AIM二元関数解析法の新展開：結晶および不安定物質中における弱い相互作用の解析

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26410050
• 研究機関: 和歌山大学
• 研究代表者: 中西 和郎 和歌山大学, 学内共同利用施設等, 名誉教授 (80110807)
• 研究分担者: 林 聡子 和歌山大学, システム工学部, 准教授 (00294306)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 理論有機化学 / 有機典型元素 / 構造有機化学 / QTAIM二元関数解析法 / 水素結合 / ファン・デル・ワールス相互作用 / X線結晶構造解析 / 拡張超原子価結合

研究実績の概要

物質科学を発展させ新規化合物を開拓するためには、弱い相互作用の本質を的確に解析・評価し、自在にかつ巧みに操ることが求められる。Baderが提案したAIM (Atoms-in-Molecules Method)は、化学結合および相互作用の特性を評価・分類できる方法として注目を集めてきた。実験化学者の立場から測定結果や物性を自身のイメージで解析を行うために、AIM二元関数解析法(AIM-DFA)を提唱し、相互作用全体を統一的に評価・分類できる基本的な解析法として確立してきた。しかし化学現象全体を有効に解析するためには、本法のより高度な解析法としての確立という課題が浮上した。本研究の目的は、AIM-DFAを物質科学の発展と新規物質創製に挑戦できる解析法として発展・確立することであり、具体的には、(1)相互作用の動的特性に関連して新規な摂動構造作成法を提案し、AIM-DFAをさらに高精度化し、(2)不安定化学種や結晶中の相互作用を含めて有効な解析法として確立することである。
AIM-DFAの提案当初は、相互作用の動的特性は着目する相互作用の周辺から受ける影響を加味して解析した方が良いと考えていた。しかし、動的特性は小さいながらも周辺からの影響に比例して変化するという解析結果が得られた。このことを踏まえて、平成28年度は目的(1)に関連し、AIM-DFAを適用して、相互作用の動的特性の解析する際、着目する相互作用の周辺からの影響を取り除いた形で相互作用の動的特性が解析できる新規摂動構造作成法の提案と確立に成功した。Compliant force constantsに対応する基準座標(CIV)を用いた摂動構造が有効に機能し、摂動構造の作成のためのプログラムも工夫し、実証も行った。目的(2)の不安定化学種や結晶中の相互作用解明にも適応した。

研究成果

• [雑誌論文] Behavior of Intramolecular π-π Interactions with Doubly Degenerated Bond Paths Between Carbon Atoms in Opposite Benzene Rings of Diethenodihydronaphthalenes by QTAIM Approach (2017)
  • 著者名/発表者名: Kohei Matsuiwa, Satoko Hayashi, and Waro Nakanishi
  • 雑誌名: ChemistrySelect 巻: 2 ページ: 90-100
  • DOI: 10.1002/slct.201601494
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dynamic and Static Behavior of Intramolecular π-π Interactions in [2.2]- and [3.3]Cyclophanes, Elucidated by QTAIM Dual Functional Analysis with QC Calculations (2017)
  • 著者名/発表者名: Kohei Matsuiwa, Satoko Hayashi, and Waro Nakanishi
  • 雑誌名: ChemistrySelect 巻: 2 ページ: 1774-1782
  • DOI: 10.1002/slct.201602047
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Linear Four-Chalcogen Interactions in Radical Cationic and Dicationic Dimers of 1,5-(Dichalcogena)canes: Nature of the Interactions Elucidated by QTAIM Dual Functional Analysis with QC Calculations (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoko Hayashi, Kengo Nagata, Shota Otsuki, and Waro Nakanishi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 121 ページ: 2482-2496
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.7b00667
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nature of E2X2 σ(4c-6e) of the X-E-E-X type at naphthalene 1,8-positions and model, elucidated by X-ray crystallographic analysis and QC calculations with the QTAIM approach (2017)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Tsubomoto, Satoko Hayashi, Waro Nakanishi, Takahiro Sasamori and Norihiro Tokitoh
  • 雑誌名: Acta Cryst. B 巻: B73 ページ: 265-275
  • DOI: 10.1107/S205252061700364X
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dynamic and static behavior of the H---π and E---π interactions in EH2 adducts of benzene π-system (E = O, S, Se and Te), elucidated by QTAIM dual functional analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Satoko Hayashi, Yuji Sugibayashi and Waro Nakanishi
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 18 ページ: 9948-9960
  • DOI: 10.1039/C5CP06062A
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantum chemical calculations with the AIM approach applied to the π-interactions between hydrogen chalcogenides and naphthalene (2016)
  • 著者名/発表者名: Satoko Hayashi, Yuji Sugibayashi and Waro Nakanishi
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 6 ページ: 49651-49660
  • DOI: 10.1039/C6RA04738F
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Intramolecular π-π Interactions in Diethanodihydronaphthalene and Derivatives: Dynamic and Static Behavior of the Interactions Elucidated by QTAIM Dual Functional Analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Kohei Matsuiwa, Satoko Hayashi, and Waro Nakanishi
  • 雑誌名: ChemistrySelect 巻: 1 ページ: 2344-2353
  • DOI: 10.1002/slct.201600429
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Behavior of Halogen Bonds of the Y-X---π Type (X, Y = F, Cl, Br, I) in Benzene π System, Elucidated by Using a Quantum Theory of Atoms in Molecules Dual-Functional Analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sugibayashi, Satoko Hayashi, and Waro Nakanishi
  • 雑誌名: ChemPhysChem 巻: 17 ページ: 2579-2589
  • DOI: 10.1002/cphc.201600227
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nature of S2Se2 σ(4c-6e) at naphthalene 1,8- positions and models, elucidated by QTAIM dual functional analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Waro Nakanishi, Yutaka Tsubomoto and Satoko Hayashi
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 6 ページ: 93195-93204
  • DOI: 10.1039/c6ra17767k
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] QTAIM２元関数解析法の新展開：コンプライアンスフォースコンスタント由来の内部振動座標を用いた摂動構造の適用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中西和郎・林 聡子
  • 学会等名: 第43回有機典型元素化学討論会
  • 発表場所: 仙台市民会館 (仙台)
  • 年月日: 2016-12-08 – 2016-12-10
• [学会発表] QTAIM２元関数解析法によるナフタレン1,8-位およびそのモデルに組み込まれたS2Se2 σ(4c-6e)相互作用の解析・評価および分類 (2016)
  • 著者名/発表者名: 坪本 裕・林 聡子・中西和郎
  • 学会等名: 第43回有機典型元素化学討論会
  • 発表場所: 仙台市民会館 (仙台)
  • 年月日: 2016-12-08 – 2016-12-10
• [学会発表] Halogen Bonds of the n→σ* Type versus Conventional Hydrogen Bonds: Behavior of the XB and HB Interactions Elucidated with QTAIM-DFA (2016)
  • 著者名/発表者名: Satoko Hayashi, Yuji Sugibayashi, and Waro Nakanishi
  • 学会等名: 2nd International Symposium on Halogen Bonding (ISXB2)
  • 発表場所: Gothenburg (Sweden)
  • 年月日: 2016-06-06 – 2016-06-10
  • 国際学会
• [学会発表] Behavior of Extended Hypervalent σ(4c-6e) Interactions Containing Halogen Atoms, Elucidated with QTAIM Dual Functional Analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Waro Nakanishi, Satoko Hayashi, and Yutaka Tsubomoto
  • 学会等名: 2nd International Symposium on Halogen Bonding (ISXB2)
  • 発表場所: Gothenburg (Sweden)
  • 年月日: 2016-06-06 – 2016-06-10
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis and Structure of Hexacoordinated Chalcogenonium Salts Bearing 2-Phenylpyridine Ligands (2016)
  • 著者名/発表者名: Akihisa Ooizumi, Masato Sakabe, Koh Funahashi, Yosuke Takeuchi, Wataru Fujita, Yuji Sugibayashi, Satoko Hayashi, Waro Nakanishi, Soichi Sato
  • 学会等名: 13th International Conference on the Chemistry (ICCST-13)
  • 発表場所: Nagaragawa Convention Center (Gifu, Japan))
  • 年月日: 2016-05-23 – 2016-05-27
  • 国際学会
• [学会発表] Behavior of the E-E' Bonds (E, E' = S and Se) in Cystine, Glutathione, and the Derivatives, Elucidated by AIM Dual Functional Analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Tsubomoto, Satoko Hayashi, and Waro Nakanishi
  • 学会等名: 5th Workshop of Selenium and Sulfur Redox and Catalysis (WSeS-5)
  • 発表場所: Tokai University (Hiratsuka, Japan)
  • 年月日: 2016-05-11 – 2016-05-21
  • 国際学会
• [学会発表] Behavior of the E-E' Bonds (E, E’ = S, Se, and Te) in HE-*-E'H and MeE-*-E'Me', Elucidated by AIM Dual Functional Analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Satoko Hayashi and Waro Nakanishi
  • 学会等名: 5th Workshop of Selenium and Sulfur Redox and Catalysis (WSeS-5)
  • 発表場所: Tokai University (Hiratsuka, Japan)
  • 年月日: 2016-05-11 – 2016-05-21
  • 国際学会