強相関系の為の量子古典ハイブリッド法の開発と生体酵素活性中心への応用

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23550016
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 山中 秀介 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (10324865)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2013
• キーワード: 密度汎関数理論 / 光化学系II / 磁性 / マンガンクラスター / QM/MM理論

研究概要

2011年に光合成光化学系IIの水酸化反応中心の構造が発表され、我々はその構造を用いた電子構造計算を行い、あらゆる可能な酸化状態に対するあらゆる可能なスピン状態を全て吟味し、論文発表を行った。我々の知る限り、世界的に光化学系IIのMnクラスターの初めての論文である。引き続き我々は自然軌道解析や構造変化を追い、水分子を分解する反応機構の提案をいくつか行った。一方で理論と計算の矛盾する部分もあったので、Mn錯体のオリジナルテストセットを構築し、その磁性の記述の汎関数依存性の吟味を行った。又、Mnクラスターのノンコリニア磁性を吟味し、スピン密度の線形応答関数に基づくQM/MMガイドラインを提案した。

研究成果

• [雑誌論文] A spin density version of linear response function: Toward guidelines of QM/MM boundaries for reliable computations (2014)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka, Kazuto Nakata, Mitsutaka Okumura, Kizashi Yamaguchi, Haruki Nakamura
  • 雑誌名: Journal of Physical Society Conference Series 巻: 1 ページ: 016015 (1-4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Combination of approximate spin-projection and spin-restricted calculations based on ONIOM method for geometry optimization of large biradical systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Kitagawa , N. Yasuda, H. Hatake, T. Saito, Y. Kataoka, T. Matsui, T. Kawakami, S. Yamanaka, M. Okumura, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem 巻: 113 ページ: 290-295
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of chemical bonds in metalloenzymes XVIII. Importance of mixed-valence configurations for Mn_5O_5, CaMn_4O_5 and Ca_2 Mn_3O_5 clusters revealed by UB3LYP computations. A bio-inspired strategy for artificial photosynthesis (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Yamaguchi , Y. Kitagawa, H. Isobe , M. Shoji, S. Yamanaka, M. Okumura
  • 雑誌名: Polyhedron 巻: 57 ページ: 138-149
  • 査読あり
• [雑誌論文] Linear response function approach for the boundary problem of QM/MM methods (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Ueda, S. Yamanaka, K.Nakata, M. Ehara, M. Okumura, K. Yamaguchi, H. Nakamura
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem 巻: 113 ページ: 336-341
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initio DFT study of magneto-structural correlation of dinuclear mixed-valence Mn complexes (2013)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka, Kyohei Komi, Koki Ueda, Yasutaka Kitagawa, Takashi Kawakami, Mitsutaka Okumura, Haruki Nakamura, Kizashi Yamaguchi
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: vol. 428 ページ: 012035(1-7)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Full geometry optimizations of the mixed-valence CaMn_4O_4X(H_2O)_4 (X=OH or O) cluster in OEC of PS II : Degree of symmetry breaking of the labile Mn-X-Mn bond revealed by several hybrid DFT calculations (2013)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi, H. Isobe, S. Yamanaka, T. Saito, K. Kanda, M. Shoji, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem 巻: 113 ページ: 525-541
  • 査読あり
• [雑誌論文] How to determine boundaries for QM/MM calculations : A guideline based on linear response function for glutathione (2013)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka, Koki Ueda, Kazuto Nakata, Mitsutaka Okumura, Kizashi Yamaguchi, Haruki Nakamura
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: vol. 454 ページ: 012055(1-6)
  • 査読あり
• [雑誌論文] The nature of chemical bonds of the CaMn_4O_5 cluster in oxygen evolving complex of photosystem II : Jahn-Teller distortion and its suppression by Ca doping in cubane structures (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Yamaguchi, S. Yamanaka, H. Isobe, T. Saito, K. Kanda, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, H. Nakamura, M. Shoji, Y. Yoshioka
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem 巻: 113 ページ: 453-473
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of chemical bonds in metalloenzymes XVI. Oxygen activation by high-valent transition metal ions in native and artificial systems (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Yamaguchi, M. Shoji, H. Isobe, Y. Kitagawa, S. Yamada, T. Kawakami, S. Yamanaka, M. Okumura
  • 雑誌名: Polyhedron 巻: 66 ページ: 228-244
  • 査読あり
• [雑誌論文] Does B3LYP correctly describe magnetism of manganese complexes with various oxidation numbers and structural motifs? (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Yamanaka, K. Kanda, T. Saito, Y. Kitagawa, T. Kawakami, M. Ehara, M. Okumura, H. Nakamura, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett 巻: 519-520 ページ: 134-140
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic and spin structures of the CaMn_4O_5(H_2O)_4 cluster in OEC of PS II refined to 1.9 Å X-ray resolution (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Yamanaka, K. Kanda, T. Saito, Y. Umena, K. Kawakami, J-R. Shen, N. Kamiya, H. Nakamura, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Adv. Quantum Chem 巻: 64 ページ: 121-187
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure and Reactivity of the Mixed-Valence CaMn_4O_5(H_2O)_4 Clusters at Oxygen Evolution Complex of Photosystem II. Hybrid DFT (UB3LYP and UBHandHLYP) Calculations (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Yamanaka, T. Saito, K. Kanda, H. Isobe, Y. Umena, K. Kawakami, J-R. Shen, N. Kamiyta, M. Okumura, H. Nakamura, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem 巻: 112 ページ: 321-343
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical illumination of water-inserted structures of the CaMn_4O_5(H_2O)_4 cluster in the S2 and S3 states of oxygen-evolving complex of photosystem II: full geometry optimizations by B3LYP hybrid density functional (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Isobe, M. Shoji, S. Yamanaka, Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J.-R. Shen, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Dalton Trans 巻: 41 ページ: 3727-13740
  • 査読あり
• [雑誌論文] Locality and nonlocality of electronic structures of molecular systems : Toward QM/MM and QM/QM approaches (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Yamanaka, Y. Yonezawa, K. Nakata, S. Nishihara, M. Okumura, T. Takada, K. Yamaguchi, H. Nakamura
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc 巻: 1504 ページ: 916-919
• [雑誌論文] Similarities of artificial photosystems by ruthenium oxo complexes and native water splitting systems (2012)
  • 著者名/発表者名: Koji Tanaka, Hiroshi Isobe, Shusuke Yamanaka, Kizashi Yamaguchi
  • 雑誌名: PNAS 巻: 109 ページ: 15600-15605
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin hamiltonian models for artificial and native water splitting systems revealed by hybrid DFT calculations. Oxygen activation by high-valent Mn and Ru ions (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Yamaguchi, S. Yamanaka, H. Isobe, K. Tanaka, N. Ueyama
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem 巻: 112 ページ: 3849-3866
  • 査読あり
• [雑誌論文] Labile electronic and spin states of the CaMn_4O_5 cluster in the PSII system refined to the 1.9 Å X-ray resolution. UB3LYP computational results (2011)
  • 著者名/発表者名: K. Kanda, S. Yamanaka, T. Saito, Y. Umena, K. Kawakami, J-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, H. Nakamura, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett 巻: 506 ページ: 98-103
  • 査読あり
• [雑誌論文] Possible mechanisms for the O-O bond formation in oxygen evolution reaction at the CaMn_4O_5(H_2O)_4 cluster of PSII refined to 1.9 Å X-ray resolution (2011)
  • 著者名/発表者名: S. Yamanaka, H. Isobe, K. Kanda, T. Saito, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, H. Nakamura, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett 巻: 511 ページ: 138-145
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initio study of magnetic interactions of manganese-oxide clusters (2011)
  • 著者名/発表者名: K. Kanda, S. Yamanaka, T. Saito, T. Kawakami, Y. Kitagawa, M. Okumura, H. Nakamura, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Polyhedron 巻: 30 ページ: 3256-3261
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of chemical bonds in metalloenzymes. XVII. Symmetry breaking in manganese cluster structures and chameleonic mechanisms for the O-O bond formation of water splitting reaction (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Saito, M. Shoji, K. Kanda, H. Isobe, S. Yamanaka, Y. Kitagawa, S. Yamada, T. Kawakami, M. Okumura, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem 巻: 112 ページ: 121-135
  • 査読あり
• [雑誌論文] Possible mechanism of water splitting reaction based on proton and electron release pathways revealed for CaMn_4O_5 cluster of PS IIrefined to 1.9 Å X-ray resolution (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Saito, S. Yamanaka, K. Kanda, H. Isobe, Y. Takano, Y. Shigeta, Y. Umena, K. Kawakami, J-R.Shen, N. Kamiya, Y. Kitagawa, T. Kawakami, M. Okumura, M. Shoji, Y. Yoshioka, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem. 巻: 112 ページ: 253-276
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of chemical bonds in metalloenzymes XVIII. Importance of mixed-valence configurations for Mn5O5, CaMn4O5 and Ca2Mn3O5 clusters revealed by UB3LYP computations. A bio-inspired strategy for artificial photosynthesis
  • 著者名/発表者名: K. Yamaguchi, M. Shoji, H. Isobe, Y. Kitagawa, S. Yamada, T. Kawakami, S. Yamanaka, M. Okumura
  • 雑誌名: Polyhedron 巻: 57 ページ: 138-149
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical study of magnetism of manganese clusters
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka, Yuki Mitsuta, Takashi Kawakami, Yasutaka Kitagawa, Haruki Nakamura, Mitsutaka Okumura, Kizashi Yamaguchi
  • 雑誌名: Journal of Physical Society Conference Series 巻: (in press)
  • 査読あり
• [学会発表] Linear response analysis of finite systems: the reasons why "nearsightedness" holds even for finite systems (2014)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: The 54th Sanibel Symposium
  • 発表場所: St. Simons Island, Georgia, US
  • 年月日: 2014-02-19
• [学会発表] Density functional study of noncollinear magnetism of Mn clsuters (2013)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: International Symposium on Theoretical Chemistry
  • 発表場所: Todaiji Culture Center, Nara
  • 年月日: 2013-12-03
• [学会発表] スピン及び結合次数に対する線形応答関数に基づく QM/MM 境界問題への理論的アプローチ (2013)
  • 著者名/発表者名: 山中秀介
  • 学会等名: 分子科学討論会
  • 発表場所: 京都テルサ
  • 年月日: 2013-09-26
• [学会発表] Density functional study of magnetism of manganese clusters (2013)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: The International Conference on strongly correlated electron systems
  • 発表場所: Ito International Research Center Conference, The Hongo campus of the University of Tokyo
  • 年月日: 2013-08-06
• [学会発表] Bond-order and spin density versions of linear response function:Toward guidelines of QM/MM boundaries for reliable computations (2013)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: The 12th Asian Pacific Physic Conference. The third Asia-Europe Physics Summit
  • 発表場所: Makuharimesse Chiba
  • 年月日: 2013-07-16
• [学会発表] 線形応答関数に基づく QM/MM 境界問題への理論的アプローチ (2013)
  • 著者名/発表者名: 山中秀介
  • 学会等名: 日本化学会第93春年会
  • 発表場所: 立命館大学, 草津キャンパス
  • 年月日: 2013-03-23
• [学会発表] How to determine boundaries of QM/MM calculations. A guideline based on linear response function (2012)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: JSST 2012 International conference on Simulation Technology
  • 発表場所: 兵庫県ポートアイランド
  • 年月日: 2012-09-27
• [学会発表] Ab initio study of structural effects of dinuclear mixed valence Mn complexes (2012)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: XXIst International Symposium on the Jahn-Teller Effect
  • 発表場所: Tsukuba University
  • 年月日: 2012-08-27
• [学会発表] Mn複核錯体の磁性の密度汎関数理論~遷移金属酵素中心解析に向けて~ (2011)
  • 著者名/発表者名: 山中秀介
  • 学会等名: 大阪大学蛋白研セミナー「蛋白質科学の未来を語る:実験理論研究者の対話」
  • 発表場所: 大阪大学蛋白質研究所
  • 年月日: 2011-11-21
• [学会発表] Towards reliable density functional approaches for manganese complexes (2011)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: XVIth International Workshop on Quantum Systems in Chemistry and Physics
  • 発表場所: Ishikawa Prefecture Museum of Art, Kanazawa
  • 年月日: 2011-09-16
• [学会発表] Assessment of density functional theory (2011)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: The VIIIth congress of the international society of theoretical chemical physics
  • 発表場所: Waseda University
  • 年月日: 2011-09-03
• [学会発表] Density functional study of manganese complexes (2011)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Yamanaka
  • 学会等名: Fukui International Symposium for theoretical chemistry, Fukui Institute for fundamental chemistry
  • 発表場所: Kyoto University
  • 年月日: 2011-08-31
• [学会発表] Ab initio DFT(UB3LYP)による光合成光化学系 II の電子状態の解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 山中秀介
  • 学会等名: 日本化学会コンピュータ化学部会「理論化学で探る触媒」
  • 発表場所: 大阪科学技術センター
  • 年月日: 2011-06-21
• [図書] 錯体化学選書 『金属錯体の量子計算化学』(榊 茂好・山口 兆・増田秀樹編), 1章3節「独立粒子モデル・対称性の破れと多電子問題」 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山中秀介, 奥村光隆
  • 出版者: 三共出版(印刷中)
• [図書] 錯体化学選書 『金属錯体の量子計算化学』(榊 茂好・山口 兆・増田秀樹編), 4章2節「錯体の磁性の量子化学」 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山中秀介, 川上貴資
  • 出版者: 三共出版(印刷中)
• [図書] Calculation of Magnetic Properties and Spectroscopic Parameters of Manganese Clusters with Density Functional Theory (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Kanda, S. Yamanaka, T. Saito, Y. Kitagawa, T. Kawakami, M. Okumura, K. Yamaguchi
  • 総ページ数: 449-460
  • 出版者: Springer
• [図書] Density functional study of manganese complexes: Protonation effects on geometries and magnetism (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Yamanaka, K. Kanda, T. Saito, Y. Kitagawa, T. Kawakami, M. Ehara, M. Okumura, H. Nakamura, K. Yamaguchi
  • 総ページ数: 461-473
  • 出版者: Springer
• [図書] DFT Calculations of the Heterojunction Effect for Precious Metal Cluster Catalysis (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Okumura, K. Sakata, T. Tada, S. Yamada, K. Okazaki, Y. Kitagawa, T. Kawakami, S. Yamanaka
  • 総ページ数: 363-376
  • 出版者: Springer
• [図書] 計算化学における多階層連結コンピューティング (2011)
  • 著者名/発表者名: 山中秀介, 神田慧太, 西原慧径, 鵜飼健史, 武田亮, 中田一人, 斉藤徹, 木下啓二, 磯部寛, 山田悟, 北河康隆, 川上貴資, 奥村光隆, 中村春木, 山口兆
  • 総ページ数: 153-204
  • 出版者: 財団法人国際高等研究所