Understanding competition of polyalcohol dehydration reactions in hot water

Chang, Y. L.*; 佐々木 岳彦*; Ribas-Ario, J.*; 町田 昌彦; 志賀 基之

Journal of Physical Chemistry B, 123(7), p.1662 - 1671, 2019/02

https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.8b11615

バイオマス由来ポリアルコールの脱水は、有機溶媒または金属触媒を使用せずに、高温水または高温炭酸水で制御可能な選択的反応の典型としてグリーンケミストリーにおいて最近注目を集めている。この研究では、酸性の高温水中での1,2,5-ペンタントリオールの競合分子内脱水反応のメカニズムを理解するために、第一原理メタダイナミクスとブルームーンアンサンブルシミュレーションに基づく自由エネルギー解析を行った。その結果、最も支配的なメカニズムは、水によるヒドロキシル基のプロトン化およびC-O結合の切断および形成が同時に起こる、プロトン支援S2型のプロセスであることがわかった。シミュレーションから見いだされた詳細なメカニズムは、どのようにして反応経路が熱水中で選択的であるか、そしてなぜ反応速度が酸性環境において加速されるかを示し、競合する多価アルコールの脱水プロセスについて実験結果の明確な説明を与える。

Nuclear quantum effects in the direct ionization process of pure helium clusters; Path-integral and ring-polymer molecular dynamics simulations on the diatomics-in-molecule potential energy surfaces

鈴木 健人*; 宮崎 貴暉*; 高柳 敏幸*; 志賀 基之

Physical Chemistry Chemical Physics, 20(41), p.26489 - 26499, 2018/11

https://doi.org/10.1039/C8CP05389H

ヘリウムクラスターの直接光イオン化に続く短時間過程について、DIMモデルに基づく経路積分分子動力学(PIMD)およびリングポリマー分子動力学(RPMD)シミュレーションで調べた。PIMDシミュレーションによって実験で得られた非対称で幅広いイオン化スペクトルが再現され、その原因はHe原子のエネルギー準位の不均一性にあることがわかった。また、RPMDシミュレーションから、高励起状態にあるイオン化ヘリウムクラスターは、非断熱的電荷移動を通じて高速電子状態緩和した後、ゆっくりと構造緩和することがわかった。

Nuclear quantum effects of light and heavy water studied by all-electron first principles path integral simulations

町田 昌彦; 加藤 孝一郎*; 志賀 基之

Journal of Chemical Physics, 148(10), p.102324_1 - 102324_11, 2018/03

AA2017-0553.pdf:4.95MB

https://doi.org/10.1063/1.5000091

水,重水,トリチウム水の液体状態における構造を第一原理経路積分分子動力学法を用いて研究した。用いた計算手法は、電子と原子核のすべてを量子力学的に取り扱うものであり、現時点で最も正確な計算手法の一つである。シミュレーションした結果は、実験とおおよそ一致しており、核量子効果により、同位体間の構造上の違いが明らかにされた。特に特筆すべき結果は、水分子内のOH共有結合中のHが隣接水分子との水素結合上の中点まで移動できる一方、重水素,トリチウムの順に中点まで行ける確率が減少するという傾向を得たことである。しかしながら、実験との完全な一致は未だ得られておらず、密度汎関数法の改良が必須であることが示唆された。また、最近の研究成果である密度汎関数に対するvan der Waals補正は液体状態における同位体効果を研究する上で必須であることが分かった。

Path integral simulations

志賀 基之

Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering (Internet), 22 Pages, 2018/00

https://doi.org/10.1016/B978-0-12-409547-2.11614-2

原子核の量子効果は水素などの軽元素を含む分子系において重要である。例えば、水素結合系における大きな零点振動およびプロトントンネリングは核量子効果に由来する。本レビュー論文では、虚時間の経路積分理論に基づいて核量子効果を考慮した経路積分分子動力学法について説明する。この方法では、複雑分子系の量子揺らぎにおいて数値的厳密解が得られる。また、その拡張であるセントロイドおよびリングポリマー分子動力学法は近似的量子動力学法である。第一原理電子状態計算と組み合わせることで、多電子・原子核系全体の量子シミュレーションが可能になる。

The Effect of dynamical fluctuations of hydration structures on the absorption spectra of oxyluciferin anions in an aqueous solution

樋山 みやび*; 志賀 基之; 古賀 信明*; 杉野 修*; 秋山 英文*; 野口 良史*

Physical Chemistry Chemical Physics, 19(15), p.10028 - 10035, 2017/04

https://doi.org/10.1039/C7CP01067B

本研究では、水溶液中のオキシルシフェリンアニオン異性体における特徴的な水和構造が電子吸収スペクトルに与える影響を検討した。第一原理分子動力学シミュレーションから得られた水和構造のカノニカルアンサンブルを用いて、室温でのケト-, エノール-およびエノラート型水性オキシルシフェリンアニオンの電子吸収スペクトルをQM/MM法で計算したところ、スペクトルシフトおよび広がりに関する実験結果をよく再現した。これは、オキシルシフェリンアニオンの分子振動とその水和構造の変動を考慮していない、静的な量子化学計算とフランク-コンドン近似に基づく従来法とは対照的な結果である。

Reverse stability of oxyluciferin isomers in aqueous solutions

野口 良史*; 樋山 みやび*; 志賀 基之; 杉野 修*; 秋山 英文*

Journal of Physical Chemistry B, 120(34), p.8776 - 8783, 2016/09

https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.6b04963

室温の水溶液中におけるオキシルシフェリンアニオンの安定性(ケト,エノール、およびエノラート異性体)を調べるため、ナノ秒スケールの大規模な第一原理分子動力学シミュレーションを行った。その結果、従来の量子化学計算とは対照的に、ケト型よりもエノール型の方がわずかに安定で、最近の幾つかの実験的結論に合致した。このシミュレーションから、ケト型が特に疎水的でと水との界面にキャビティが形成することや、疎水性が水分子数とともに減少する様子が明らかになった。このことから、安定な異性体は水和クラスターの大きさに依存するものと予想される。

A Screened automated structural search with semiempirical methods

太田 幸宏; Ruiz-Barragan, S.*; 町田 昌彦; 志賀 基之

Chemical Physics Letters, 648, p.119 - 123, 2016/03

https://doi.org/10.1016/j.cplett.2016.02.013

自動化学反応経路探索のソフトウエアGRRMと半経験的分子軌道計算法ソフトウエアMOPACのインターフェースツールの開発に成功した。このツールを使ってセルロースに対するイオンの吸着についてのテストを実施した所、計算効率は密度汎関数理論を用いたときより遥かに高速となり、複雑かつ巨大な分子に対する構造や反応経路の探索においては、極めて有効なツールとなることが分かった。

Semiclassical dynamics of electron attachment to guanine-cytosine base pair

本田 知大*; 箕島 裕介*; 横井 悠輝*; 高柳 敏幸*; 志賀 基之

Chemical Physics Letters, 625, p.174 - 178, 2015/04

https://doi.org/10.1016/j.cplett.2015.03.006

密度汎関数理論および分子動力学法により、グアニン-シトシン(G-C)塩基対への電子付着の動力学的ふるまいについて研究を行った。G-Cの負イオンのポテンシャルエネルギーは、長距離補正密度汎関数計算の情報をもとに経験的原子価結合法でモデル化した。半古典的リングポリマー分子動力学法の結果、初期において双極子束縛状態にある負イオンは、0.1ピコ秒程度で原子価束縛状態へと容易に移行した後、10ピコ秒程度でプロトン移動が起こることがわかった。一方、古典分子動力学法の結果でも同じ傾向が見られたが、反応にかかる時間はずっと遅かった。このことから、低エネルギー電子によるDNA損傷過程のダイナミクスにおいて、原子核の量子効果が重要な役割を果たしていると考えられる。

The Key role of vibrational entropy in the phase transitions of dithiazolyl-based bistable magnetic materials

Vela, S.*; Mota, F.*; Deumal, M.*; 水津 理恵*; 珠玖 良昭*; 水野 麻人*; 阿波賀 邦夫*; 志賀 基之; Novoa, J.*; Ribas-Arino, J.*

Nature Communications (Internet), 5, p.4411_1 - 4411_9, 2014/07

http://doi.org/10.1038/ncomms5411

近年、同じ熱力学的条件下で二つの安定状態を有する特性のもつ新しい有機ラジカル材料が注目を集めている。なかでも、中性のラジカルであるTTTAは室温下でヒステリシス性のスピン相転移を起こすジチアゾリル系の化合物として知られている。その機構を解明するため、第一原理分子動力学シミュレーションを行ったところ、重層構造をもったTTTA分子の単位がペアで交換する動力学が見られた。これが振動エントロピーの変化に大きな役割を果たし、相転移の引き金になっていることが明らかになった。

Multiscale enhanced path sampling based on the Onsager-Machlup action; Application to a model polymer

藤崎 弘士*; 志賀 基之; 森次 圭*; 木寺 詔紀*

Journal of Chemical Physics, 139(5), p.054117_1 - 054117_9, 2013/08

https://doi.org/10.1063/1.4817209

分子シミュレーションでは、化学反応やタンパク質の折り畳みなど、構造変化がゆっくりで稀にしか起きない現象の扱い方が議論されている。これまで様々なアプローチが提案されてきたが、本論文では、シミュレーションを効率よく実行する方法の一つを提案する。これは、マルチスケール拡張サンプリング法を一般化し、粗視化された自由度と連動させたLangevin方程式を解くことで、Onsager-Machlup作用に基づいた反応経路計算の効率化を図るものである。この手法を朝倉-大沢相互作用のポリマー模型に応用し、計算効率については遷移経路サンプリング法など従来の方法と比較した結果を報告する。