紫外-赤外二重共鳴法による電子励起分子クラスターのCH、OH振動の直接観測

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12640483
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 江幡 孝之 東北大学, 理学研究科, 助教授 (70142924)
• 研究分担者: 三上 直彦 東北大学, 大学院・理学研究科, 教授 (70004447)
• キーワード: 紫外-赤外二重共鳴 / 電子励起状態 / OH伸縮振動 / 水素結合 / クラスター

研究概要

気相分子、分子クラスターの電子励起状態(S_1)のX-H(X=C,O,N)伸縮振動状態の緩和や、反応のダイナミックスの研究を行った。まず、電子励起分子のX-H振動状態の観測方法として、紫外-赤外二重共鳴分光法を開発した。この分光法では、超音速ジェット中に生成した気相孤立分子や分子クラスターを、紫外レーザー光でS_1電子状態のゼロ点準位に励起し、その直後に入射した赤外レーザー光で、X-H振動準位に励起した。その条件下で、初期振動準位や緩和した振動準位からの蛍光を観測し、S_1状態の振動スペクトルの観測や、その緩和ダイナミックスに関する研究を行った。
観測方法としては、(1)振動励起状態の蛍光量子収率の変化を利用する赤外分光法、(2)振動励起状態の振動エネルギー緩和を利用する赤外分光法、の二つの方法を開発した。
対象とした系は、S_1状態のベンゼン、トルエンのC-H伸縮振動やアニリン,ナフトールのN-H,C-H伸縮振動である。これらの振動状態は、通常の電子スペクトル中には現れず、本研究で初めて観測することに成功した。観測の結果、ベンゼン、トルエンでは、S_0状態に比べ゛S_1状態で芳香環側のC-H伸縮振動の振動数が増加するが、逆にメチル基側のC-H伸縮振動の振動数は低下することを見いだした。また、アニリンでは、N-H振動の振動数がS_1状態で500cm^<-1>と著しく低下し、さらにS_1(ππ^*)電子状態のわずか3500cm^<-1>高波数側に第二電子励起状態S_2(πσ^*)が存在することを見いだした。S_2(πσ^*)電子状態は、芳香族分子のS_1状態の光化学反応を支配する重要な状態であり、今後の研究結果が期待される。同様の観測を水素結合クラスターについて行った。その結果、振動励起励起されたクラスター、速やかに振動緩和した後振動前期解離することが明らかになった。

研究成果

• [文献書誌] Asuka, Fujii: "Infrared spectroscopy of CH stretching vibrations of jet-cooled alkylbenzene cations by using the "messenger"technique"J. Chem. Phys.. 112. 6275-6284 (2000)
• [文献書誌] Yoshiyuki Matsuda: "Population labeling spectroscopy for the electronic and the vibrational transitions of 2-pyridone and its hydrogen-bonded clusters"J. Chem. Phys.. 113(2). 573-580 (2000)
• [文献書誌] Takayuki Ebata: "Vibrational relaxation of OH and OD stretching vibrations of phenol and its clusters studied by IR-UV pump-probe spectroscopy"J. Phys. Chem. A. 104(34). 7974-7979 (2000)
• [文献書誌] Nikhil Guchhait: "Vibrational spectroscopy for size-selected fluorene-(H_2O)_<n=1-2> clusters in supersonic jets"J. Phys. Chem. A. 104(51). 11891-11896 (2000)
• [文献書誌] Yoshiyuki Matsuda: "IR-UV double-reasonance spectroscopic study of 2-hydroxypyridine and its hydrogen-boned clusters in supersonic jets""J. Phys. Chem. A. 105(14). 3475-3480 (2001)
• [文献書誌] Yoshiteru Matsumoto: "OH stretching vibrations and hydrogen-bonded structures of 7-hydroxy-quinoline-(H_2O)_<1-3> investigated by IR-UV double-resonance spectroscopy"Chem. Phys. Lett.. 338. 52-60 (2001)
• [文献書誌] Ryousuke Yamamoto: "Mode dependent intracluster vibrational energy redistribution rate in size-selected benzonitrile-(CHCl_3)_<n=1-3> clusters"J. Chem. Phys. 114(18). 7866-7876 (2001)
• [文献書誌] Yoshiteru Matsumoto: "Photofragment-detected IR spectroscopy (PFDIRS) for the OH stretching vibration of the hydrogen-bonded clusters in the S^1 state-Application to 2-naphthol-B (B=H_2O and CH_3OH) clusters"J. Phys. Chem. A. 105(24). 5727-5730 (2001)
• [文献書誌] Takayuki Ebata: "Picosecond IR-UV pump-probe spectroscopy.-IVR of OH stretching vibration of phenol and phenol dimer"J. Phys. Chem. A. 105(38). 8623-8628 (2001)
• [文献書誌] Toru Yahagi: "Infrared spectroscopy of the OH stretching vibrations of jet-cooled salicylic acid and its dimer in S_0 and S_1"J. Phys. Chem. A. 105(47). 10673-10680 (2001)
• [文献書誌] Chika Minejima: "CH stretching vibration of benzene and toluene in S_1 observed by double resonance vibrational spectroscopy in supersonic jets"Phys. Chem. Che. Phys.. (印刷中).