感応性化学種が持つ中間的な電子構造とその反応に関する理論的研究

• Project Area: Stimuli-responsive Chemical Species for the Creation of Functional Molecules
• Project/Area Number: 15H00908
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 小林 正人 北海道大学, 理学研究院, 助教 (40514469)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2016: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2015: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 量子化学 / 理論化学計算 / 中間ジラジカル性 / 大規模量子化学計算 / 分散力 / 環境効果 / 化学物理 / 強相関電子系 / 高配位典型元素化合物

Outline of Annual Research Achievements

本課題では、分散力・強い電子相関・環境効果などを介した「中間的な電子構造」が感応性化学種を支配する重要なキーワードであると捉え、精緻な量子化学計算により感応性化学種の構造と反応、物性を理解することを目的として研究を行った。
本年度はまず、異常に長い結合長を持つ化合物DSAPの構造起源に関する研究を行った。DSAPはX線構造解析により177.1 pmのC-C結合長を持つ化合物である。この異常な結合長は単分子の性質だけから現れるものではなく、結晶のパッキング効果や、分子内および分子間に働く分散力のバランスによって実現されていることを理論・計算化学的観点から示した。具体的には、Grimmeの補正法により分散力を、ONIOM法や周期境界条件計算により環境効果を取り込んだ精緻な量子化学計算により、DSAPのユニットセル中に含まれる4種類の分子の構造を全て精度よく再現することに成功した。
また、強い電子相関を記述するのに有効なHartree-Fock-Bogoliubov (HFB)法を大規模系に適用するため、DC法と組み合わせたDC-HFB法の開発と感応性化学種への応用を行った。代表的な感応性化学種に中間ジラジカル性を持つ分子があるが、これらの適切な構造計算には強い電子相関を考慮することが欠かせない。また強い電子相関を考慮できる大規模系計算法は、これまで確立されていない。本年度は、ポリフェノキノジメタンに対するDC-HFB計算により、本手法が系の大きさに対して線形の計算時間で強い電子相関の効果を有効的に記述できるものであることを示した。今後は、バッファ領域というDC法のパラメータを自動的に決定できるアダプティブDC-HFB法や、大規模強相関系の構造計算を可能とするDC-HFBエネルギー勾配法へと展開し、感応性化学種を中心に応用展開する予定である。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Three Pillars for Realizing Quantum Mechanical Molecular Dynamics Simulations of Huge Systems: Divide-and-Conquer, Density Functional Tight-Binding, and Massively Parallel Computation (2016)
  • Author(s): H. Nishizawa, Y. Nishimura, M. Kobayashi, S. Irle, H. Nakai
  • Journal Title: J. Comput. Chem. Volume: 37 Issue: 21 Pages: 1983-1992
  • DOI: 10.1002/jcc.24419
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Divide-and-Conquer Hartree-Fock-Bogoliubov Method and Its Application to Conjugated Diradical Systems (2016)
  • Author(s): M. Kobayashi, T. Taketsugu
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: 45 Issue: 11 Pages: 1268-1270
  • DOI: 10.1246/cl.160699
  • NAID: 130005509531
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Mechanisms of Ligand Exchange and Ligand Coupling Reactions of Sb and Te Compounds (2016)
  • Author(s): 小林正人, 黒田悠介, 秋葉欣哉, 武次徹也
  • Journal Title: Journal of Computer Chemistry, Japan Volume: 14 Issue: 6 Pages: 199-200
  • DOI: 10.2477/jccj.2015-0058
  • NAID: 130005122726
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Coordination Phenomena of Alkali Metal, Alkaline Earth Metal, and Indium Ions with the 1,3,6-Naphthalenetrisulfonate Ion in Protic and Aprotic Solvents (2016)
  • Author(s): X. Chen, M. Hojo, Z. Chen, M. Kobayashi
  • Journal Title: J. Mol. Liq. Volume: 214 Pages: 369-377
  • DOI: 10.1016/j.molliq.2015.11.040
  • NAID: 120006382273
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spin-orbit coupling effects on low-lying electronic states of PtCN/PtNC and PdCN/PdNC (2016)
  • Author(s): Y. Ono, Y. Kondo, M. Kobayashi, T. Taketsugu
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: 45 Issue: 4 Pages: 478-480
  • DOI: 10.1246/cl.151210
  • NAID: 130005143999
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Seven-Coordinate Luminophores: Brilliant Luminescence of Lanthanide Complexes with C3v Geometrical Structures (2015)
  • Author(s): K. Yanagisawa, T. Nakanishi, Y. Kitagawa, T. Seki, T. Akama, M. Kobayashi, T. Taketsugu, H. Ito, K. Fushimi, Y. Hasegawa
  • Journal Title: Eur. J. Inorg. Chem. Volume: 2015 Issue: 28 Pages: 4769-4774
  • DOI: 10.1002/ejic.201500820
  • NAID: 120005906890
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Second-Order Moller-Plesset Perturbation (MP2) Theory at Finite Temperature: Relation with Surjan's Density Matrix MP2 and Its Application to Linear-Scaling Divide-and-Conquer Method (2015)
  • Author(s): M. Kobayashi, T. Taketsugu
  • Journal Title: Theor. Chem. Acc. Volume: 134 Issue: 9 Pages: 107-107
  • DOI: 10.1007/s00214-015-1710-y
  • NAID: 120005828498
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical Study on the Ligand Coupling Reaction of Hypervalent Pentacoordinate Antimony Compounds (2015)
  • Author(s): M. Kobayashi, Y. Kuroda, K.-y. Akiba, T. Taketsugu
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn. Volume: 88 Issue: 11 Pages: 1584-1590
  • DOI: 10.1246/bcsj.20150231
  • NAID: 130005108568
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 分割統治法とHartree-Fock-Bogoliubov法を組み合わせた大規模強相関系電子状態計算手法の開発とグラフェンナノリボンへの適用 (2017)
  • Author(s): 児玉良輔, 小林正人, 武次徹也
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] 分割統治(DC)法に基づいた大規模近似量子化学計算における誤差の自動制御化 (2017)
  • Author(s): 藤森俊和, 小林正人, 武次徹也
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] Quantum Chemical Methods for Large-Scale Stimuli-Responsive Chemical Species: Divide-and-Conuqer and Hartree-Fock-Bogoliubov Methods (2017)
  • Author(s): M. Kobayashi, T. Fujimori, R. Kodama, T. Taketsugu
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Stimuli-responsive Chemical Species for the Creation of Functional Molecules
  • Place of Presentation: 広島大学（広島県・東広島市）
  • Year and Date: 2017-03-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical Study on the Surrounding Effect and Elongation of the Ultralong C-C Single Bond (2017)
  • Author(s): Y. Kuroda, M. Kobayashi, T. Taketsugu
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Stimuli-responsive Chemical Species for the Creation of Functional Molecules
  • Place of Presentation: 広島大学（広島県・東広島市）
  • Year and Date: 2017-03-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Static and dynamical electron correlation calculations of large systems based on the divide-and-conquer method (2016)
  • Author(s): M. Kobayashi
  • Organizer: EMN Meeting on Computation and Theory 2016
  • Place of Presentation: ラスベガス（米国）
  • Year and Date: 2016-10-10
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 分割統治Hartree-Fock-Bogoliubov法による大規模系の静的電子相関計算 (2016)
  • Author(s): 小林正人, 武次徹也
  • Organizer: 第10回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 神戸ファッションマート（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2016-09-14
• [Presentation] 非常に長いC-C単結合を有するDSAPの構造に対する分散力・環境の効果 (2016)
  • Author(s): 黒田悠介, 小林正人, 武次徹也
  • Organizer: 第10回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 神戸ファッションマート（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2016-09-14
• [Presentation] 非常に長いC-C単結合を有する化合物における分散力及び環境効果 (2016)
  • Author(s): 黒田悠介, 小林正人, 武次徹也
  • Organizer: シンポジウム「化学反応経路探索のニューフロンティア2016」
  • Place of Presentation: 京都教育文化センター（京都府・京都市）
  • Year and Date: 2016-09-12
• [Presentation] 大規模量子化学計算を簡便化する自動制御型分割統治法の開発 (2016)
  • Author(s): 藤森俊和, 小林正人, 武次徹也
  • Organizer: 日本化学会北海道支部2016年夏季研究発表会
  • Place of Presentation: 室蘭工業大学（北海道・室蘭市）
  • Year and Date: 2016-07-23
• [Presentation] Fragmentation-Based Approach to Static Electron Correlation: Divide-and-Conquer Hartree-Fock-Bogoliubov Method (2016)
  • Author(s): M. Kobayashi, T. Taketsugu
  • Organizer: The 9th Congress of the International Society for Theoretical Chemical Physics (ISTCP9)
  • Place of Presentation: グランドフォークス（米国）
  • Year and Date: 2016-07-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 階層型バッファ領域を用いた分割統治(DC)法における誤差の自動制御 (2016)
  • Author(s): 藤森俊和, 小林正人, 武次徹也
  • Organizer: 第19回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京都・新宿区）
  • Year and Date: 2016-05-24
• [Presentation] 感応性化学種が持つ中間的な電子構造とその反応に関する理論的研究 (2016)
  • Author(s): 小林正人
  • Organizer: 新学術領域研究「感応性化学種が拓く新物質科学」第6回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 広島大学（広島県・東広島市）
  • Year and Date: 2016-05-20
• [Presentation] 大規模系の量子化学計算と高次元データ抽出 (2016)
  • Author(s): 小林正人
  • Organizer: 分子技術イニシアティブセミナー「分子技術と理論計算・データ科学」
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府・豊中市）
  • Year and Date: 2016-03-14
  • Invited
• [Presentation] Theoretical Studies on the Stimuli-Responsive Chemical Species: Reaction of Hypervalent Sb Compounds and Structure of Ultralong C-C Bond (2016)
  • Author(s): M. Kobayashi, Y. Kuroda, K.-y. Akiba, T. Taketsugu
  • Organizer: The 3rd International Symposium for Young Chemists on Stimuli-Responsive Chemical Species for the Creation of Functional Molecules
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2016-03-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical study on the ligand exchange and ligand coupling reactions of hypervalent Sb and Te compounds (2015)
  • Author(s): M. Kobayashi, Y. Kuroda, K.-y. Akiba, T. Taketsugu
  • Organizer: 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • Place of Presentation: ホノルル（米国）
  • Year and Date: 2015-12-16
• [Presentation] SbおよびTe化合物のリガンド交換・リガンドカップリング反応メカニズム (2015)
  • Author(s): 小林正人, 黒田悠介, 秋葉欣哉, 武次徹也
  • Organizer: 日本コンピュータ化学会2015秋季年会
  • Place of Presentation: 函館市まちづくりセンター（北海道・函館市）
  • Year and Date: 2015-10-30
• [Presentation] Divide-and-Conquer Method for Large-Scale Quantum Chemical Calculations (2015)
  • Author(s): M. Kobayashi
  • Organizer: 11th Nanjing University - Hokkaido University - NIMS/MANA Joint Symposium
  • Place of Presentation: 南京（中国）
  • Year and Date: 2015-10-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ジェミナル理論およびHFB法を用いたビラジカル性分子の非線形光学応答計算 (2015)
  • Author(s): 小林正人, 福田幸太郎, 中野雅由, 武次徹也
  • Organizer: 第9回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都・目黒区）
  • Year and Date: 2015-09-18
• [Presentation] 5配位Sb化合物のリガンドカップリング反応経路 (2015)
  • Author(s): 小林正人, 黒田悠介, 秋葉欣哉, 武次徹也
  • Organizer: シンポジウム「化学反応経路探索のニューフロンティア2015」
  • Place of Presentation: きゅりあん（東京都・品川区）
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] 感応性化学種が持つ中間的な電子構造とその反応に関する理論的研究 (2015)
  • Author(s): 小林正人
  • Organizer: 新学術領域研究「感応性化学種が拓く新物質科学」第4回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府・ 宇治市）
  • Year and Date: 2015-05-22
• [Remarks]
  • URL: https://sites.google.com/site/chemistmasatokobayashi/