力学刺激環境を取り扱う理論化学計算手法の開発と新しい反応コンセプトの構築

2023 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02685
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分32010:基礎物理化学関連
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 長谷川 淳也 北海道大学, 触媒科学研究所, 教授 (30322168)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: メカノケミストリ / 反応原理 / 電子状態 / ポテンシャル面

研究成果の概要

外力を導入した理論計算手法を開発し，メカノケミストリにおける特異な化学反応原理について研究した。機械的刺激によって化学反応の選択性が変化するという実験報告が急増しているが，理論的な理解は進んでいなかった。ボールミルを用いたキチンの加水分解において側鎖の加水分解より解重合が優先される実験結果，高インデックス界面への外力刺激に対するFischer-Tropsch反応活性がBEP則を逸脱しうることを示す計算結果，ボールミルを用いたシクロプロパン化反応において狭隘反応場が選択性を向上する計算結果を示し，力学的刺激下の反応機構を明らかにした。開発したプログラムはGitHubにて公開している。

自由記述の分野

理論・計算化学

研究成果の学術的意義や社会的意義

力学的刺激による化学反応の促進は，局所加熱による反応性の向上と理解されている。これに対し，反応選択性の変化については単なる熱的な解釈を越えた理解が必要であった。このような実験事実に対して，様々な解釈が行われてきたが，これを裏付ける理論的研究が必要とされてきた。本研究では，力学的刺激を露わに導入した計算を行うことで，反応機構を提案することで提案されてきた解釈を理論的に検証し，力学的刺激による活性促進効果を予測した。また，使用した計算プログラムはGaussian16など各種の電子状態計算プログラムと接続して使用でき，研究成果のオープンリソース化による社会での活用が期待できる。