水溶液中の特異なクラスター集合構造の発生と機能の発現

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11440181
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 岡崎国立共同研究機構
• 研究代表者: 西 信之 岡崎国立共同研究機構, 分子科学研究所, 教授 (60013538)
• 研究分担者: 井口 佳哉 岡崎国立共同研究機構, 分子科学研究所, 助手 (30311187) ; 中林 孝和 岡崎国立共同研究機構, 分子科学研究所, 助手 (30311195)
• キーワード: 酢酸 / 水溶液 / クラスター / ラマン分光 / Micro Phase / 水素結合 / 溶液構造 / 分子間相互作用

研究概要

水は物質を均一に溶かし混むのであろうかという基本的な問題を解決するため、本研究では、分子間振動回転領域ラマン分光法、分子内振動ラマン分光法、そしてab initio分子軌道計算法による構造計算、ラマンスペクトルの予測、さらに、Reference Interaction Side Model(RISM)計算法によって溶質分子が水の中でクラスターを単位とする極微少相(Micro Phase)を形成しつつ水と混合していることを明らかにした。溶質として、有機分子の中で最も水に対する親和性が高い酢酸を選んだ。酢酸は、純結晶や純液体、あるいは四塩化炭素やベンゼン中では、線形の水素結合によって前者の場合は、ネットワークを形成し、後者の溶媒中では環状2量体を形成する。一方、極性の高いアセトニトリル中ではモノマーとして溶解している。しかし、水の中では、カルボキシル基はこの両者の中間で、2個の酢酸分子の内1個はサイドオン型の五角形水素結合に関与するが、もう一方のカルボニル基は水素結合には関与しないため、2量体としては4デバイという大きな双極子モーメントをもつ構造を発生し、この2量体同士の双極子一双極子相互作用によって酢酸クラスターを生じていることが明かになった。この構造体は水と酢酸が1体の分子比で混合された時に最大の密度を示すがこれよりも酢酸の濃度が高くなると、純酢酸のネットワーク構造が発生してくることも解った。

研究成果

• [文献書誌] Takakazu Nakabayashi, Kentaroh Kosugi, and Nobuyuki Nishi: "Liquid Structure of Acetic Acid Studied by Raman Spectroscopy and Ab Initio Molecular Orbital Calculations"Journal of Physical Chemistry A. 103. 8595-8603 (1999)
• [文献書誌] T. Takamuku, A. Yamaguchi, M. Tabata, N. Nishi, and T. Yamaguchi: "Structure and Dynamics of 1,4-Dioxane-Water Binary Solutions Studied by X-ray Diffraction, Mass Spectrometry"Journal of Molecular Liquid. 83. 163-177 (1999)
• [文献書誌] Nobuyuki Nishi, T. Nakabayashi and K. Kosugi: "Raman Spectroscopic Study on Acetic Acid Clusters in Aqueous Solns. : Dominance of Acid-Acid Associn Producing Microphases"Journal of Physical Chemistry A. 103. 10851-10858 (1999)
• [文献書誌] Nobuyuki Nishi: "Water and Alcohols : Searching the Nature of Mixture States at Molecular Levels"Bulletin of Cluster Science Technology. 2. 3-7 (1999)