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

2018 年度 実績報告書

• 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 横浜市立大学, 国際総合科学部(八景キャンパス), 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 – 2019-03-31
• 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・提唱した。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った。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した。特に本年度は今までの三年間のまとめとして、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：　本年度は、平面波局在混合基底系ONIOM計算手法のプログラム実装、整備、および高度化を行った。ストリング法と多成分系分子軌道法・多成分系密度汎関数法との組み合わせたプログラム整備および高度化を行った。
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：　１．で開発した手法・プログラムを用いて、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。具体的には、様々な有機分子とHTO分子におけるHT交換反応に関する高精度計算を実施し、本研究成果をBCSJ誌に報告した。またHOSO + NO2反応における水分子の役割を量子論的に解明し、その研究成果をIJQC誌に報告した。金属表面における水素吸着機構に関するH/D同位体効果に関する計算も実施した。

研究成果

• [国際共同研究] チェンマイ大学(タイ)
  • 国名: タイ
  • 外国機関名: チェンマイ大学
• [雑誌論文] Theoretical Study on Hydrogen-Tritium Exchange Reactions between Several Organic and HTO Molecules: A Multicomponent QM Study (2019)
  • 著者名/発表者名: Ishibashi Rina、Tachikawa Masanori、Udagawa Taro
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 92 ページ: 592～599
  • DOI: 10.1246/bcsj.20180308
  • 査読あり
• [雑誌論文] A path integral molecular dynamics study on intermolecular hydrogen bond of acetic acid-arsenic acid anion and acetic acid-phosphoric acid anion clusters (2018)
  • 著者名/発表者名: Kawashima Yukio、Sawada Keisuke、Nakajima Takahito、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 40 ページ: 172～180
  • DOI: 10.1002/jcc.25562
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multicomponent QM study on the reaction of HOSO?+?NO 2 with H 2 O: Nuclear quantum effect on structure and reaction energy profile (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugimoto Hideya、Tachikawa Masanori、Udagawa Taro
  • 雑誌名: International Journal of Quantum Chemistry 巻: 119 ページ: e25895～e25895
  • DOI: 10.1002/qua.25895
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reduction of OH vibrational frequencies in amino acids by positron attachment (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugiura Yutaro、Suzuki Kento、Takayanagi Toshiyuki、Kita Yukiumi、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 39 ページ: 2060～2066
  • DOI: 10.1002/jcc.25387
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Balance between van der Waals and Cation-π Interactions Stabilizes Hydrophobic Assemblies (2018)
  • 著者名/発表者名: Zhan Yi-Yang、Kojima Tatsuo、Koide Takuya、Tachikawa Masanori、Hiraoka Shuichi
  • 雑誌名: Chemistry - A European Journal 巻: 24 ページ: 9130～9135
  • DOI: 10.1002/chem.201801376
  • 査読あり
• [雑誌論文] Importance of Molecular Meshing for the Stabilization of Solvophobic Assemblies (2018)
  • 著者名/発表者名: Zhan Yi-Yang、Tanaka Naru、Ozawa Yuka、Kojima Tatsuo、Mashiko Takako、Nagashima Umpei、Tachikawa Masanori、Hiraoka Shuichi
  • 雑誌名: The Journal of Organic Chemistry 巻: 83 ページ: 5132～5137
  • DOI: 10.1021/acs.joc.8b00495
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nuclear quantum effect and H/D isotope effect on Cl・ + (H2O)n → HCl + OH・(H2O)n?1 (n = 1?3) reactions (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugiura Keita、Tachikawa Masanori、Udagawa Taro
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 8 ページ: 17191～17201
  • DOI: 10.1039/C8RA02679C
  • 査読あり
• [雑誌論文] Programed dynamical ordering in self-organization processes of a nanocube: a molecular dynamics study (2018)
  • 著者名/発表者名: Harada Ryuhei、Mashiko Takako、Tachikawa Masanori、Hiraoka Shuichi、Shigeta Yasuteru
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 20 ページ: 9115～9122
  • DOI: 10.1039/C8CP00284C
  • 査読あり
• [雑誌論文] Semi-quantitative evaluation of molecular meshing via surface analysis with varying probe radii (2018)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Naru、Zhan Yi-Yang、Ozawa Yuka、Kojima Tatsuo、Koide Takuya、Mashiko Takako、Nagashima Umpei、Tachikawa Masanori、Hiraoka Shuichi
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 54 ページ: 3335～3338
  • DOI: 10.1039/c8cc00695d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hyperthermostable cube-shaped assembly in water (2018)
  • 著者名/発表者名: Zhan Yi-Yang、Ogata Kazuho、Kojima Tatsuo、Koide Takuya、Ishii Kentaro、Mashiko Takako、Tachikawa Masanori、Uchiyama Susumu、Hiraoka Shuichi
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 1 ページ: 14-14
  • DOI: 10.1038/s42004-018-0014-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strong Hydrogen Bonds at the Interface between Proton-Donating and -Accepting Self-Assembled Monolayers on Au(111) (2018)
  • 著者名/発表者名: Kato Hiroyuki S.、Yoshimoto Shinya、Ueda Akira、Yamamoto Susumu、Kanematsu Yusuke、Tachikawa Masanori、Mori Hatsumi、Yoshinobu Jun、Matsuda Iwao
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 34 ページ: 2189～2197
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b03451
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reaction mechanism of hydrogen-tritium exchange reactions between several organic and HTO molecules: a role of the second HTO (2018)
  • 著者名/発表者名: Udagawa Taro、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 8 ページ: 3878～3888
  • DOI: 10.1039/C7RA13110K
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum fluctuations of a fullerene cage modulate its internal magnetic environment (2018)
  • 著者名/発表者名: Kawatsu Tsutomu、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 20 ページ: 1673～1684
  • DOI: 10.1039/C7CP06401B
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum dynamics calculations for e+?+?LiH?→?Li+?+?[H?;?e+] dissociative positron attachment using a pseudopotential model (2018)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Kento、Takayanagi Toshiyuki、Kita Yukiumi、Tachikawa Masanori、Oyamada Takayuki
  • 雑誌名: Computational and Theoretical Chemistry 巻: 1123 ページ: 135～141
  • DOI: 10.1016/j.comptc.2017.11.023
  • 査読あり
• [学会発表] Molecular dyamics study on substituent and solvent effects for nanocube formed with gear-shaped amphiphile molecules (2018)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: NanoBio&Med2018
  • 国際学会
• [学会発表] "Path integral simulation for accurate HFCC values on muoniated acetone radical", (2018)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: 7th French-Japanese Workshop on Computational Methods in Chemistry
  • 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 effect" (2018)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: Asian Workshop of Experiment and Theory in Quantum Beam Molecular Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] "Path integral simulation on muoniated acetone radical" (2018)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: 3rd International Symposium of Quantum Beam Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] "Path integral simulation on muoniated acetone radical" (2018)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: 7th JCS symposium
  • 国際学会
• [備考] 横浜市立大学量子物理化学研究室
  • URL: http://www-user.yokohama-cu.ac.jp/~tachi/