高精度電子論に基づく磁気分光シミュレーション法による金属酵素・触媒の反応性解明

• 研究課題/領域番号: 16H04101
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 名古屋大学 (2018); 分子科学研究所 (2016-2017)
• 研究代表者: 柳井 毅 名古屋大学, 理学研究科(WPI), 教授 (00462200)
• 研究分担者: 中嶋 隆人 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, チームリーダー (10312993)
• 研究協力者: CHALUPSKÝ Jakub ; RULISEK Lubomir
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円); 2018年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2017年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2016年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: 理論計算 / 磁性 / 繰り込み群 / 多配置計算 / 摂動計算 / 電子スピン共鳴法 / 金属酵素 / 触媒

研究成果の概要

電子スピン共鳴法(EPR)は，電子スピンが主役となる化学や物理を解析する重要な分光法である．その詳細な解析には，理論の情報が不可欠である．我々は，これらの磁気的な物理量を極めて高精度に計算する新しい電子状態理論を開発し，計算プログラムに実装した．本理論は，密度行列繰り込み群(DMRG)法に基づいる．この理論を強い電子相関を示す開殻系分子に適用し，電子相関とスピン相関がこれらの物理量を評価する上で極めて重要であることを示し，DMRG法の磁気分光学における有用性を実証した．重原子を含む系に対する相対論的手法や，線形応答理論および擬縮重摂動理論に基づいて評価する方法の開発を行い，その性能を検証した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

金属錯体・酵素の反応機構や反応性の分子機構を解明するには、磁気分光測定と量子化学計算の連携が極めて強力である。本方法論は、第一原理計算に基づき、多様な金属錯体系への展開することが可能である。従来法は精度を保証することが難しい点があったが、本手法は従来の限界を超えた高精度計算を提示できる。金属錯体の分子構造および金属イオンの電子状態の微細な情報を信頼性高く与えうる。

研究成果

• [国際共同研究] ノースウエスタン大学(米国)
• [国際共同研究] ノースウエスタン大学(米国)
• [国際共同研究] 有機化学生物化学研究所(チェコ)
• [国際共同研究] ノースウエスタン大学(米国)
• [国際共同研究] 有機化学生物化学研究所(チェコ)
• [雑誌論文] Large-scale relativistic complete active space self-consistent field with robust convergence (2018)
  • 著者名/発表者名: Reynolds Ryan D.、Yanai Takeshi、Shiozaki Toru
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 149 号: 1 ページ: 014106-014106
  • DOI: 10.1063/1.5036594
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electronically Excited Solute Described by RISM Approach Coupled with Multireference Perturbation Theory: Vertical Excitation Energies of Bioimaging Probes (2018)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Ryosuke Y.、Yanai Takeshi、Kurashige Yuki、Yokogawa Daisuke
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 14 号: 11 ページ: 5673-5679
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.8b00599
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic Circular Dichroism of an Unaromatic Planar [8]Annulene (2018)
  • 著者名/発表者名: Jin Wen、Takayuki Uto、Jakub Chalupsky、Deborah L. Casher、Gerhard Raabe、Joerg Fleischhauer、Takeshi Yanai、Hayato Tsuji、Koichi Komatsu、Josef Michl
  • 雑誌名: Journal of Physical Organic Chemistry 巻: 印刷中 号: 8
  • DOI: 10.1002/poc.3854
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct Observation of the Ultrafast Evolution of Open-Shell Biradical in Photochromic Radical Dimer (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Kobayashi, Hajime Okajima, Hikaru Sotome, Takeshi Yanai, Katsuya Mutoh, Yusuke Yoneda, Yasuteru Shigeta, Akira Sakamoto, Hiroshi Miyasaka, and Jiro Abe
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 139 号: 18 ページ: 6382-6389
  • DOI: 10.1021/jacs.7b01598
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coherent singlet fission activated by symmetry breaking (2017)
  • 著者名/発表者名: Miyata Kiyoshi、Kurashige Yuki、Watanabe Kazuya、Sugimoto Toshiki、Takahashi Shota、Tanaka Shunsuke、Takeya Jun、Yanai Takeshi、Matsumoto Yoshiyasu
  • 雑誌名: Nature Chemistry 巻: 9 号: 10 ページ: 983-989
  • DOI: 10.1038/nchem.2784
  • 査読あり
• [雑誌論文] Projector Augmented Wave Method Incorporated into Gauss-Type Atomic Orbital Based Density Functional Theory (2017)
  • 著者名/発表者名: Xiong Xiao-Gen、Yanai Takeshi
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 13 号: 7 ページ: 3236-3249
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.7b00404
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multistate Complete-Active-Space Second-Order Perturbation Theory Based on Density Matrix Renormalization Group Reference States (2017)
  • 著者名/発表者名: Yanai Takeshi、Saitow Masaaki、Xiong Xiao-Gen、Chalupsky Jakub、Kurashige Yuki、Guo Sheng、Sharma Sandeep
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 13 号: 10 ページ: 4829-4840
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.7b00735
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Influence of the choice of projection manifolds in the CASPT2 implementation (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai, Y. Kurashige, M. Saitow, J. Chalupsky, R. Lindh, P.-A. Malmqvist
  • 雑誌名: Mol. Phys. 巻: 印刷中 号: 17-18 ページ: 2077-2085
  • DOI: 10.1080/00268976.2016.1271152
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Triplet-triplet Annihilation Process of 9,10-diphenylanthracene in solution (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Sato, H. Kioth-Nishioka, T. Yanai, Y. Shigeta
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 印刷中 号: 6 ページ: 873-875
  • DOI: 10.1246/cl.170161
  • NAID: 130005689352
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hyperfine Coupling Constants from Internally Contracted Multireference Perturbation Theory (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Shiozaki, and T. Yanai
  • 雑誌名: J. Comp. Theo. Chem. 巻: 12 号: 9 ページ: 4347-4351
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00646
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Computational Evidence of Inversion of 1La and 1Lb-Derived Excited States in Naphthalene Excimer Formation from ab Initio Multireference Theory with Large Active Space: DMRG-CASPT2 Study (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Shirai, Y. Kurashige, and T. Yanai
  • 雑誌名: J. Chem. Theo. Comp. 巻: - 号: 5 ページ: 2366-2372
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00210
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] MADNESS: A Multiresolution, Adaptive Numerical Environment for Scientific Simulation (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Harrison, G. Beylkin, F. Bischoff, J. Calvin, G. Fann, J. Fosso-Tande, D. Galindo, J. Hammond, R. Hartman-Baker, J. Hill, J. Jia, J. Kottmann, M-J. Yvonne Ou, L. Ratcliff, M. Reuter, A. Richie-Halford, N. Romero, H. Sekino, W. Shelton, A. Vazquez-Mayagoitia, N. Vence, T. Yanai, Y. Yokoi
  • 雑誌名: SIAM Journal on Scientific Computing 巻: 38 号: 5 ページ: S123-S142
  • DOI: 10.1137/15m1026171
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] DMRG-based Multistate Multireference Perturbation Theory (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: ICQC 2018 Satellite Meeting, Theoretical Studies of Magnetic Systems: Methodological Developments and Applications
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高速量子多体アルゴリズムを用いた量子化学計算の進展 (2018)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: 化学科セミナー ～物理化学研究の新潮流
  • 招待講演
• [学会発表] 密度行列繰り込み群を用いた多参照電子状態の量子化学計算 (2018)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: 富士フィルム(神奈川県南足柄市) 解析技術センターセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 密度行列繰り込み群を用いた量子化学計算 (2017)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: 有機固体若手の会2017
  • 発表場所: 神奈川, 湯河原, ホテルあかね
  • 年月日: 2017-03-09
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum chemistry with correlated many-electron theory (2017)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: OKAZAKI - STRASBOURG Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Projector Augmented Wave Method Incorporated into Gauss-type Atomic Orbital Based Density Functional Theory (2017)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: New Frontiers in Electron Correlation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum chemistry with highly entangled many-electron theory (2017)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: 2017 Summer Symposium of KCS-Physical Chemistry Division and 2017 Korea-Japan Molecular Science Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Projector Augmented Wave Method Incorporated into Gauss-type Atomic Orbital Based Density Functional Theory (2017)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: The 11th Triennial Congress of the World Association of Theoretical and Computational Chemists
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced Multireference Electronic Structure Theory with ab initio Density Matrix Renormalization Group (2017)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: The 8th Asia-Pacific Conference of Theoretical and Computational Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multireference theory based on density matrix renormalization group (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: Theory and Applications of Computational Chemistry 2016
  • 発表場所: Seattle, USA
  • 年月日: 2016-08-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CASPT2 theory with DMRG reference wavefunction (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: The 8th Molecular Quantum Mechanics
  • 発表場所: Uppsala, Sweden
  • 年月日: 2016-06-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 密度行列繰り込み群に基づく拡張多状態多参照擬縮重摂動理論 (2016)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: 第10回 革新的量子化学シンポジウム
  • 発表場所: 京都府京都市, キャンパスプラザ京都
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular electronic structure theory based on ab initio density matrix renormalization group (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yanai
  • 学会等名: Tensor Networks and Quantum Many-Body Problems (TNQMP2016)
  • 発表場所: Institute for Solid State Physics, Kashiwa, Chiba
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 金属酵素の多参照電子状態計算および鉄五核錯体の密度汎関数計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 柳井 毅
  • 学会等名: 触媒・電池元素戦略研究拠点 第9回公開シンポジウム
  • 発表場所: 京都府京都市, 京大桂キャンパス
  • 招待講演