水と二酸化炭素には、酸素原子同士を直接つなぐ結合がありません。過酸化水素には、O–Oという単結合があります。この結合は、宇宙の氷の上でどう生まれるのでしょうか。
バークレー研究所などの研究チームは、水とCO₂の分子が集まった小さなクラスターに真空紫外光を当て、O–O結合を持つ生成物への経路を調べました。氷衛星の過酸化物の起源を考える手掛かりになる研究です。研究所の解説
この記事では研究の要点をたどり、分子を切り替えるミニアプリでO–O結合を探します。構造式の描画と結合検索には、chematic 1.1.7を使います。
周囲の水分子が、光を受けた分子の反応を助ける
実験の舞台は、気体中に作ったCO₂と水のクラスターです。研究チームは真空紫外光でクラスターをイオン化し、生成したイオンを質量分析しました。水の多いクラスターでは、過酸化物ができる経路が進みやすくなりました。数個の溶媒分子が周囲にあることで反応が変わる現象を、微視的溶媒和と呼びます。原論文の要旨
観測された信号の一つが、質量電荷比を表す m/zが78 の生成物です。研究チームはこれを[H₂CO₄]⁺に帰属し、O–O結合の形成と整合すると報告しています。H₂O₂を含むクラスターに帰属したm/z 112の信号も、過酸化水素に至る経路を支えています。
過酸化水素とCO₂は、酸素のつながり方が違う
CO₂の構造はO=C=Oで、2個の酸素の間に炭素があります。過酸化水素の構造はH–O–O–Hです。酸素の数が同じでも、原子を結ぶ線が違います。
結合の形を検索するには、SMARTSという記法が使えます。[#8]-[#8]は「原子番号8の原子が、単結合でつながる」という指定です。次の操作画面では、この条件に一致する酸素原子を青い丸で示します。ここで見比べるのは、水・CO₂・過酸化水素・炭酸の中性分子です。
分子を操作してO–O結合を探す
「水」から「過酸化水素」に切り替えると、O–O単結合の数が0から1に変わります。「自分のSMILESでも調べる」にO=Oを入れると0、OO.OOなら2です。=は二重結合、.は結合でつながっていない成分の区切りなので、検索結果にもその違いが表れます。
光子エネルギーの操作では、E = hc/λを使って真空中の波長を求めます。研究所の解説が示すm/z 78の出現エネルギー、約10.8 eVは、約114.8 nmに相当します。スライダーを上げると波長は短くなります。換算にはNIST掲載のSI定数を使っています。
同じ結合検索を手元のJavaScriptでも実行する
inspect.mjsを保存し、Node.jsで次のコマンドを実行します。
npm install @kent-tokyo/chematic@1.1.7
node inspect.mjsスクリプトは各分子に[#8]-[#8]を照合し、同じ結合を重複して数えないように原子の組をまとめます。出力はSMILES、分子式、O–O単結合の数の順です。
O H2O 0
O=C=O CO2 0
OO H2O2 1
O=C(O)O CH2O3 0炭酸の分子式は、炭素を先頭に置く表記でCH2O3と出力されます。分子式・モル質量・一致した原子番号は計算結果のJSONにもまとめています。
この検索を化合物一覧に適用すれば、O–O単結合を持つ分子を抽出できます。分子式から原子の数を読み、構造検索でそのつながりを確かめる手順は、論文の生成物を整理したり、授業用の分子を選んだりするときにも使えます。
原論文はDias氏らによる“Ionization-Driven Oxygen–Oxygen Bond Formation in Mixed CO₂–H₂O Clusters”（JACS、2026年8月13日オンライン公開）です。バークレー研究所の紹介は10月14日公開。構造計算に使ったパッケージと出典は実行記録に記載しています。