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2022 Fiscal Year Annual Research Report

動的経路分岐を記述する化学反応速度論の開発と反応経路網の速度論的解析への展開

Research Project

Project/Area Number 21J20857
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

伊藤 琢磨  北海道大学, 大学院総合化学院, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2021-04-28 – 2024-03-31
Keywords反応経路網 / 第一原理分子動力学計算 / 反応速度論 / 動的経路分岐 / 反応経路自動探索法
Outline of Annual Research Achievements

当該年度は、動的経路分岐の自動探索手法の拡張と、有機化学反応における新奇動的経路分岐探索への適用を行った。
研究代表者が以前に開発した動的経路分岐探索手法は、反応経路自動探索法の一つである人工力誘起反応(AFIR)法を基盤とする。AFIR法は反応物分子に様々な人工力を加え、反応物周りの様々な反応経路を探索する。探索手法は、AFIR法がたどる複数の経路が1つの共通の遷移状態(TS)を経由する場合を見つけ出すことで、動的経路分岐の探索を行う。この手法が、既報の動的経路分岐探索において有効であることを以前の研究において示してきたが、mechanical stressの付加や置換基修飾によって新たに発生する動的経路分岐にも適用可能であるかに関する知見は無かった。この問題を解決すべく、当該年度は動的経路分岐の発生機構の解明と、探索手法の改善を行った。まず、過去に報告された動的経路分岐の反応経路上で振動解析を行うことで、動的経路分岐の発生機構を明らかにした。次に、発生機構に基づき改良した探索手法を、動的経路分岐が報告されていない有機化学反応に適用し、その有効性を検討した。その結果、以前の手法では見落とされていた動的経路分岐を探索できることが明らかになった。さらに、動的経路分岐が起こる反応と起こらない反応を判別することが可能であることも示された。またその違いがポテンシャル面の形状で説明できることも明らかとなった。この結果は現在論文投稿の準備を進めている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当該年度は、本課題における基盤技術の1つである動的経路分岐の探索手法の改善を行った。以前に提案した探索手法は、mechanical stressの付加や置換基修飾によって新たに発生する動的経路分岐を見落としてしまうため、本課題の目標の一つである有機化学反応における新奇動的経路分岐の探索へと適用することが困難であった。探索手法の改良により見落としがなくなり、実際に有機化学における新奇動的経路分岐の探索が可能であることを示すことができた。これにより有機化学における動的経路分岐の普遍性解明の研究へ着手できると考えている。

Strategy for Future Research Activity

当該年度に作成した探索手法を用いて有機化学反応における動的経路分岐のスクリーニングを予定している。これにより、有機化学反応において全体の何%程度で動的経路分岐が起こるかについて新たな知見が得られると予想される。また、探索で得られた動的経路分岐については、分岐比の算出も行い、分岐比の化学的な起源についても調査を行う。この際、分岐比の計算に用いられる第一原理分子動力学計算(AIMD)は高い計算コストを要するため、AIMDを用いずに分岐比を予測する計算手法の開発を行う。

  • Research Products

    (3 results)

All 2022

All Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Presentation] Kinetic simulation of chemical reactions including dynamical bifurcations: Application to an intramolecular Diels-Alder reaction2022

    • Author(s)
      伊藤琢磨、前田理、原渕祐
    • Organizer
      The 13th CSE Summer School & The 10th ALP International Symposium, Sapporo, Japan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Implementing dynamical bifurcation into kinetic simulation: A case study of an intramolecular Diels-Alder reaction2022

    • Author(s)
      伊藤琢磨、前田理、原渕祐
    • Organizer
      37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Kinetic Analysis of a Reaction Path Network Including Ambimodal Transition States: A Case Study of an Intramolecular Diels-Alder Reaction2022

    • Author(s)
      伊藤琢磨、前田理、原渕祐
    • Organizer
      12th Triennial Congress of the World Association of Theoretical and Computational Chemists (WATOC2020)
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2023-12-25  

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