2023 Fiscal Year Research-status Report
溶液内の複雑な擬縮退電子状態のための相対論効果を含む多配置多状態理論の開発と応用
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21K04980
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
中野 晴之 九州大学, 理学研究院, 教授 (90251363)
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2021-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 理論化学 / 溶液内擬縮退系 / 多配置電子状態理論 / 相対論的電子状態理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、溶液内の擬縮退した複雑な電子状態の記述法としての相対論効果を含む多配置理論と、溶液内や生体内の環境の効果を有効に取り込み、自由エネルギー面を構築する溶液理論・シミュレーションの手法をあわせ開発し、従来の手法では十分に明らかにすることのできない問題に適用することを目的としている。本年度は、方法論の開発として、相対論的分子軌道法におけるQEDハミルトニアンの理論的検証、一般化Foldy-Wouthuysen変換による相対論的二成分ハミルトニアンの系統的解析、二成分変換内包型短縮（TIC）の開発など、また、開発した方法論を基に、メタノール溶液のpKa予測におけるLFC/3D-RISM-SCFスキームの適用性評価、水溶液中におけるククルビツリルによるアミノ酸およびその誘導体の選択的分子認識、等の研究を行い、その成果を出版した。相対論的四成分法、二成分法の理論的な解析によって重金属など相対論的効果を含む擬縮退系の理論的基盤を確立するとともに、基底関数展開に二成分法を内包する高精度かつ高効率な新たな計算手法の開発に成功した。また、pKaの線形パラメータによる予測手法では、これまで専ら水溶液中のpKa予測に限られていた手法を他の溶液にも拡張することができた。クルビツリルによる選択的分子認識については、3D-RISM計算から得られた溶媒和構造などにより、フェニルアラニンゲストは、cucurbit-7-urilホスト分子で最も高い結合親和性を有すること、トリプトファンゲストは、cucurbit-8-urilホスト分子で最も高い結合親和性を有することなど、選択的分子認識に関してその詳細を明らかにすることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題の目的である相対論効果・多配置効果・溶媒効果を取り入れた電子状態手法の開発の一環として、相対論的分子軌道法におけるQEDハミルトニアンの理論的検証、一般化Foldy-Wouthuysen変換による相対論的二成分ハミルトニアンの系統的解析、二成分変換内包型短縮（TIC）の開発、pKa予測におけるLFC/3D-RISM-SCFスキームの適用性評価を行い、その成果を出版することができた。また、これまで開発してきた手法を基盤として、溶液内の選択的分子認識の一例を詳細を明らかにすることができた。これらは、当初計画していた方法論の開発とその適用による溶液内化学現象の解明、いずれについても順調に進展していることを示している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、これまで開発してきた相対論効果・多配置効果・溶媒効果のいずれも取り入れた電子状態手法の開発と確立、特に、高効率な計算アルゴリズム、プログラム開発をを推し進めるとともに、開発した基礎理論・基盤技術を核置換ポルフィリン類縁体の特異な低励起状態・機能と反応、光水素発生金属触媒の反応等、ターゲットとしている化学系への適用をさらに進展させる。
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| Causes of Carryover |
大規模計算のため追加導入を系予定していた計算機および周辺機器が半導体需要の急速な高まりのため、調達が困難になったことによる。代替品では十分な性能に至らないため導入を次年度に延期した。入荷があり次第購入し、大規模計算環境の整備を行う。
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