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金属錯体集積系の電子状態とその転移に関する量子化学

Research Project

Project/Area Number 20J23328
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

中谷 佳萌  京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2020-04-24 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords電子対 / 非経験的量子化学 / 共鳴理論 / 原子価結合理論 / 非直交軌道 / 局在スピン / 化学結合
Outline of Research at the Start

遷移金属錯体の集合体に代表される,電子相関が顕著な複雑な分子系の電子状態とそれが変化する動的な過程に対して,原子・分子レベルでの理解を主眼とするものである。そのような諸現象に関する量子化学的手法に基づいたモデリングや,量子化学計算によって得る電子の波動関数から化学的な情報を引き出す方法論の研究をおこなう。

Outline of Annual Research Achievements

2021年度には、分子内の電子対に着目して反応系の電子波動関数を解析し、一重項型と三重項型に分類される電子対の状態が各々結合性と反結合性に関連づけられるという数値計算の結果を得ていた。2022年度には、この知見を基に、電子対概念に基礎を置く試行波動関数を用いた電子状態計算の方法を主に検討した。電子構造描写の出発点を結合概念に置くことにより、強い電子相関の記述や、非局在化された分子軌道や配置間相互作用の解釈における困難の一部を解消することを意図した。具体的には、試行波動関数として二電子関数の反対称化積をとりながら、従来の一重項型二電子関数に3種の三重項型の寄与を混ぜることで変分的自由度を高める方法を定式化した。同法ではスピン混入が生じ、スピン対称性が満足されない代わりに、原子価結合法でいう単一の共鳴構造に相当するような試行波動関数によりながら、共鳴原子価結合の効果が部分的に取り込まれている。
定式化した波動関数の性質を調べるために、まずハイゼンベルグモデルの枠組みで試行波動関数を最適化するための変分方程式を導出し、自己無撞着場法に基づくその数値解法を開発した。同法を幾つかの不飽和炭化水素分子に対して適用し、非ケクレ分子であるテトラメチレンメタンやテトラメチレンエタンなどに対し、スピン対称性の破れたより安定な解が存在することを明らかにした。この結果は学術誌を通じて公表した。その結果を受け、同じ着想を非経験的電子状態理論の枠組みに適用した以下の結果は、学術誌に投稿中である。試行波動関数に対する変分方程式を導き、軌道最適化を含む自己無撞着場法の計算スキームを開発した。同法を静的相関の強い4つの水素原子からなる系に適用し、従来の一般化原子価結合法をエネルギーの点で改善することを示した。数値計算の便宜上用いた幾つかの近似を無くすことで、系によってはより安定な解が得られる可能性がある。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results) Presentation (7 results)

  • [Journal Article] A Geminal Method Based on the Generalized Electron Pairing Applied to the Heisenberg Model of Hydrocarbons2023

    • Author(s)
      Nakatani Kaho、Sato Hirofumi
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 52 Issue: 4 Pages: 254-258

    • DOI

      10.1246/cl.230022

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Solvation in nitration of benzene and the valence electronic structure of the Wheland intermediate2022

    • Author(s)
      Nakatani Kaho、Teshigawara Sho、Tanahashi Yuta、Kasahara Kento、Higashi Masahiro、Sato Hirofumi
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 24 Issue: 27 Pages: 16453-16461

    • DOI

      10.1039/d2cp01699k

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 非直交軌道の第二量子化演算子による価電子構造と化学結合の解析2022

    • Author(s)
      中谷佳萌
    • Journal Title

      フロンティア(理論化学会誌)

      Volume: 13

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Extraction of local spin-coupled states by second quantized operators2022

    • Author(s)
      Nakatani Kaho、Higashi Masahiro、Sato Hirofumi
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 157 Issue: 1 Pages: 014112-014112

    • DOI

      10.1063/5.0092834

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A catalyzed E/Z isomerization mechanism of stilbene using para-benzoquinone as a triplet sensitizer2022

    • Author(s)
      Nakatani Kaho、Sato Hirofumi、Fukuda Ryoichi
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 24 Issue: 3 Pages: 1712-1721

    • DOI

      10.1039/d1cp04672a

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 非直交軌道の第二量子化演算子による価電子構造と化学結合の解析2022

    • Author(s)
      中谷佳萌
    • Journal Title

      フロンティア(理論化学会誌)

      Volume: 13 Pages: 31-34

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] An analysis of valence electronic structure from a viewpoint of resonance theory: Tautomerization of formamide and diazadiboretidine2021

    • Author(s)
      Nakatani Kaho、Higashi Masahiro、Fukuda Ryoichi、Sato Hirofumi
    • Journal Title

      Journal of Computational Chemistry

      Volume: 42 Issue: 23 Pages: 1662-1669

    • DOI

      10.1002/jcc.26703

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 第二量子化演算子による局所的スピン結合状態の抽出2022

    • Author(s)
      中谷佳萌、東雅大、佐藤啓文
    • Organizer
      第24回理論化学討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 化学反応における局在スピンの相関の解析2022

    • Author(s)
      中谷佳萌、東雅大、佐藤啓文
    • Organizer
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 非直交軌道の第二量子化演算子による価電子構造と化学結合の解析2021

    • Author(s)
      中谷佳萌、東雅大、福田良一、佐藤啓文
    • Organizer
      第23回理論化学討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 開殻分子におけるスピンの相関と結合次数の評価2021

    • Author(s)
      中谷佳萌、東雅大、福田良一、佐藤啓文
    • Organizer
      第15回分子科学討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ベンゼンのニトロ化反応における溶媒和とWheland中間体の価電子構造2021

    • Author(s)
      中谷佳萌、東雅大、佐藤啓文
    • Organizer
      第43回溶液化学シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 非直交スピン軌道の第二量子化演算子による共鳴構造の解析2021

    • Author(s)
      中谷佳萌、東雅大、福田良一、佐藤啓文
    • Organizer
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] LCAO-MO波動関数から共鳴構造の情報を取り出す方法:非直交軌道の第二量子化形式に基づく定式化2020

    • Author(s)
      中谷佳萌、東雅大、福田良一、佐藤啓文
    • Organizer
      日本コンピュータ化学会2020秋季年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-07-07   Modified: 2024-03-26  

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