Akihiro
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry A

      Volume: 121 Pages: 6687~6700

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.7b05320

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A QM/MM study on the correlation between the polarisations of and electrons in a hydrated benzene2017

    • Author(s)
      Suzuoka Daiki、Takahashi Hideaki、Morita Akihiro
    • Journal Title

      Molecular Simulation

      Volume: 43 Pages: 1209~1217

    • DOI

      10.1080/08927022.2017.1350661

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Unveiling subsurface hydrogen-bond structure of hexagonal water ice2017

    • Author(s)
      Otsuki Yuji、Sugimoto Toshiki、Ishiyama Tatsuya、Morita Akihiro、Watanabe Kazuya、Matsumoto Yoshiyasu
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 96 Pages: 115405-

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.96.115405

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Computational Analysis of Vibrational Sum Frequency Generation Spectroscopy2017

    • Author(s)
      Ishiyama Tatsuya、Morita Akihiro
    • Journal Title

      Annual Review of Physical Chemistry

      Volume: 68 Pages: 355~377

    • DOI

      10.1146/annurev-physchem-052516-044806

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Ion Effects on Third-Order Susceptibility in Sum Frequency Generation Spectroscopy of Aqueous Salt Solutions2018

    • Author(s)
      城塚 達也、森田 明弘
    • Organizer
      日本化学会第98春季年会
  • [Presentation] Structural Transition and Acceleration of H-D Exchange Reaction at Topmost Surface of Hexagonal Ice2018

    • Author(s)
      杉本 敏樹、大槻 友志、加藤 史明、石山 達也、森田 明弘、渡邊 一也、松本 吉泰
    • Organizer
      日本化学会第98春季年会
  • [Presentation] 分子シミュレーションによる気液界面の構造と反応の研究2018

    • Author(s)
      森田 明弘
    • Organizer
      「自然科学における階層と全体」シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] Unified assignment method of alkyl C-H vibrational spectra: molecular dynamics study of ethanol2017

    • Author(s)
      Lin Wang, Tatsuya Ishiyama and Akihiro Morita
    • Organizer
      第31回分子シミュレーション討論会
  • [Presentation] 固液界面におけるイオン移動と振動差スペクトルの分子動力学シミュレーション2017

    • Author(s)
      城塚 達也、高瀬 航輝、森田 明弘
    • Organizer
      第31回分子シミュレーション討論会
  • [Presentation] アルコール単分子膜/水溶液界面でのイオン分布2017

    • Author(s)
      吉田 俊将、森田 明弘、石山 達也
    • Organizer
      第31回分子シミュレーション討論会
  • [Presentation] アクリレートポリマー/水界面における水の水素結合構造2017

    • Author(s)
      岸中 翔、八十島 亘宏、森田 明弘、石山 達也
    • Organizer
      第31回分子シミュレーション討論会
  • [Presentation] 氷表面における環構造の温度依存性2017

    • Author(s)
      石山 達也、森田 明弘
    • Organizer
      第31回分子シミュレーション討論会
  • [Presentation] Structure and Reactivity at Aqueous Interfaces2017

    • Author(s)
      Akihiro Morita
    • Organizer
      3rd International Workshop on Heterogeneous Kinetics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] QM/MM法による水溶液中のATP加水分解反応の自由エネルギー解析2017

    • Author(s)
      高橋 英明、海野 悟、森田 明弘
    • Organizer
      第11回分子科学討論会
  • [Presentation] Unified Assignment of Alkyl C-H Vibrational Spectra of Ethanol by Molecular Dynamics Simulation2017

    • Author(s)
      王 琳、石山 達也、森田 明弘
    • Organizer
      第11回分子科学討論会
  • [Presentation] 和周波発生分光法における三次感受率の効果: 水の分子動力学シミュレーションによる研究2017

    • Author(s)
      城塚 達也、平野 智倫、Michiel Sprik、森田 明弘
    • Organizer
      第11回分子科学討論会
  • [Presentation] 液液界面で起こるイオン輸送過程の水和状態に関する研究2017

    • Author(s)
      Lingjian Wang、吉川 信明、森田 明弘
    • Organizer
      第11回分子科学討論会
  • [Presentation] 液液界面における Facilitated Ion Transfer の微視的機構2017

    • Author(s)
      田原 寛文、森田 明弘
    • Organizer
      第11回分子科学討論会
  • [Presentation] 分子動力学シミュレーションによる油水界面での電子移動機構の研究2017

    • Author(s)
      平野 智倫、杉林 敏大、田原 寛文、森田 明弘
    • Organizer
      第11回分子科学討論会
  • [Presentation] 氷表面の分子動力学シミュレーション:フリーOH振動の和周波発生スペクトル強度と表面環構造との関係について2017

    • Author(s)
      石山 達也、大槻 友志、杉本 敏樹、森田 明弘、渡邉 一也、松本 吉泰
    • Organizer
      第11回分子科学討論会
  • [Presentation] アクリレート系高分子と水界面の分子動力学シミュレーション2017

    • Author(s)
      岸中 翔、八十島 亘弘、森田 明弘、石山 達也
    • Organizer
      第11回分子科学討論会
  • [Presentation] Distribution of hydrated ion clusters near liquid-liquid interface2017

    • Author(s)
      Lingjian Wang, Nobuaki Kikkawa, and Akihiro Morita
    • Organizer
      Tohoku University's Chemistry Summer School 2017
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Recent Topics in Theoretical Analysis of Sum Frequency Generation Spectroscopy2017

    • Author(s)
      Akihiro Morita
    • Organizer
      Telluride Science Research Conference in China (TSRC2) on Nonlinear Optics at Interface
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Free Energy Analyses for the Hydrolysis of ATP in Water Solution Through Quantum Chemical Simulations2017

    • Author(s)
      Hideaki Takahashi, Satoru Umino, Akihiro Morita
    • Organizer
      1st International Symposium on Fuels and Energy
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Theory of structure and functions of liquid and polymer interfaces2017

    • Author(s)
      Akihiro Morita
    • Organizer
      KAKENHI International Symposium on "Studying the Function of Soft Molecular Systems"
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Effect of Third-Order Susceptibility in Sum Frequency Generation Spectroscopy: Molecular Dynamics Study in Liquid Water2017

    • Author(s)
      Tatsuya Joutsuka, Tomonori Hirano, Michiel Sprik, Akihiro Morita
    • Organizer
      KAKENHI International Symposium on "Studying the Function of Soft Molecular Systems"
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Theory and Efficient Computation of Difference Vibrational Spectroscopy2017

    • Author(s)
      Akihiro Morita
    • Organizer
      9th International Conference on Advanced Vibrational Spectroscopy (ICAVS2017)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 和周波発生分光法における三次の感受率の効果:水の分子動力学シミュレーションによる研究2017

    • Author(s)
      城塚 達也、平野 智倫、Michiel Sprik、森田 明弘
    • Organizer
      第20回理論化学討論会
  • [Presentation] Molecular Theory of Ion Transport at Oil-Water Interfaces2017

    • Author(s)
      Akihiro Morita
    • Organizer
      13th International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering (ICCMSE2017)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 東北大学大学院理学研究科化学専攻 計算分子科学研究室

    • URL

      http://comp.chem.tohoku.ac.jp/

URL: 

Published: 2018-12-17  

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