高圧を用いて解明されたプロトン結合電子移動(Proton-coupled electron transfer: Deciphered with high pressure)

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2025-03-20 ミュンヘン大学(LMU)

ミュンヘン大学(LMU)とエアランゲン=ニュルンベルク大学(FAU)の研究者らは、高圧下での光誘起反応を利用し、プロトン共役電子移動(PCET)の二つのメカニズム—同時(concerted)および段階的(stepwise)—を初めて識別する手法を確立した。反応速度が圧力に影響されなければ同時型、影響されれば段階型と判断可能であることを実証。また、圧力操作により段階型反応を同時型へ誘導することにも成功した。この成果は、エネルギー変換やレドックス触媒、太陽燃料や水素生成技術など、化学エネルギーの変換・貯蔵分野に新たな可能性を開くものである。

<関連情報>

高圧ポンプ・プローブ実験により、励起状態のプロトン結合電子移動のメカニズムと、段階的経路から協奏的経路へのシフトが明らかになる High-pressure pump–probe experiments reveal the mechanism of excited-state proton-coupled electron transfer and a shift from stepwise to concerted pathways

Daniel Langford,Robin Rohr,Stefan Bauroth,Achim Zahl,Alicja Franke,Ivana Ivanović-Burmazović & Dirk M. Guldi
Nature Chemistry  Published:20 March 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41557-025-01772-5

高圧を用いて解明されたプロトン結合電子移動(Proton-coupled electron transfer: Deciphered with high pressure)

Abstract

Chemical energy conversion and storage in natural and artificial systems rely on proton-coupled electron transfer (PCET) processes. Concerted proton-electron transfer (CPET) can provide kinetic advantages over stepwise processes (electron transfer (ET)/proton transfer (PT) or PT/ET), so understanding how to distinguish and modulate these processes is important for their associated applications. Here, we examined PCET from the excited state of a ruthenium complex under high pressures. At lower buffer or quencher concentrations, a stepwise PT/ET mechanism was observed. With increasing pressure, PT slowed and ET sped up, indicating a merging of the two steps. In contrast, CPET at higher concentrations of buffer or quencher showed no pressure dependence of the reaction rate. This is because the simultaneous transfer of electrons and protons circumvents changes in charges and, consequently, in solvent electrostriction during the transition state. Our findings demonstrate that pressure can serve as a tool to monitor charge changes along PCET pathways, aiding in the identification of its mechanisms.

1700応用理学一般
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