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2011 Fiscal Year Annual Research Report

分子クラスター内プロトン・電荷移動ダイナミクス―凝縮相との違いは何に起因するか

Planned

Project AreaMolecular Science for Supra Functional Systems ? Development of Advanced Methods for Exploring Elementary Process
Project/Area Number 19056005
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

関谷 博  九州大学, 大学院・理学研究院, 教授 (90154658)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 大橋 和彦  九州大学, 大学院・理学研究院, 准教授 (80213825)
迫田 憲治  九州大学, 大学院・理学研究院, 助教 (80346767)
南部 伸孝  上智大学, 理工学部, 教授 (00249955)
Keywordsプロトン移動 / 水素結合 / 赤外分光 / ゆらぎ / 金属・溶媒和 / 配位構造 / 非断熱遷移 / 波束発展法
Research Abstract

平成23年度は、以下の3つの課題について新規な成果が得られた。
(1)2-phenylethanol(2PE)と水の1:1クラスターには2PEのOH基がプロトン供与するDonor構造とAcceptor構造の異性体が存在する。これらの二つの異性体のS_1状態を経由した2波長イオン化を行い、生成物のIRスペクトルを観測し、2PEと水の分子間水素結合がDonor構造とFree構造の二つの構造間を揺らいでいることが示された。孤立気相クラスターイオンにおける水素結合の揺らぎを直接的に観測した報告例は無く、凝縮相の揺らぎと関係づけるための重要な結果が得られた。(2)Co+(H_2O)_nおよびV+(NH_3)_nについて、赤外光解離スペクトルの測定および量子化学計算を行った。T字型3配位構造のCo^+(H_2O)_3では、Co^+に水分子が直接配位する余地が残っている。しかし、4番め以降の水分子は第2水和圏を占め、Co^+(H_2O)_<4-6>におけるCo^+は配位不飽和のままであることが分かった。一方、V^+(NH_3)_nにおけるV^+は平面型4配位を好み、d(x^2-y^2)軌道を空にしたV^+の電子配置から予想される配位構造を示すことが分かり、金属イオンの電子配置と配位構造について洞察を与える結果が得られた。(3)単一ポテンシャルエネルギー曲面を断熱伝播させる半古典凍結ガウス伝播法と非断熱遷移を考慮するために使われる散乱理論を用い、電子状態間の非断熱化学動力学を記述するための波束発展法を用い、1次元Tullyモデル、2次元水分子モデル、より現実的な3原子分子や24次元系であるピラジンモデルへ応用し、量子計算結果および実験結果が一致した。
上記の成果は、平成22年度までに得られたプロトン移動が起こる水素結合系の励起状態ダイナミクスや揺らぎの解明の手掛かりとなる重要なものである。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

7-アザインドール・水1:3クラスターの励起状態3重プロトン移動速度を決定し、反応の振動状態選択性について明らかにした。1:3クラスターにおいて、水素結合ネットワーク構造の異性化を初めて観測した。気相における水素結合の揺らぎの観測は本研究の主要な目的の一つであった。水分子が結合したクラスターを光イオン化して、内部エネルギーを与え、水分子のマイグレーションや水素結合ネットワークの再配列、水素結合の揺らぎを観測する方法を確立した。単一ポテンシャルエネルギー曲面を断熱伝播させる半古典凍結ガウス伝播法と非断熱遷移を考慮するために使われる散乱理論を用い,電子状態間の非断熱化学動力学を記述するための波束発展法を開発した。このように、本研究から多くの成果が得られ、順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

これまで、多重プロトン移動の研究、水素結合ネットワークの再配列、水分子のマイグレーションの研究から水ネットワークの構造とダイナミクスに関する研究分野を確立した。このような研究はタンパク質表面の水和水など、生体分子系の水ネットワークのダイナミクスと水素結合の揺らぎの研究に発展することが可能である。そのために、生体分子イオンの生成を行うためのエレクトロスプレー装置の作成およびクラスター温度制御装置の製作を行っている。孤立系の水素結合の揺らぎについての理論的研究は極めて不十分であり、理論化学研究者との共同研究が重要となっている。実験と理論とのインタープレーによって更に研究を推進したい。

Research Products

(27 results)

All 2012 2011 Other

All Journal Article Presentation Remarks

  • [Journal Article] Theoretical study of photo-physical properties of indolylmaleimide derivatives2012

    • Author(s)
      ZiLong Zheng, Yi Zhao, Manabu Nakazono, Shinkoh Nanbu
    • Journal Title

      J.Phys.Chem.A

      Volume: 14 Pages: 3017-3024

    • DOI

      10.1039/c2cp22946c

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Photon induced isomerization in the first excited state of the 7-azaindole-(H_2O)_3 cluster2011

    • Author(s)
      G.A.Pino, I.Alata, C.Dedonder, C.Jouvet, K.Sakota, H.Sekiya
    • Journal Title

      Phys.Chem.Chem.Phys.

      Volume: 13 Pages: 6325-6331

    • DOI

      10.1039/c1cp00015b

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Entropy-driven rearrangement of the water network at the hydrated amide group of the trans-formanilide-water cluster in the gas phase2011

    • Author(s)
      K.Sakota, Y.Shimazaki, H.Sekiya
    • Journal Title

      Phys.Chem.Chem.Phys

      Volume: 13 Pages: 6411-6415

    • DOI

      10.1039/c0cp02836c

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Photoionization-induced water migration in the amide group of trans-acetanilide-(H_2O)_1 in the gas phase2011

    • Author(s)
      K.Sakota, S.Harada, Y.Shimazaki, H.Sekiya
    • Journal Title

      J.Phys.Chem.A

      Volume: 115 Pages: 626-630

    • DOI

      10.1021/jp111737y

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Coordinatively unsaturated cobalt ion in Co^+(H_2O)_n (n=4-6) probed with infrared photodissociation spectroscopy2011

    • Author(s)
      Kazuki Furukawa, Kazuhiko Ohashi, Hiroshi Sekiya, 他4名
    • Journal Title

      Chem.Phys.Lett

      Volume: 508 Pages: 202-206

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2011.04.058

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A Nonadiabatic Ab Initio Dynamics Study on Rhodopsin and Its Analog Isorhodopsin : Chemical Dynamics Reasons behind Selection of Rhodopsin by Life2011

    • Author(s)
      W.C.Chung, Shinkoh Nanbu, Toshimasa Ishida
    • Journal Title

      Chem.Lett.

      Volume: 40 Pages: 1395-1397

    • DOI

      10.1246/cl.2011.1395

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A theoretical study of SiCN and SiNC in the X^2II electronic state based on global potential energy surfaces2011

    • Author(s)
      Ikuo Tokue, Shinkoh Nanbu
    • Journal Title

      Chem.Phys.Lett.

      Volume: 514 Pages: 239-243

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2011.08.078

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Characterization of the E Isomer of Tetrasubstituted [5] Cumulene and Trapping of the Z Isomer as a Zirconocene Complex2011

    • Author(s)
      N.Suzuki, N.Ohara, K.Nishimura, Y.Sakaguchi, S.Nanbu, 他3名
    • Journal Title

      Organometallics

      Volume: 30 Pages: 3544-3548

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2011.08.078

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Isomerization reaction between linear AlNC and AlCN including the X^1Σ^+and A^1 II states studied by three-dimensional wave packet propagation2011

    • Author(s)
      Ikuo Tokue, Shinkoh Nanbu
    • Journal Title

      J.Chem.Phys.

      Volume: 135 Pages: 024305/9

    • DOI

      10.1063/1.3608915

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fluorescence properties of 2-aryl substituted indole2011

    • Author(s)
      M.Nakazono, K.Saita, Y.Oshikawa, K.Tani, S.Nanbu, K.Zaitsu
    • Journal Title

      Spectrochimica Acta Part A

      Volume: 78 Pages: 905-908

    • DOI

      10.1016/j.saa.2010.11.031

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Coordination structures and spin states of solvated Fe^+ probed with infrared spectroscopy2012

    • Author(s)
      Kazuhiko Ohashi, Hiroshi Sekiya, 他6名
    • Organizer
      Gordon Research Conferences on Molecular & Ionic Clusters
    • Place of Presentation
      Ventura, USA
    • Year and Date
      20120129-20120203
  • [Presentation] Evidence for fluctuation of hydrogen-bonded structures in 2-phenylethanol (H_2O)_12012

    • Author(s)
      Kenji Sakota, Takamasa Ikeda, Shohei Nakata, Hiroshi Sekiya
    • Organizer
      Isolated biomolecules and biomolecular interactions (IBBI 2012)
    • Place of Presentation
      Des-Leablerets, Switzerland
    • Year and Date
      20120122-20120127
  • [Presentation] Coordination chemistry of V^+ probed with IR spectroscopy and quantum chemical calculations2011

    • Author(s)
      Kazuhiko Ohashi, Hiroshi Sekiya, 他4名
    • Organizer
      The Third Asian Spectroscopy Conference
    • Place of Presentation
      Xiamen, China
    • Year and Date
      20111128-20111201
  • [Presentation] Spectroscopic study on hydrogen-bonded networks in the gas phase and solid state2011

    • Author(s)
      Hiroshi Sekiya, Kenji Sakota
    • Organizer
      8th Korea-Japan symposium for Frontier Photoscience-2011
    • Place of Presentation
      Seoul, Korea(招待講演)
    • Year and Date
      20111028-20111031
  • [Presentation] Cooperativity, isomerization, and multiple-proton transfer along water networks of 7-azaindole-(H_2O)_<2,3> clusters in the gas phase2011

    • Author(s)
      Hiroshi Sekiya
    • Organizer
      XIX. International Conference on Horizons in Hydrogen Bond Research
    • Place of Presentation
      Goettingen, Germany
    • Year and Date
      20110911-20110917
  • [Presentation] Spectroscopic study on the rearrangement of the water network at the hydrated amide group in the gas phase2011

    • Author(s)
      Kenji Sakota
    • Organizer
      The 14th Asian Chemical Congress
    • Place of Presentation
      Bangkok, Thailand(招待講演)
    • Year and Date
      20110905-20110908
  • [Presentation] Spectroscopic study of charge-transfer and proton transfer in organic crystals2011

    • Author(s)
      Hiroshi Sekiya
    • Organizer
      6th Japan-Taiwan Bilateral Symposium on Architecture of Functional Organic Molecules
    • Place of Presentation
      Hiroshima(招待講演)
    • Year and Date
      20110817-20110820
  • [Presentation] Non-adiabatic dynamics with semiclassical trajectories : applications to photo-isomerization2011

    • Author(s)
      S.Nanbu
    • Organizer
      Ninth Triennial Congress of the WORLD ASSOCIATION OF THEORETICAL AND COMPU TATIONAL CHEMISTS
    • Place of Presentation
      Santiago De Compostela, SPAIN
    • Year and Date
      20110717-20110722
  • [Presentation] Theoretical study of photo-physical properties of indolylmaleimides Ninth Triennial Congress of the WORLD ASSOCIATION OF2011

    • Author(s)
      T.Murakami, K.Saita, W.C.Chung, T.Ishida, S Nanbu
    • Organizer
      Ninth Triennial Congress of the WORLD ASSOCIATION OF THEORETICAL AND COMPUTATIONAL CHEMISTS
    • Place of Presentation
      Santiago De Compostela, SPAIN(招待講演)
    • Year and Date
      20110717-20110722
  • [Presentation] Proton and charge transfer dynamics in molecular clusters. Investigation of origin of differences between the gas phase and the condensed phase2011

    • Author(s)
      Hiroshi Sekiya
    • Organizer
      The 5th Symposium on Molecular Science for Supra Functional Systems
    • Place of Presentation
      Sapporo
    • Year and Date
      20110711-20110713
  • [Presentation] Rearrangement of water network observed in hydrated formanilide clusters in the gas phase2011

    • Author(s)
      Kenji Sakota, Yuiga Shimazaki, Takamasa Ikeda, Hiroshi Sekiya
    • Organizer
      The Mini International Symposium on Molecular Science for Supra Functional System
    • Place of Presentation
      Sappro
    • Year and Date
      20110711-20110713
  • [Presentation] IR photodissociation spectroscopy of solvated transition-metal ions : coordinatively unsaturated Co^+ in Co^+(H_2O)_n2011

    • Author(s)
      Kazuhiko Ohashi, Hiroshi Sekiya, 他4名
    • Organizer
      The 5th Symposium on Molecular Science for Supra Functional Systems
    • Place of Presentation
      Sapporo
    • Year and Date
      20110711-20110713
  • [Presentation] Coordinatively unsaturated cobalt ion in Co^+(H_2O)_n probed with infrared photodissociation spectroscopy2011

    • Author(s)
      Kazuhiko Ohashi, Hiroshi Sekiya, 他4名
    • Organizer
      XXIII International Symposium on Molecular Beams (ISMB 2011)
    • Place of Presentation
      Bordeaux, France
    • Year and Date
      20110523-20110526
  • [Presentation] Rearrangement of hydrogen-bonded network observed at the hydrated amide group in the gas phase2011

    • Author(s)
      Kenji Sakota
    • Organizer
      The 15^<th> East Asian workshop on chemical dynamics
    • Place of Presentation
      Pohang, Korea(招待講演)
    • Year and Date
      20110516-20110519
  • [Presentation] Excited-state multiple-proton transfer on 7-azaindole clusters probed by frequency- and time-domain spectroscopy2011

    • Author(s)
      Kenji Sakota
    • Organizer
      The 3^<rd> symposium on gas-phase reaction dynamics and laser spectroscopy
    • Place of Presentation
      Daejeon, Korea(招待講演)
    • Year and Date
      2011-08-19
  • [Presentation] Infrared spectra and structures of hydrated metal ions2011

    • Author(s)
      Kazuhiko Ohashi
    • Organizer
      Mini-symposium on hydration of gas phase ions, metals to peptides
    • Place of Presentation
      Kobe(招待講演)
    • Year and Date
      2011-06-18
  • [Remarks]

    • URL

      http://www.scc.kyushu-u.ac.jp/Kouzou/str3j.html

URL: 

Published: 2013-06-26  

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