2020 Fiscal Year Annual Research Report
量子化学計算による高度処理での有機微量汚染物質の反応経路解析
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19K21986
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
藤井 学 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 准教授 (30598503)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2021-03-31
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| Keywords | 量子化学計算 / 有機微量汚染物質 / 反応経路 / 変換生成物 / 水処理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水処理プロセスにおいて有機微量汚染物質の酸化分解において、変換生成物(transformation products)の種や生成メカニズムを明らかにすることは、安全管理上重要となる。本研究では、量子化学計算を活用した理論的アプローチにより、汚染物質の反応経路や変換生成物を明らかにすることを目的とする。研究二年目では、ヒドロキシラジカルによるフェノール（代表汚染物質）の酸化プロセスの中でも、特にハイドロキノンが生成される反応経路や開環反応を対象として、反応機構（反応部位と反応速度）の予測精度を検討した。３つの理論レベル（Hartree-Fock, B3LYP, M06-2X）と基底関数として6-311+G (2d,2p)/SMDを選択し、福井関数と遷移状態理論によって反応部位と速度定数の予測を行った。変換生成物生成メカニズムの予測精度は、M06-2Xを用いた計算において最も精度が高く、例えば、フェノールへのヒドロキシラジカル付加反応は、オルト位で77％、パラ位で23％の確率で生じると推測され、これはおおむね実験観察と一致していた。また、遷移状態理論を適用することで、変換生成物生成経路の速度定数を合理的に再現することができ、M06-2Xが多環式分子の反応機構（ラジカル反応や求電子反応等）の予測において精度が高いことが示唆された。一方で、反応速度定数の実験値と理論値の間に一定の差異もみられ、これは理論計算における分散効果や多参照特性（multireference property）に起因するもの、あるいは理論計算と実験で対象とする反応系の不一致などが考えられ、これは、今後の検討課題の一つと考えられる。以上より、本研究は、有機微量汚染物質の酸化処理における反応経路や変換物生成予測において、量子化学計算を用いた理論解析アプローチが有用であることを示唆する。
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