重原子系に対する量子化学的ＮＭＲ化学シフト計算手法の開発と予測法の構築

量子化学NMR化学位移计算方法的发展及重原子体系预测方法的构建

基本信息

批准号：
16J10586
负责人：
速水雅生
金额：
$ 0.83万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究課題は、重原子を含んだ化合物に対して相対論的量子化学に基づき、高精度かつ実用的なNMR化学シフト計算手法の開発と量子化学的見地に基づいた予測法の創出である。この課題を遂行するためには、高精度な核磁気遮蔽定数計算理論の開発は不可欠である。しかし、相対論的量子化学に基づく計算理論は実数で取り扱う非相対論（NR）と異なる複素数の演算が必要であり、一般的な汎用量子化学計算パッケージの拡張では対応できない。前年度は、最も高精度な2成分相対論法の一つである無限次Douglas-Kroll-Hess（IODKH）法に基づく、相対論的NMR化学シフト計算のためのプログラム基盤の構築を行った。続いて、磁気的物性計算においてゲージ原点の選び方によって非物理的に計算精度が低下するというゲージ原点依存性の問題を解決すべく、ゲージ依存原子軌道（GIAO）を用いた核磁気遮蔽定数計算理論の導出し、ゲージ原点依存性を大きく改善した計算理論を構築・実装した。しかし、完全な排除には至っておらず、本年度は完全にゲージ原点非依存な計算理論としてゲージ因子内包型ユニタリー変換（GF-UT）法の提案を行い、IODKH法と組み合わせたNMR化学シフト計算理論の開発を行った。続いて、GF-UT法をベースとしたNMR化学シフト計算アルゴリズムの高速化にむけて、1つ目に全エネルギーの微分量として定義される物性計算に不可欠な積分微分アルゴリズム、特に 2 電子積分微分の高速計算アルゴリズムの開発をと、2 つ目にユニタリー変換にかかる計算時間の削減を目的とした磁場に対する相対論効果の局所性の検討と局所性を活用した効率的なユニタリー変換法の開発を行った。さらに、実用化に向けてこれまで開発してきた NMR 化学シフト計算理論を相対論的汎用量子化学計算プログラムパッケージの一つである”RAQET”へと導入した。

本研究的目的是开发一种基于相对论量子化学的含重原子化合物的高精度且实用的核磁共振化学位移计算方法，并创建基于量子化学视角的预测方法。为了完成这项任务，有必要开发一种高精度的核磁屏蔽常数计算理论。然而，基于相对论量子化学的计算理论需要对复数进行运算，这与处理实数的非相对论理论（NR）不同，并且无法得到通用量子化学计算包的扩展支持。去年，我们基于无限阶Douglas-Kroll-Hess（IODKH）方法构建了相对论核磁共振化学位移计算的程序平台，该方法是最精确的二分量相对论方法之一。接下来，为了解决规范原点依赖问题，即根据磁特性计算中规范原点的选择方式，计算精度非物理性地降低，我们开发了一种使用规范相关原子轨道计算核磁屏蔽常数的理论（GIAO））我们推导、构建并实现了一种计算理论，极大地改善了规范原点依赖性。然而，这种情况还没有完全消除，今年我们将提出一种规范因子包含酉变换（GF-UT）方法，作为一种完全独立于规范原点的计算理论。接下来，为了加速基于GF-UT方法的NMR化学位移计算算法，第一步是改进计算物理性质所必需的积分微分算法，其定义为总能量的微分量，特别是双电子积分微分算法，其次，我们将研究磁场相对论效应的局部性，并开发一种利用局部性的高效酉变换方法，以减少计算时间。统一改造去了。此外，我们还将迄今为止为实际应用而开发的NMR化学位移计算理论引入到“RAQET”中，这是相对论通用量子化学计算程序包之一。