プロトン共役電子移動における電子構造と溶媒の再編成を解明(Revealing How Electronic Structure and Solvent Reorganize During Proton-Coupled Electron Transfer)

2026-08-27 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

PNNL(パシフィック・ノースウェスト国立研究所)の研究は、プロトン共役電子移動(PCET)が起こる際に、分子の電子状態と周囲の溶媒分子がどのように同時に再編成されるかを明らかにしたものです。PCETは、電子とプロトン(陽子)の移動が結び付いた反応で、エネルギー変換、触媒、燃料電池などの理解に重要です。研究では、反応前後で電子構造だけが変化するのではなく、周囲の溶媒分子も再配向・再編成し、それらの動きがプロトンと電子の移動を左右することを解析しました。特に、電子状態と溶媒環境の変化を分離せず、両者の動的な相互作用として捉えることで、PCET反応のエネルギー障壁や反応速度をより正確に説明できる可能性を示しています。この知見は、人工光合成やエネルギー貯蔵・変換に用いる触媒の設計、複雑な化学反応の予測精度向上につながると期待されます。

プロトン共役電子移動における電子構造と溶媒の再編成を解明(Revealing How Electronic Structure and Solvent Reorganize During Proton-Coupled Electron Transfer)
A combination of ultrafast X-ray and optical methods helped resolve transient intermediates along a proton-coupled electron transfer pathway. (Image by Jeff London | Pacific Northwest National Laboratory)

<関連情報>

超高速X線によって捉えられた、プロトン共役電子移動における電子および溶媒の再編成 Electronic and solvent reorganization in proton-coupled electron transfer captured by ultrafast X-rays

Abdullah Kahraman,Michael Sachs,Soumen Ghosh,Benjamin I. Poulter,Estefanía Sucre-Rosales,Elizabeth S. Ryland,Douglas Garratt,Sumana L. Raj,Natalia Powers-Riggs,Subhradip Kundu,Christina Y. Hampton,David J. Hoffman,Giacomo Coslovich,Georgi L. Dakovski,Patrick L. Kramer,Matthieu Chollet,Roberto Alonso-Mori,Tim B. van Driel,Sang-Jun Lee,Kristjan Kunnus,Amy A. Cordones,Robert W. Schoenlein,Eric Vauthey,Amity Andersen,… Elisa Biasin
Nature Communication  Published:26 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-75943-4

Abstract

Proton-coupled electron transfer (PCET) is foundational to catalysis, bioenergetics, and energy conversion, yet directly observing the interplay between electronic redistribution, protonation, and solvent reorganization remains challenging. We combine femtosecond optical spectroscopy, ultrafast N K-edge X-ray absorption spectroscopy, and time-resolved X-ray solution scattering to capture the steps of a sequential PCET reaction in water with atomic-site specificity. Using a ruthenium polypyridyl model complex, we resolve the electron redistribution upon photoinduced metal-to-ligand charge transfer and subsequent ( ~ 460 ps) protonation at a ligand nitrogen, as well as the concomitant rearrangement of the first-solvation-shell. Combined with advanced electronic structure and molecular dynamics simulations, our measurements reveal a marked localization of the excited-state electron density at the protonated N site, together with a switch from N···HO to NH···O hydrogen-bonds. These results establish a multimodal X-ray framework for mechanistic insight into PCET and its control in catalysis, artificial photosynthesis, and biological energy flow.

1701物理及び化学
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