量子力学的手法と分子動力学法を組み合わせた化学反応を推進する動的因子の解析

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05766
• 研究機関: 神奈川大学
• 研究代表者: 松原 世明 神奈川大学, 理学部, 教授 (60239069)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 化学反応 / 量子力学計算 / 分子動力学計算 / 動的因子

研究実績の概要

我々は、量子力学的(QM)手法と分子動力学(MD)法を組み合わせたQM-MD法や量子力学的(QM)手法と分子力学(MM)法を組み合わせたマルチスケールONIOM法にさらに分子動力学(MD)法を組み合わせたONIOM-MD法を独自に開発し、熱振動を考慮した化学反応の解析を行っている。酵素の活性サイトのアミノ酸の動的振る舞いが反応において重要であること、遷移金属錯体反応や有機反応で置換基の熱振動の効果や分子内の運動エネルギー分布が反応性と関係していることを示し、動的因子が化学反応において重要であることを指摘してきた。また、溶媒分子の熱揺らぎが反応の推進力となっているという溶媒効果の新たな側面も発見した。このように、熱振動を考慮することで化学反応の推進力に関する新たな知見が得られると考えられる。動的因子を化学反応理論へ導入できれば、化学反応理論の新境地が開拓されると期待されることから、化学反応を推進する動的因子の解析をさらに押し進めることが本研究の目的である。具体的には、ゲルマノンのH2Oを始めとする小分子との反応、SN2反応、E1cB的反応、Wilkinson錯体触媒反応について解析を行う。
本年度は、ゲルマノンの反応、SN2反応、E1cB的反応に加え、E2反応について計算を行った。QM法による反応機構の解析は終了しおり、QM-MD法あるいはONIOM-MD法による反応のMD計算が可能なエネルギー障壁をもつ分子や計算レベルを探索した。そして、ゲルマノンの反応については置換基も考慮したONIOM-MD計算、SN2反応、E1cB的反応およびE2反応については溶媒も考慮したONIOM-MD計算を行い、それぞれの反応のシミュレーションに成功した。それらの動的因子の解析は、次年度行う。

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

本研究では、ゲルマノンの反応、SN2反応、E1cB的反応、Wilkinson錯体触媒反応について解析を行うことを計画していた。別途その理由を記述したように、Wilkinson錯体触媒反応は行わず、有機反応にE2反応を追加して解析を行うことに当初の計画を変更したものの、既に、全ての反応について反応のシミュレーションに成功している。次年度以降、それぞれの反応について、反応を推進する動的因子について解析を行い、まとまり次第、順次、論文として報告する予定である。したがって、おおむね順調に進行していると言える。

今後の研究の推進方策

次年度以降は、今年度反応のシミュレーションに成功した、ゲルマノンの反応、SN2反応、E1cB的反応およびE2反応について、反応を推進している動的因子の手掛かりを解析する。当初予定していたWilkinson錯体触媒反応については、我々は既に量子化学計算による反応機構解析に関する下記の論文1)を報告しており、また、ONIOM-MD計算を行うための準備計算も終了しているが、その反応の性格上、動的因子の解析はより単純な有機反応をまず優先的に行うべきであるとの判断から、Wilkinson錯体触媒反応を行わず、有機反応にE2反応を追加して解析を行う。

1)T. Matsubara, R. Takahashi, and S. Asai, “ONIOM Study of the Mechanism of Olefin Hydrogenation by the Wilkinson’s Catalyst: Reaction Paths and Energy Surfaces of Trans and Cis Form”, Bull. Chem. Soc. Jpn., 86, 243-254 (2013).

次年度使用額が生じた理由

国際会議の招待講演が４件あり、その出張旅費で今年度の直接経費の半分弱を使用した。その残額で計算機を購入するためには、若干、金額が足りず、他のもので経費を消費したため、残金が発生した。その残金と次年度の直接経費と合わせて、次年度は、計算機の補充を行う予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Polyoxometalate-Assisted, One-Pot Synthesis of A Pentakis{(triphenylphosphane)gold}ammonium(2+) Cation Containing Regular Trigonal Bipyramidal Geometries of Five Bonds to Nitrogen (2018)
  • 著者名/発表者名: 1) Kenji Nomiya, Kohei Endo, Yuichi Murata, Shinya Sato, Sho Shimazaki, Shogo Horie, Eri Nagashima, Yuta Yasuda, Takuya Yoshida, Satoshi, Matsunaga, and Toshiaki Matsubara
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 57 ページ: 1504-1516
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.7b02795
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical Study of the Heterolytic σ Bond Cleavage on the Ge=O Bond of Germanone. An Insight into the Driving Force from both Electronic and Dynamical Aspects. (2017)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Matsubara and Tomoyoshi Ito
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 121 ページ: 1768-1778
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.6b12478
  • 査読あり
• [学会発表] An Insight into the Driving Force of the σ Bond Cleavage on the Ge=O Bond of Germanone by the Combination of the Quantum Mechanical and Molecular Dynamics Methods (2017)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Matsubara
  • 学会等名: 3rd Intl Symp. on New and Advanced Materials and Technologies for Energy, Environment and Sustainable Development
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] An Insight into the Driving Force of the Chemical Reactions by the Combination of the Quantum Mechanical and Molecular Dynamics Methods (2017)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Matsubara
  • 学会等名: BIT’s 1st Annual Conference of Quantum World - 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theoretical Study of the Chemical Reactions by the Combination of Quantum Mechanical and Molecular Dynamics Methods (2017)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Matsubara
  • 学会等名: 4th International Conference on Physical and Theoretical Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] An Insight into the Mechanism of the Electron-Transfer Induced Repair of the (6-4) T-T Photoproduct of DNA by the Photolyase. A Computational Study (2017)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Matsubara
  • 学会等名: Drug Discovery & Therapy World Congress 2017
  • 国際学会 / 招待講演