ONIOM法と超球面探索法を組み合わせた化学反応経路自動探索法の開発と応用

ONIOM法与超球面搜索法相结合的自动化学反应路径搜索方法的开发与应用

基本信息

批准号：
07J04984
负责人：
前田理
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Toyota Physical & Chemical Research Institute (2009)Tohoku University (2007-2008)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2009
项目状态：
已结题

项目摘要

分子やクラスターの安定平衡構造(EQ)は、ポテンシャルエネルギー表面(PES)上のエネルギー極小点に相当する。また、化学反応の遷移状態(TS)はPES上の一次鞍点で近似することができ、EQ同士はTSを経由する反応経路で結ばれている。反応や構造といった化学の様々な問題は、PES上でEQとTSを系統的に求めることによって理論解析できる。申請者らは、非調和下方歪みを追跡することによって、反応経路の系統的な自動探索が可能であることを発見した。この原理に基づき、PES上の反応経路ネットワークを直接辿って次々とEQとTSを明らかにすることのできるGlobal Reaction Route Mapping(GRRM)法を考案し、それを搭載した化学反応経路自動探索プログラムを開発した。本年度は、諸熊らがONIOM法による構造最適化計算のために開発してきたMicroiteration法と、申請者らのGRRM法を組み合わせることで、巨大分子の反応中心に関する反応経路を選択的に自動探索することを可能にした。酵素などの巨大分子では、たとえ全体が数万の原子集団から構成されていたとしても、化学結合の組み替え自体は数原子もしくは十原子程度からなる反応中心の中で起こる。Microiteration法では、反応中心とそれ以外の座標を分割し、反応中心以外の座標は、全体のエネルギーができるだけ低くなるように反応中心の動きに追随させる。それにも関らず、この方法で得られるEQおよびTSは、全ての座標を扱った場合のものと完全に一致する。本研究では、このMicroiteration法とGRRM法とを組み合わせて、化学結合の組み替えに関与する反応中心の座標変化に対応する反応経路のみを選択的に自動探索することを可能にした。これにより、巨大な系において、重要な反応中心の周囲の反応経路のみを高速探索することが可能となった。

分子或簇的稳定平衡结构（EQ）对应于势能面（PES）上的能量最小点。此外，化学反应的过渡态（TS）可以通过PES上的初级鞍点来近似，并且EQ通过穿过TS的反应路径连接。通过系统测定PES上的EQ和TS，可以对反应和结构等各种化学问题进行理论分析。申请人发现，通过跟踪非谐波向下失真，可以系统地自动搜索反应路径。基于这一原理，我们设计了一种全局反应路线图（GRRM）方法，可以通过在PES上直接追踪反应路线网络来依次揭示EQ和TS，并开发了配备该方法的自动化学反应路线搜索程序。。今年，我们将Morokuma等人开发的用于结构优化计算的ONIOM方法与申请人的GRRM方法相结合，以选择性地自动搜索与大分子反应中心相关的反应路径。在酶等大分子中，即使整体由数万个原子组成，化学键的重组本身也发生在由几个原子或大约十个原子组成的反应中心内。微迭代法将反应中心和其他坐标分开，使反应中心以外的坐标跟随反应中心的运动，使整体能量尽可能低。尽管如此，用这种方法得到的EQ和TS与处理所有坐标时得到的EQ和TS完全匹配。在本研究中，我们将微迭代法和GRRM法结合起来，使得能够选择性地、自动地仅搜索与参与化学键重组的反应中心坐标变化相对应的反应路径。这使得快速搜索大型系统中重要反应中心周围的反应路线成为可能。