構造の揺らぎと柔軟性を考慮した溶液内化学反応理論の構築

• Project/Area Number: 18031019
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 佐藤 啓文 Kyoto University, 工学研究科, 准教授 (70290905)
• Project Period (FY): 2006 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥6,000,000 (Direct Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2007: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2006: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000)
• Keywords: 溶媒和理論 / 液体の積分方程式理論 / エネルギー分配法 / 三次元溶媒分布関数 / 共鳴構造

Research Abstract

溶液内の化学過程を理解するためには、現象を支配している基本原理である統計力学と量子化学双方の視点が重要である。こうした背景をふまえつつ、以下の成果を得た。
1.構造揺らぎを統計的に扱う方法には、類似法では1-4以遠の相互作用を効率よく取り入れることは容易ではなかった。本課題研究では一部モンテカルロ法を併用することで、十分に長い直鎖状分子からなる液体系に対しても適用可能な新しい統計理論の開発に成功した。これを用いたn-アルカンの計算結果は既知の配置をよく再現した。現在、この結果は学術雑誌への投稿を準備している。
2.昨年度までに開発した量子化学計算の結果を様々な意味で粗視化する手法を実際に系に適用した。(1)系の全エネルギーを、構成する原子とその対に分配する方法を、ab initio Monte Carloと組み合わせて水二量体の系に応用した。またこれを分光学実験により得られた結果と比較し、同法が系を適切に記述できていることを確認した。(2)非経験的分子軌道法で求めた電子状態を共鳴構造を基に解析する方法を用いて、クラスターや水溶液中の分子の電子状態の解析を行った。
3.液体論の一つである3D-RISM法を基礎として高効率で並列計算が可能な手法の開発に成功した。また、この方法により種々の蛋白質分子周辺やその内部における水の分布構造を明らかにした。
4.キサンチンオキシナーゼによる酸化過程や水中の重炭酸イオンの生成など、様々な化学反応メカニズムを明らかにした。
以上、目的としていた方法論を開発し、水の関わる種々の分子間相互作用を明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Energy partitioning on intermolecular interactions: abinitio Monte Carlo study of water dimer (2007)
  • Author(s): T. Amano, H. Sato & S. Sakaki
  • Journal Title: Condensed Matter Physics 10 Pages: 463-470
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effective interaction energy of water dimer at room temperature: An experimental and theoretical study (2007)
  • Author(s): T. Nakayama, H. Fukuda, T. Kamikawa, Y. Sakamoto, A. Sugita, M. Kawasaki, T. Amano, H. Sato, S. Sakaki, I. Morino & G. Inoue
  • Journal Title: J. Chem. Phys. 127 Pages: 134302-134302
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The barrier origin on the reaction of CO2+OH-in aqueous solution (2007)
  • Author(s): K. Iida, D. Yokogawa, H. Sato & S. Sakaki
  • Journal Title: Chem. Phys. Lett. 443 Pages: 264-268
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solvation effect on the interaction between sodium and chloride ions in aqueous solution. An analysis based on the new resonance theory (2007)
  • Author(s): A. Ikeda, D. Yokogawa, H. Sato & S. Sakaki
  • Journal Title: Int. J. Quantum Chem. 107 Pages: 3126-3131
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oxidation Reaction by Xanthine Oxidase. Theoretical Study of Reaction Mechanism (2007)
  • Author(s): T. Amano, N. Ochi, Y. Nakao, H. Sato & S. Sakaki
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. 129 Pages: 8131-8138
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reply to "Comments on 'Analysis on Solvated Molecule with a New Energy Partitioning Scheme for Intra-and Intermolecular Interactions'" (2007)
  • Author(s): H. Sato & S. Sakaki
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B 111 Pages: 672-674
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An integral equation theory for 3D solvation structure : A new procedure free from 3D Fourier transform. (2006)
  • Author(s): Yokogawa, D., Sato, H., Sakaki, S.
  • Journal Title: Chem.Phys.Lett. 432 Pages: 595-599
• [Journal Article] New evaluation of reconstructed spatial distribution function from radial distribution functions. (2006)
  • Author(s): Yokogawa, D., Sato, H., Sakaki, S.
  • Journal Title: J.Chem.Phys. 125 Pages: 114102-114102
• [Journal Article] Solvation effect on resonance structure. Extracting valence bond-like character from molecular orbitals. (2006)
  • Author(s): Ikeda, A., Yokogawa, D., Sato, H., Sakaki, S.
  • Journal Title: Chem.Phys.Lett. 424 Pages: 449-452
• [Journal Article] New Evaluation Method of Covalent-Ionic Resonance from Molecular Orbital. (2006)
  • Author(s): Ikeda, A., Nakao, Y., Sato, H., Sakaki, S.
  • Journal Title: J.Phys.Chem.A (Letter) 110 Pages: 9028-9030
• [Journal Article] Analysis on Solvated Molecule with a New Energy Partitioning Scheme for Intra-and Intermolecular Interactions. (2006)
  • Author(s): Sato, H., Sakaki, S.
  • Journal Title: J.Phys.Chem.B 110 Pages: 12714-12720
• [Journal Article] Ab Initio Theoretical Study of Temperature and Density Dependence of Molecular and Thermodynamic Properties of Water in the Entire Fluid Region : Autoionization Processes. (2006)
  • Author(s): Yoshida, N., Ishizuka, R., Sato, H., Hirata, F.
  • Journal Title: J.Phys.Chem.B 110 Pages: 8451-8458
• [Presentation] Theoretical treatment on structural fluctuation (2008)
  • Author(s): D. Yokogawa, H. Sato & S. Sakaki
  • Organizer: 第5回「水と生体分子」公開ワークショップ
  • Place of Presentation: 奈良新公会堂
• [Presentation] Effective interaction energy of water dimer at room temperature (2008)
  • Author(s): T. Amano, H. Sato & S. Sakaki
  • Organizer: 第5回「水と生体分子」公開ワークショップ
  • Place of Presentation: 奈良新公会堂
• [Presentation] The Nature of Chemical Bond of Solvated Molecules: An Analysis based on the New Resonance Theory (2007)
  • Author(s): A. Ikeda, H. Sato, S. Sakaki
  • Organizer: The 2nd Japan-Czech-Slovakia Joint Symposium for Theoretical/Computational Chemistry
  • Place of Presentation: 京都大学
• [Presentation] Three-dimensional Solvation Structure around Protein: Theoretical Approach Based on Reference Interaction Site Model (2007)
  • Author(s): D. Yokogawa, H. Sato, S. Sakaki
  • Organizer: Joint Conference of JMLG/EMLG Meeting 2007 and 30th Symposium on Solution Chemistry of Japan
  • Place of Presentation: 福岡大学
• [Presentation] The Barrier Origin on the Reaction of CO2+OH- in Aqueous Solution (2007)
  • Author(s): K. Iida, D. Yokogawa, H. Sato, S. Sakaki
  • Organizer: Joint Conference of JMLG/EMLG Meeting 2007 and 30th Symposium on Solution Chemistry of Japan
  • Place of Presentation: 福岡大学
• [Presentation] Theoretical Analysis of pH Effect with Multi-component Reference Interaction Site Model: Application to Glycine in HCl Aqueous Solution (2007)
  • Author(s): K. Kido, H. Sato, S. Sakaki
  • Organizer: Joint Conference of JMLG/EMLG Meeting 2007 and 30th Symposium on Solution Chemistry of Japan
  • Place of Presentation: 福岡大学
• [Presentation] Highly parallelized calculation of three dimensional solvation structure around protein (2007)
  • Author(s): D. Yokogawa, H. Sato, S. Sakaki, T. Imai
  • Organizer: Molecular Science and Chemical Biology of Biomolecular Function
  • Place of Presentation: 自然科学研究機構(岡崎)
• [Presentation] 分子集団における化学結合の性質:新しい共鳴理論の視点から (2007)
  • Author(s): 池田 昌司, 佐藤 啓文, 榊 茂
  • Organizer: 分子科学討論会2007
  • Place of Presentation: 東北大学
• [Presentation] 溶媒和積分方程式理論の並列化計算 〜生体分子への適用〜 (2007)
  • Author(s): 横川 大輔, 佐藤 啓文, 榊 茂好
  • Organizer: 分子科学討論会2007
  • Place of Presentation: 東北大学
• [Presentation] RISM理論に基づくpH効果の分子論的な解析法の開発 (2007)
  • Author(s): 城戸 健太朗, 佐藤 啓文, 榊 茂好
  • Organizer: 分子科学討論会2007
  • Place of Presentation: 東北大学
• [Presentation] 水溶液の理論化学 (2007)
  • Author(s): 佐藤啓文
  • Organizer: 理研シンポジウム「動的水和構造と分子過程」
  • Place of Presentation: 東京理科大学森戸記念館
• [Presentation] 共鳴理論に基づいた分子軌道型波動関数の新規解析法 (2007)
  • Author(s): 池田 昌司、中尾 嘉秀、佐藤 啓文、榊 茂好
  • Organizer: 第10回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] 水中の重炭酸イオン生成に関する理論研究 (2007)
  • Author(s): 飯田 健二、横川 大輔、佐藤 啓文、榊 茂好
  • Organizer: 第10回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋大学