量子論的遷移状態および量子論的反応経路の確立とその応用

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15KT0067
• 研究機関: 横浜市立大学
• 研究代表者: 立川 仁典 横浜市立大学, 生命ナノシステム科学研究科(八景キャンパス), 教授 (00267410)
• 研究分担者: 石元 孝佳 広島大学, 工学研究院, 共同研究講座准教授 (50543435) ; 宇田川 太郎 岐阜大学, 工学部, 助教 (70509356)
• 研究期間 (年度): 2015-07-10 – 2018-03-31
• キーワード: 量子論的遷移状態 / 量子論的反応経路 / 量子シミュレーション / 量子多成分系分子理論 / 経路積分

研究実績の概要

本研究課題では、網羅的にIRCや遷移状態を求めるのではなく、核の量子揺らぎも含めた有効自由エネルギー超曲面における１．量子論的遷移状態および量子論的反応経路を新たに構築・提唱する。特に初期経路依存が小さい探索手法としてストリング法、さらにはそれを発展させた手法を開発し、効率的なシステム実装も行う。本手法により、様々な反応系における２．量子論的遷移状態の探索および遷移状態制御による設計指針を与え、実験グループにフィードバックする。本研究課題は、量子論的遷移状態の確立を第一の目的にして実験グループとの協働による具体的な理論計算を実現する。本年度は一昨年度に続き、以下の項目を実施した。
１．量子論的遷移状態および量子論的反応経路の確立：　(1A)ストリング法の実装　人為的パラメータを減らすことのできるストリング法を実装することで、NEB法に比べてより効率的に反応経路が求まることを確認した。多成分系分子軌道法および多成分系密度汎関数法に導入することにより、分子内水素転移反応や水素引き抜き反応に対する量子論的遷移状態を求めることに成功した。　(1B)効率的計算手法の導入　周期境界モデルによる電子状態と、吸着サイトにおける水素の量子効果を考慮した部分的な高精度量子化学計算を組み合わせた、平面波局在混合基底系ONIOM計算手法を開発・実装中であり、現在テスト計算を実施している。
２．量子論的遷移状態の探索および遷移状態制御による設計指針：　多成分系分子軌道法および多成分系密度汎関数法を用いることにより、分子内水素転移反応や水素引き抜き反応に対する量子論的遷移状態を探索することに成功した。金属クラスターへの水素吸着シミュレーションの計算も実施しているところである。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

NEB法やストリング法を多成分系分子軌道法および多成分系密度汎関数法に既に導入し、既存プログラムにも加えることに成功した。水素結合が絡むクラスター等、既に多数の具体的計算を実施し、量子論的遷移状態を求めることを可能とした。既に論文として受理されており、おおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

さらなる理論開発およびプログラム実装だけでなく、数多くの応用計算も実施していきたい。

次年度使用額が生じた理由

本研究課題を実施するにあたり、当初、初年度から博士研究員を雇用する予定であった。しかしながら初年度採用予定の博士研究員が、就任直前に就職先が決定してしまい、初年度に本研究課題遂行のための適切な人材をみつけることができなかった。昨年度（二年目）、新たにのべ２名の博士研究員（本学の称号は特任准教授、および特任助教）を雇用したが、初年度からの繰越金が未だ半分程余っており、次年度に繰り越したい。

次年度使用額の使用計画

平成２９年度、引続き１名の博士研究員（本学での称号は特任助教）を雇用している。

研究成果

• [雑誌論文] Quantum dynamics study on the binding of a positron to vibrationally excited states of hydrogen cyanide molecule (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Takayanagi, K. Suzuki, T. Yoshida, Y. Kita, and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Multicomponent DFT study of geometrical H/D isotope effect on hydrogen-bonded organic conductor, κ-H3(Cat EDT-ST)2 (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Yamamoto, Y. Kanematsu, U. Nagashima, A. Ueda, H. Mori, and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Asymmetric hydrogen bonding in formic acid-nitric acid dimer observed by quantum molecular dynamics simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Chanisorn Ngaojampa, Tsutomu Kawatsu, Yuki Oba, Nawee Kungwan, and M. Tachikawa
  • 雑誌名: Theor. Chem. Acc. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Unusual H/D isotope effect in isomerization and keto-enol tautomerism reactions of pyruvic acid: Nuclear quantum effect restricts some rotational isomerization reactions (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Udagawa, K. Sugiura, K. Suzuki, and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 7 ページ: 9328-9337
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Theoretical study on substituent and solvent effects for nanocube formed with gear-shaped amphiphile molecules (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Mashiko, S. Hiraoka, U, Nagashima, and M. Tachikawa
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 19 ページ: 1627-1631
  • DOI: 10.1039/C6CP07754D
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of vibrational anharmonicity and inter-mode couplings on the binding energy of a positron to molecules (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kita and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nuclear quantum effect and H/D isotope effect on F + (H2O)n → FH + (H2O)n-1OH (n = 1-3) reactions (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Udagawa and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 巻: 145 ページ: 164310 (10)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4966162
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Theoretical study of H/D isotope effect on phase transition of hydrogen-bonded organic conductor κ-H3(Cat-EDT-TTF)2", (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Yamamoto, Y. Kanematsu, U. Nagashima, A. Ueda, H. Mori, and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. (Communication) 巻: 18 ページ: 29673-29680
  • DOI: 10.1039/C6CP05414E
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] QM/MM Study on Sialyltransferase Reaction Mechanism (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Hamada, Y. Kanematsu, and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 55 ページ: 5764-5771
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.6b00267
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Aminooxy-naphthylpropionic acid and its derivatives are inhibitors of auxin biosynthesis targeting Trp aminotransferase: Structure-activity relationships (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Narukawa-Nara, A. Nakamura, K. Kikuzato, Y. Kakei, A. Sato, Y. Mitani, Y. Yamasaki-Kokudo, T. Ishii, KI. Hayashi, T. Asami, T. Ogura, S. Yoshida, S. Fujioka, T. Kamakura, T. Kawatsu, M. Tachikawa, K. Soeno, and Y. Shimada,
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 87 ページ: 245-257
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.6b00267
  • 査読あり
• [雑誌論文] A path integral molecular dynamics study of the hyperfine coupling constants of the muoniated and hydrogenated acetone radicals (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Oba, T. Kawatsu, and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 巻: 145 ページ: 064301 (15)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4960077
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Can low-barrier hydrogen bond exist in systems with second row elements? An ab initio path integral molecular dynamics study for deprotonated hydrogen sulfide dimer (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Ogata, T. Kawatsu, and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: Theor. Chem. Acc. 巻: 135 ページ: 200 (11 pages)
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.6b01780
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Positron Binding Properties of Glycine and Its Aqueous Complexes (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nummela, H. Raebiger, D. Yoshida, and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 120 ページ: 4037-4042
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.6b01780
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Inverse Ubbelohde Effect in the Short Hydrogen Bond of Photosystem II: Relation between H/D Isotope Effect and Symmetry in Potential Energy Profile (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kanematsu, Y. Takano, and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: J. Comput. Chem. 巻: 37 ページ: 2140-2145
  • DOI: 10.1002/jcc.24438
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Theoretical study of a positron-attachment to vibrational excited states for non-polar carbon disulfide molecule (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Takeda, Y. Kita, and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: Eur. Phys. J. D 巻: 70 ページ: 132 (5 pages)
  • DOI: 10.1140/epjd/e2016-70140-7
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermal Dependence on Structures of Muoniated and Hydrogenated Acetone Radicals (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Oba, T. Kawatsu, and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1790 ページ: 020022 (4pages)
  • DOI: 10.1063/1.4968648
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Analysis of exponent values of Gaussian-type functions on quantum protons and deuterons in charged or polarized systems (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Hashimoto, T. Ishimoto, M. Tachikawa, and T. Udagawa,
  • 雑誌名: Int. J. Quant. Chem. 巻: 116 ページ: 961-967
  • DOI: 10.1002/qua.25117
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Vibrational analysis on the revised potential energy curve of the low-barrier hydrogen bond in photoactive yellow protein (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kanematsu, H. Kamikubo, M. Kataoka, and M. Tachikawa,
  • 雑誌名: Computational and Structural Biotechnology Journal 巻: 14 ページ: 16-19
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2015.10.003
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Theoretical study on substituent and solvent effects for nanocube formed with gear-shaped amphiphile molecules (2017)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: The 5th International Symposium on Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Functions
  • 発表場所: The University of Tokyo, Komaba, Japan
  • 年月日: 2017-01-21 – 2017-01-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Path integral simulation on muoniated acetone radical (2016)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: The 11th General Meeting of ACCMS-VO
  • 発表場所: Tohoku University, Japan
  • 年月日: 2016-12-21 – 2016-12-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Path integral simulation on muoniated acetone radical (2016)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: The International Symposium of Quantum Beam Science
  • 発表場所: Ibaraki University, Japan
  • 年月日: 2016-11-19 – 2016-11-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Path Integral Simulation for Hydrogen bonded systems: Protonic quantum nature and its isotope effects (2016)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: Thai-Japan Symposium in Chemistry
  • 発表場所: Chiang Mai University, Thailand
  • 年月日: 2016-11-15 – 2016-11-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum Monte Carlo calculation of Positron-attached Polyatomic Molecules (2016)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: 14th International Workshop on Slow Positron Beam Techniques & Applications (SLOPOS14)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 2016-05-22 – 2016-05-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 横浜市立大学量子物理化学研究室（立川研究室）
  • URL: http://www-user.yokohama-cu.ac.jp/~tachi/