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

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11440181
• 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: 水 / 水溶液 / クラスター / ラマン分光 / 分子間相互作用 / 分子磁石 / 水の機能 / 保持力

研究概要

水は水素結合という比較的大きなエネルギーで分子同士が結合したり離れたり、集合運動をすることによって1分子では持ち得ない様々な機能を発揮する。本研究では、このような水の中に、アルコールやカルボン酸のような会合性の液体を溶かし込んだとき、あるいはアセトニトリルやプロピレンカーボネートのような高い極性を持つ分子からなる液体を溶かし込んだとき、それぞれの水溶液がどのような構造変化をするかについて、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分子軌道計算法で研究を行った。その結果、アルコールや酢酸のような会合性の溶質は、モル分率で0.001という希薄な領域に至るまで溶質同士の会合が実現しており、これまで考えられていたように水素結合性の溶質分子が水の中に仲良く溶け込んでいくわけではなく、むしろ水分子は水分子同士の会合領域を最大にするように溶質分子同士の会合・囲い込みを促進させることが明らかになった。これに対して、水素結合をしないアセトニトリルなどの極性分子はむしろ水構造を破壊し、理想的な混合状態に近い溶液をつくりだすことが明らかになった。このような水および極性溶媒の性質を利用して、極性溶媒であるジクロロメタン中で、コバルトカルボニルを高温高圧反応させ、常温分子磁石を合成した。この磁石の重量の半分はジクロロメタンと置換した水であった。水をメタノールや他の溶媒に置換したところ、保持力は減少した。コバルト炭素クラスター分子磁石の中で、磁性発現に水が大きな役割を果たしていることが明らかになったが、この水は結晶のようにシャープなスペクトルを与えることから、これまでにない水の機能発現作用であると結論される。

研究成果

• [文献書誌] Takakazu Nakabayashi, Nobuyuki Nishi: "States of Molecular Associates in Binary Mixtures of Acetic Acid with Protic and Aprotic Polar Solvents : A Raman Spectroscopic Study"Journal of Physical Chemistry. (In press). (2002)
• [文献書誌] Kentaroh Kosugi, Yoshiya Inokucho, Nobuyuki Nishi: ""Charge Transfer Interaction in the Acetic Acid-Benzene Cation Complex""Journal of Chemical Physics. 114. 4805-4816 (2001)
• [文献書誌] Takakazu Nakabayashi, Satoshi Kamo, Hirochika Sakuragi, Nobuyuki Nishi: "Time-Resolved Raman Studies of Photoionization of Aromatic Compounds in Pol Solvents : Picosecond Relaxaion Dynamics of Aromatic Cation Radicals"Journal of Physical Chemistry. 105(38). 8605-8614 (2001)
• [文献書誌] Yoshiya Inokuchi, Nobuyuki Nishi: "Photodissociation spectroscopy of benzene cluster ions in ultraviolet and infrared regions : Static and dynamic behavior of positive charge in cluster ions"Journal of Chemical Physics. 114. 7059-7065 (2001)
• [文献書誌] Takakazu Nakabayashi, Hirofumi Sato, Fumio Hirata, Nobuyuki Nishi: "Theoretical Study on the Structures and Energies of Acetic Acid Dimers in Aqueous Solution"Journal of Physical Chemistry. 105. 245-250 (2001)