ONIOM法と超球面探索法を組み合わせた化学反応経路自動探索法の開発と応用

• Project/Area Number: 07J04984
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Physical chemistry
• Research Institution: Toyota Physical & Chemical Research Institute (2009); Tohoku University (2007-2008)
• Principal Investigator: 前田 理 Toyota Physical & Chemical Research Institute, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2007 – 2009
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2009)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2009: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2008: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2007: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: ポテンシャルエネルギー表面 / GRRM法 / ONIOM法 / Microiteration法 / 遷移状態 / 反応経路 / 超球面探索法 / ポテンシャル面 / 平衡構造 / 円錐交差 / 水素結合クラスター / 水和クラスター / 有機金属触媒 / BINAP

Research Abstract

分子やクラスターの安定平衡構造(EQ)は、ポテンシャルエネルギー表面(PES)上のエネルギー極小点に相当する。また、化学反応の遷移状態(TS)はPES上の一次鞍点で近似することができ、EQ同士はTSを経由する反応経路で結ばれている。反応や構造といった化学の様々な問題は、PES上でEQとTSを系統的に求めることによって理論解析できる。申請者らは、非調和下方歪みを追跡することによって、反応経路の系統的な自動探索が可能であることを発見した。この原理に基づき、PES上の反応経路ネットワークを直接辿って次々とEQとTSを明らかにすることのできるGlobal Reaction Route Mapping(GRRM)法を考案し、それを搭載した化学反応経路自動探索プログラムを開発した。
本年度は、諸熊らがONIOM法による構造最適化計算のために開発してきたMicroiteration法と、申請者らのGRRM法を組み合わせることで、巨大分子の反応中心に関する反応経路を選択的に自動探索することを可能にした。酵素などの巨大分子では、たとえ全体が数万の原子集団から構成されていたとしても、化学結合の組み替え自体は数原子もしくは十原子程度からなる反応中心の中で起こる。Microiteration法では、反応中心とそれ以外の座標を分割し、反応中心以外の座標は、全体のエネルギーができるだけ低くなるように反応中心の動きに追随させる。それにも関らず、この方法で得られるEQおよびTSは、全ての座標を扱った場合のものと完全に一致する。本研究では、このMicroiteration法とGRRM法とを組み合わせて、化学結合の組み替えに関与する反応中心の座標変化に対応する反応経路のみを選択的に自動探索することを可能にした。これにより、巨大な系において、重要な反応中心の周囲の反応経路のみを高速探索することが可能となった。

Research Products

• [Journal Article] A systematic study on the RuHCl-BINAP-catalyzed asymmetric hydrogenation mechanism by the global reaction route mapping method (2010)
  • Author(s): K.Ohno, et al.
  • Journal Title: Journal of Molecular Catalysis A : Chemical
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis and Structure of Stable Base-Free Dialkylsilanimines (2010)
  • Author(s): T.Iwamoto, et al.
  • Journal Title: New Journal of Chemistry
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Updated Branching Plane for Finding Conical Intersections without Coupling Derivative Vectors (2010)
  • Author(s): S.Maeda, et al.
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation 6 Pages: 1538-1545
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An Automated and Systematic Transition-Structure Explorer in Large Flexible Molecular Systems Based on Combined Global Reaction Route Mapping and Microiteration Methods (2009)
  • Author(s): S.Maeda, et al.
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation 5 Pages: 2734-2743
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Water-Catalyzed Gas-Phase Reaction of Formic Acid with Hydroxyl Radical : A Computational Investigation (2009)
  • Author(s): Y. Luo, et al.
  • Journal Title: Chemical Physics Letters 469 Pages: 57-61
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Automated Global Mapping of Minimum Energy Points on Seams of Crossing by the Anharmonic Downward Distortion Following Method : A Case Study on H_2CO (2009)
  • Author(s): S. Maeda, et al.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A 113 Pages: 1704-1710
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DFT Study on Isomerization and Decomposition of Cuprous Dialkyldithiophosphate and Its Reaction with Alkyl Radical (2008)
  • Author(s): Y. Luo, et al.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A 112 Pages: 5720-5726
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A New Global Reaction Route Map on the Potential Energy Surface of H_2CO with Unrestricted Level (2008)
  • Author(s): S. Maeda, et al.
  • Journal Title: Chemical Physics Letters 460 Pages: 55-58
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intramolecular Vibrational Frequencies of Water Clusters (H_2O)_n (n=2-5) : Anharmonic Analyses Using Accurate Potential Functions based on the Scaled Hypersphere Search Method (2008)
  • Author(s): Y. Watanabe, et al.
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics 129
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Automated Exploration of Reaction Channels (2008)
  • Author(s): K. Ohno, et al.
  • Journal Title: Physica Scripta 78
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Decomposition of Alkyl Hydroperoxide by a Copper (I) Complex : Insights from Density Functional Theory (2008)
  • Author(s): Y. Luo, et al.
  • Journal Title: Tetrahedron Letters 49 Pages: 6841-6845
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lowest Transition State for the Chirality-Determining Step in Ru{(R)-BINAP}-Catalyzed Asymmetric Hydrogenation of Methyl-3-Oxobutanoate (2008)
  • Author(s): S. Maeda, et al.
  • Journal Title: Journal of American Chemical Society 130 Pages: 17228-17229
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microsolvation of Hydrogen Sulfide: Exploration of H_2S・(H_2O)_n and SH^-・H_3O^+・(H_2O)_<n-1> (n=5-7) Cluster Structures on Ab Initio Potential Energy Surfaces by the Scaled Hypersphere Search Method (2008)
  • Author(s): S. Maeda, et. al.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A 112 Pages: 2962-2968
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Finding Important Anharmonic Terms in the Sixth-Order Potential Energy Function by the Scaled Hypersphere Search Method: An Application to Vibrational Analyses of Molecules and Clusters (2008)
  • Author(s): S. Maeda, et. al.
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics 128
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structures of Water Octamers (H_2O)_8: Exploration on Ab Initio Potential Energy Surfaces by the Scaled Hypersphere Search Method (2007)
  • Author(s): S. Maeda, et. al.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A 111 Pages: 4527-4534
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Global reaction route mapping on potential energy surfaces of C_2H_7^+and C_3H_9^+ (2007)
  • Author(s): Y. Watanabe, et. al.
  • Journal Title: Chemical Physics Letters 447 Pages: 21-26
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Automated Exploration of Adsorption Structures of an Organic Molecule on RuH_2-BINAP by the ONIOM Method and the Scaled Hypersphere Search Method (2007)
  • Author(s): S. Maeda, et. al.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A 111 Pages: 13168-13171
  • Peer Reviewed
• [Presentation] GRRM法による光反応経路の系統探索 (2009)
  • Author(s): 前田理, ら
  • Organizer: 第3回分子科学討論会2009名古屋
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2009-09-22
• [Presentation] Exploring nonadiabatic reaction channels by the GRRM method : An application to the vinyl radical photodissociation (2009)
  • Author(s): 前田理, ら
  • Organizer: The 238th ACS National Meeting
  • Place of Presentation: Washington, DC, USA
  • Year and Date: 2009-08-19
• [Presentation] Automatic and systematic search for routes of chemical reactions in large flexible systems with a given reaction center by the microiteration technique and the GRRM method (2009)
  • Author(s): 前田理, ら
  • Organizer: The 238th ACS National Meeting
  • Place of Presentation: Washington, DC, USA
  • Year and Date: 2009-08-18
• [Presentation] Exploring Minima on Seams of Crossing by the GRRM Method (2009)
  • Author(s): 前田理, ら
  • Organizer: The XIIIth International Congress of Quantum Chemistry
  • Place of Presentation: Helsinki, Finland
  • Year and Date: 2009-06-24
• [Presentation] 超球面探索法を用いた高精度な反応系解析ポテンシャル関数の全面構築 (2008)
  • Author(s): 前田理, ほか
  • Organizer: 第2回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
  • Year and Date: 2008-09-27
• [Presentation] Structure and Vibrational Spectra of Hydrogen-bond Clusters by the Anharmonic Downward Distortion Following Method (2008)
  • Author(s): S. Maeda, et al.
  • Organizer: The World Association of Theoretical and Computational Chemists (WATOC) 2008
  • Place of Presentation: Sydney Convention and Exhibition Centre, Sydney, Australia
  • Year and Date: 2008-09-15
• [Presentation] 量子化学計算に基づくポテンシャル表面の超球面探索法による効率的構築:高精度なポテンシャル上での分子振動解析とダイナミクス計算に向けて (2008)
  • Author(s): 前田理, ほか
  • Organizer: 第24回化学反応討論会
  • Place of Presentation: 北海道大学学術交流会館
  • Year and Date: 2008-06-02
• [Presentation] 超球面探索法による高次非調和結合項を考慮したポテンシャルエネルギー関数の効率的生成-高精度振動解析への応用 (2008)
  • Author(s): 前田理, ほか
  • Organizer: 第11回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学理工学部矢上キャンパス
  • Year and Date: 2008-05-23
• [Presentation] ONIOM法と超球面探索法を用いたRuHCl-BINAP錯体による不斉水素化反応機構の系統的解明 (2008)
  • Author(s): 前田理, ら
  • Organizer: 日本化学会第88春季年会(2008)
  • Place of Presentation: 立教大学池袋キャンパス
  • Year and Date: 2008-03-27
• [Presentation] ONIOM法と超球面探索法による巨大分子のポテンシャルエネルギー表面の系統的な自動探索 (2007)
  • Author(s): 前田理, ら
  • Organizer: 平成19年度 化学系学協会東北大会
  • Place of Presentation: 山形大学小白川キャンパス
  • Year and Date: 2007-09-22
• [Presentation] 超球面探索法による水素結合クラスター構造の系統的探索と熱力学解析に基づく構造転移 (2007)
  • Author(s): 前田理, ら
  • Organizer: 第1回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東北大学川内北キャンパス
  • Year and Date: 2007-09-17
• [Presentation] 超球面探索法と熱力学シミュレーションを用いた水素結合クラスターの構造解析 (2007)
  • Author(s): 前田理, ら
  • Organizer: 第10回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋大学野依記念学術交流館
  • Year and Date: 2007-05-14
• [Remarks]
  • URL: http://qpcrkk.chem.tohoku.ac.jp/~smaeda/index.htm
• [Remarks]
  • URL: http://qpcrkk.chem.tohoku.ac.jp/qpc00.HTM