【本学研究者情報】

〇大学院理学研究科化学専攻
助教　大下 慶次郎（おおしも けいじろう）
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 従来、溶液中のプロトン（水素原子イオン）は、複数個の溶媒分子が織りなすネットワークの中でリレーされる機構で移動すると考えられてきました。
• 本研究では、1個の溶媒分子が標的分子のある場所のプロトンを引き抜き、その溶媒分子がプロトンを運んで標的分子の別の場所で放出する機構（ビークル機構）が効率よく起こることを、世界で初めて発見しました。
• この研究成果は従来のプロトン移動の考え方にとらわれない新たな反応過程の発見や合成手法の開発につながる可能性があります。

【概要】

　長い距離をイオンが輸送される現象は、化学、工業、生物学の幅広い分野で重要な役割を果たしています。この長距離原子輸送現象の中でもプロトン（水素原子イオン、H⁺）が移動する反応は、燃料電池におけるプロトン伝導、細胞膜におけるプロトンポンプなど、様々な過程を担う最も基本的な現象です。

　電解質中における長距離プロトン移動の仕組みとして、グロータス機構とビークル機構の2つが提唱されています（図1）。1806年に提唱されたグロータス機構では、水素結合した複数の水分子がプロトンをリレーして輸送します。一方、1982年に提唱されたビークル機構では、H₃O⁺のようなプロトンが付加した1個の水分子の移動によってプロトンが輸送されます。しかし真空中にある1個の分子内をプロトンが動くビークル機構による分子内プロトン移動については全く報告例が無く、研究が進んでいませんでした。

　東北大学大学院理学研究科の大下慶次郎助教と美齊津文典教授らの研究グループは、プロトン付加p-アミノ安息香酸（H₂NC₆H₄COOH·H⁺、 PABA·H⁺）分子とアンモニア（NH₃）の1分子同士を真空中で衝突反応させ、生成物を自作のイオンモビリティー質量分析^（注1）装置で観測しました。この実験とab initio分子動力学計算^（注2）から、アンモニウムイオン（NH₄⁺）がプロトンの運び役となるビークル機構によって、プロトンが0.6 nmの距離をほぼ100%の効率で移動することを発見しました。

　この研究成果はプロトン移動反応の新たな反応過程を探究する学術的な興味にとどまらず、燃料電池で使われるプロトン交換膜のプロトン伝導効率の向上など社会的な貢献につながると期待できます。本研究成果は、2023年9月7日に米国化学会発行のThe Journal of Physical Chemistry Lettersに掲載されました。

【用語解説】

注1　イオンモビリティー質量分析：
真空中でのイオンとヘリウムガスとの衝突を利用してイオンの構造を決定する分析手法。本研究では、ヘリウムガスを液体窒素を用いてマイナス190 ℃に冷却することで、プロトン移動反応で生成したイオンの構造を精密に決定しました。

注2　Ab initio分子動力学計算：　
分子内の原子に働く力を計算し、その力をもとにニュートンの運動方程式を解き、分子の運動をシミュレートする方法です。本研究では、非経験的（ab initio）な量子化学計算を用いることで、力場などの経験的なパラメータが不要な高精度の化学反応シミュ レーションを行いました。

詳細（プレスリリース本文）

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（研究に関すること）

東北大学大学院理学研究科化学専攻
助教　大下　慶次郎（おおしも　けいじろう）
TEL: 022-795-6579
Email: ohshimo*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

東北大学大学院理学研究科化学専攻
教授　美齊津　文典（みさいづ　ふみのり）
TEL: 022-795-6577
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東北大学大学院理学研究科
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