年
報
年 報

2010
2018

京都大学
福井謙一記念研究センター

は じ め にには、基礎をやれ

ノーベル賞化学者を育んだ教室」を開催し、多数の来場者を迎え2018年度の京都大学福井謙一記念研究ることができました。

センターの活動をまとめた年報をお届けしさらに 記念事業の一環として、企業研ます。本センターは、京都大学本部構内の究者のための基礎化学研修プログラム（喜北、約 1 キロの高野川沿いの静かな住宅街

多 - 福井プロジェクト）を開設しました。

に独立して位置しております。専任教員は

喜多源逸先生は、福井謙一先生が“終生の理論研究部門と総合研究部門に 1 名ずつを師”と呼び、「応用をやるなら、基礎をや持っているに過ぎませんが、センター長のれ」、「数学が得意なら化学をやれ」というほか副センター長とスーパーバイザーとし言葉で福井先生が化学の道に進むきっかけて工学研究科、理学研究科、化学研究所所を作られた方であり、また本学工学部化学属の12名の教員にご協力頂いており、この系における基礎重視の学風を築かれた方でメンバーが運営委員会を構成しています。

す。このプロジェクトは、喜多先生に源をそして優れた博士研究員に研究活動の機会

発するこの伝統を再認識し、産業への応用を与える制度を持っており、若手研究者がも見据えた基礎化学・理論化学を広く展開

国際的な雰囲気の中で日夜研究にいそしんできる技術者・研究者の育成に貢献しようでいます。福井センターフェローと呼ばれとするものです。

る博士研究員はセンターの雇用で、自分自本センターの歴史を簡単にご紹介しま身のアイデアで一定期間、自由闊達に研究す。ご承知のように故福井謙一京都大学名できる身分を保証しています。

誉教授はフロンティア軌道理論を提案した

2018年度は福井謙一先生の生誕百年にご功績により、1981年にわが国で最初のあたる大きな節目となりました。前年よりノーベル化学賞を受賞されました。福井先実施委員会を中心に準備を進め、2018年10生が京都大学ご退官後に研究を続けられ月12日には彬子女王殿下御臨席のもと、メるため、京都市と産業界などのご支援でモリアルシンポジウム及び記念式典を百周1985 年に財団法人「基礎化学研究所」が

年時計台記念館百周年記念ホールにおいて設立されました。専任研究員数名の規模で挙行しました。メモリアルシンポジウムでしたが、研究のレベルは高く、当時の研究は、福井謙一先生とノーベル化学賞を同時

員は、東京大学、名古屋大学、分子科学研受賞された米国コーネル大学のロアルド・究所の教授になるなど、理論化学分野で

ホフマン先生、筑波大学名誉教授の白川英トップクラスの研究者として活躍していま

樹先生、化学史学会前会長の古川安先生にす。この基礎化学研究所は1998年の福井先ご講演頂き、多数の参加者を迎え盛況のう

生のご逝去の後、2002年に京都大学に寄贈

ちに開催することができました。翌13日にされ、福井謙一記念研究センターとなり、は、本センターにてサテライトシンポジウ

現在に至っております。本学の部局となっムを開催しました。2018年10月 3 日～12月

た後、森島 績、中辻 博、榊 茂好、田中 功、

9 日には京都大学総合博物館にて「京都大田中 一義、赤木 和夫、田中 勝久の各先

学総合博物館2018年度企画展

生にセンター長としてご指導を頂きました。

応用をやる

―i―

本センターでは、2006年 9 月に福井謙

一義先生（京都大学名誉教授）を招聘しま一記念研究部第一のリサーチリーダーとしした。田中一義先生は導電性や磁性を有すて諸熊奎治先生を米国エモリー大学から招る有機化合物など量子機能材料に関する物

聘しました。諸熊先生は、2012年にシニア

理化学的研究において優れた多くの業績を

リサーチフェローに就任され、この年の11挙げておられ、現在は元素ブロックを有す

月には、複雑分子系の理論研究の発展に多る分子・高分子の理論化学に関する研究を大な貢献をしたとして、文化功労者の顕彰展開されています。さらに2016年には、化を受けられました。また、2015年からは学反応電子動力学の基礎理論研究においてFIFCリサーチフェローとして研究ならび著名な高塚和夫先生（東京大学名誉教授）に若手人材育成にご尽力下さいました。諸をリサーチリーダーとして招聘しました。

熊先生は理論化学・計算化学の領域で多くセンターでは非断熱電子動力学理論によるの学術的業績を挙げられるとともに、我が化学反応の解析に関する研究を推進してお国の量子化学の分野を牽引され、多数の研られます。

究者を育成されました。2009年度には福井

2018年 2 月には理論研究部門の専任教授

謙一記念研究部第二を設置し、名古屋大学

として、佐藤徹先生が着任されました。佐名誉教授（前副学長）の大峯巖先生をリ

藤徹先生は振電相互作用に関する研究、特サーチリーダーとして招聘し、研究体制をに動的ヤーンテラー効果や振電相互作用を拡大しました。大峯先生は2010年 4 月に分解析・制御する振電相互作用密度を用いた

子科学研究所長に転出され、その後任とし有機 EL 素子などの機能性分子材料の理論て、2011年 4 月に京都大学物質―細胞統合設計を行っています。佐藤徹先生の研究室

システム拠点（iCeMS）特任教授の榊茂好

は、工学研究科分子工学専攻の協力講座（分先生を研究部第二のリサーチリーダーとし子材料科学講座 量子分子科学分野）として招聘しました。榊先生は、遷移金属化合ても位置付けられ、大学院生、学部 4 回生

物や類縁化合物に関する研究で顕著な業績が配属されて、研究を進めています。10月を挙げておられ、現在は d 電子複合系の理には、リサーチダイレクターとして平尾公

論化学に関する研究を推進しておられます。

彦先生（国立研究開発法人理化学研究所計2012年にはシニアリサーチフェローと算科学研究センター上級研究員）を招聘いして永瀬茂先生（分子科学研究所名誉教授）

たしました。

を招聘しました。永瀬先生は、望む構造、

私共は、センターが若手研究者の登竜門

物性、機能を持つ分子を自在に組み立ててとなることを期待しています。実際に、セ思うように反応させる理論と計算およびコンターの博士研究員であった多くの方々が、ンピューターシミュレーションの開発にお現在、国内外の大学、研究機関で活躍していて顕著な業績を挙げられました。2015年

おられます。2016年には、化学の将来の発からは FIFC リサーチフェローとして高周展のために若⼿研究者の育成の⼤切さを説

期典型元素と遷移金属元素化学種の理論化

いておられた福井博⼠の遺志を汲み、基礎学に関する研究を進めておられます。同じ

化学・理論化学の分野で顕著な研究業績を年に、シニアリサーチフェローとして田中挙げた若⼿研究者を顕彰する「福井謙⼀奨― ii ―

励賞」を創設し、「理論化学研究に立脚し発表を行っております。研究発表のレベル

た量子干渉現象の分子エレクトロニクスへは高く、特別講演に来られた講師からも毎の展開に関する研究」に対して辻雄太先生

年高い評価を得ております。

（九州大学分子システムデバイス国際リー

さらに社会貢献活動の一環として、2011

ダー教育センター助教）に第 1 回同奨励賞

年が福井先生のノーベル化学賞受賞30周年が授与されました。第 2 回（2017年）は、「第にあたるため、これを節目として本セン

一原理波動関数理論の固体への展開 : 量子

ター玄関ロビーに先生ゆかりの文物の展示

化学と固体電子論の融合」で越智正之先生

コーナーを設置しました。コーナーでは先（大阪大学大学院理学研究科助教）に、第生が使用された机、椅子、ノーベル賞メダ

3 回（2018年）は「縮退と擬縮退の包括的ル・賞状（複製）、研究ノート・メモ、写理解に向けた新たな数理科学の開拓に関す

真などを展示し、常設展示として一般に公る研究」で春田直樹先生（東京工業大学化開しています。2018年には、前年ご逝去さ

学技術創成研究特任助教）に授与されまし

れた諸熊先生のゆかりの文物の展示コーた。また次世代を担う若手研究者の育成をナーも加わりました。
本センターは、上述のように規模は大図るため、福井センター基金も開設いたし

きくありませんが、研究活動は極めて活発ました。
本センターは、国際活動も活発で、2005です。今後も、京都大学あるいは国内外と年よりチェコおよびスロバキアと理論化の共同研究を積極的に進めて行きたいと考学・計算化学シンポジウムを定期的に開催

えております。とくに実験科学者との共同しております。2011年には国内外（主にド研究は重要であり、そのような連携研究をイツ、東欧、中国、韓国）から第一線の研さらに活発化したいと考えております。

究者を招き、
第 1 回福井センター理論化学・この年報により、本センターの活動に興計算化学国際シンポジウムを開催しました。

味をお持ち頂ければ幸甚です。そして、そこうした国際連携活動をさらに活性化する

れが共同研究の契機となり、時間をかけてという観点から、2016年 2 月に国際学術連

大きな成果に結実していくことを念願して携研究室（2016年12月に国際連携インター

います。最後になりましたが、本センター

ディシプリナリー研究推進室と改組）を設の順調な活動はひとえに工学研究科、理学置し、その運営上必要となるコーディネー

研究科、化学研究所のご協力、ご援助の賜ター役として、特定助教 1 名を配置しまし物であり、ここに心から御礼申し上げる次た。本センターは、今後も理論化学・計算第です。

化学分野におけるわが国の研究拠点の役割
2019年12月を果たし、国際連携活動を展開して行きた
いと考えております。
また、例年初冬に福井センターシンポ

京都大学福井謙一記念研究センター長ジウムを開催しており、国内外のトップク

佐ラスの研究者による特別講演、運営委員の講演、並びに京都大学内外からのポスター― iii ―

藤

啓

文

目
はじめに
Ⅰ

次

京都大学福井謙一記念研究センター長

佐

藤

啓

文………………… ⅰ

専任教員・スーパーバイザー
１．教員組織…………………………………………………………………………… １

２．教員プロフィール

Ⅱ



センター長

…………………………………………………………………… ２

副センター長スーパーバイザー



専任教員



リサーチダイレクター……………………………………………………… 18

FIFC リサーチフェロー… …………………………………………………… 19



シニアリサーチフェロー…………………………………………………… 24

リサーチリーダー

研究員………………………………………………………………… ３…………………………………………………………… ５……………………………………………………………………… 16…………………………………………………………… 25………………………………………………………………………… 26

博士研究員等１．博士研究員組織…………………………………………………………………… 27

２．日本学術振興会外国人特別研究員
３．博士研究員プロフィール
Ⅲ……………………………………………… 27………………………………………………………… 28

研究広報活動１．福井謙一博士生誕百年記念行事………………………………………………… 45

メモリアルシンポジウム…………………………………………………… 45



記念式典



祝賀会



サテライトシンポジウム



京都大学総合博物館2018年度企画展……………………………………………………………………… 45………………………………………………………………………… 46…………………………………………………… 46

福井謙一博士生誕百年記念展示…………………………………………… 47

２．福井謙一記念研究センターシンポジウム
３．セミナー……………………………………… 48…………………………………………………………………………… 49



第16回福井センターセミナー



その他のセミナー……………………………………………… 49…………………………………………………………… 50― iv ―

４．国際交流…………………………………………………………………………… 50

５．社会へのアウトリーチ活動……………………………………………………… 50

６．福井謙一奨励賞の創設及び奨励賞の授与
Ⅳ

研究業績
１．専任教員…………………………………………………………………………… 51

２．リサーチダイレクター…………………………………………………………… 60

３．FIFC リサーチフェロー… ………………………………………………………… 63

４．シニアリサーチフェロー………………………………………………………… 75

５．リサーチリーダー
６．研究員………………………………………………………………… 80……………………………………………………………………………… 85

７．博士研究員Ⅴ……………………………………… 50………………………………………………………………………… 88

資料
１．研究業績一覧

……………………………………………………………………… 157

２．共同研究者受入れ状況
３．海外渡航一覧…………………………………………………………… 162……………………………………………………………………… 162

４．福井謙一博士生誕百年記念メモリアルシンポジウム・記念式典・祝賀会（予告）ポスター…………………………………………………………………………… 163

５．福井謙一博士生誕百年記念メモリアルシンポジウム

ポスター

６．福井謙一博士生誕百年記念事業サテライトシンポジウム
７．京都大学総合博物館2018年度企画展
ポスター…………… 164

プログラム…… 165

福井謙一博士生誕百年記念展示…………………………………………………………………………… 166

８．福井謙一記念研究センターシンポジウム
９．福井センターセミナー

ポスター・プログラム …………… 168

ポスター・プログラム ………………………………… 175（本冊子は下記アドレス (URL) にて、ウェブ上でも閲覧いただけます。
http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/publication/AnnualReport2018.pdf）

―v―

Ⅰ

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

専任教員・スーパーバイザー

１．教員組織職

平成３０年度
名

議

名

備

考

センター長

田

中

勝

久

工学研究科 材料化学専攻

副センター長佐藤啓

文

工学研究科 分子工学専攻

副センター長林重彦

理学研究科 化学専攻

副センター長協氏

員

総合研究部門スーパーバイザー

理論研究部門スーパーバイザー（欠員中）

工学研究科長大嶋正裕

工学研究科 化学工学専攻

理学研究科長平野丈夫

理学研究科 生物科学専攻

化学研究所長辻井敬

亘

化学研究所 材料機能化学研究系

毅

工学研究科 高分子化学専攻

教

授

古

賀

教

授

跡

見

晴

幸

工学研究科 合成・生物化学専攻

教

授

佐

々

真

一

理学研究科 物理学・宇宙物理学専攻

教

授

山

本

潤

理学研究科 物理学・宇宙物理学専攻

教

授

渡

辺

宏

化学研究所 分子レオロジー

教

授

宇

田

哲

也

工学研究科 材料工学専攻

教

授

田

中

庸

裕

工学研究科 分子工学専攻

教

授

谷

村

吉

隆

理学研究科 化学専攻

教

授

山

本

量

一

工学研究科 化学工学専攻

教

授

高

田

彰

二

理学研究科 生物科学専攻

徹

専 任（工学研究科分子工学専攻協力講座）

総合研究部門

准 教 授

理論研究部門教

国際連携インターディシ
プリナリー研究推進室
平尾グループ
永瀬グループ
田中グループ
榊グループ
高塚グループ
榊グループ

（欠員中）

授

佐

藤

特定助教

西

本

佳

央

専

リサーチダイレクター 平

尾

公

彦

研究員：平成 30.10.1-

茂

研究員

一

義

研究員

茂

好

研究員

塚

和

夫

研究員

浦

和

夫

研究員

FIFC リサーチ
フェロー
FIFC リサーチ
フェロー
シニアリサーチ
フェロー

永

瀬

田

中

榊

リサーチリーダー 高
研 究 員

北

―1―

任

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

２．教員プロフィール


センター長

【氏名（ふりがな）】 田中 勝久 （たなか かつひさ）【職名】 教授【所属】 工学研究科 材料化学専攻・国際高等教育院【研究室】 桂キャンパス A3 クラスター 018【直通電話】 075-383-2801【FAX】 075-383-2420【電子メールアドレス】 tanaka@dipole7.kuic.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://dipole7.kuic.kyoto-u.ac.jp/【研究分野】 無機固体化学【現在の研究課題】 新規無機固体・材料の合成と磁気的・誘電的・光学的性質【研究内容キーワード】 酸化物、金属、磁気的性質、誘電的性質、光学的性質【学歴】 1984 年 3 月 京都大学工学部工業化学科卒業
1986 年 3 月 京都大学大学院工学研究科工業化学専攻修士課程修了【学位】 1991 年 3 月 京都大学工学博士【略歴】 1986 年 4 月 三重大学工学部助手
1989 年 4 月 京都大学工学部助手
1999 年 7 月 京都工芸繊維大学工芸学部助教授
2004 年 4 月 京都大学大学院工学研究科教授
2019 年 4 月 京都大学国際高等教育院教授（工学研究科併任）【所属学会】 日本セラミックス協会、日本化学会、応用物理学会、日本物理学会、粉体粉末冶金協会、日本材料学会、日本金属学会、Materials Research Society、Optical Society of America【学会活動】 日本セラミックス協会理事、粉体粉末冶金協会理事【主な著書、学術論文】 (1) T. Yajima, F. Takeiri, K. Aidzu, H. Akamatsu, K. Fujita, M. Ohkura, W. Yoshimune, S. Lei, V. Gopalan, K. Tanaka, C. M. Brown, M. A. Green, T. Yamamoto, Y.i（過去 5 年以内）
Kobayashi, and H. Kageyama, “A labile hydride strategy to synthesize heavily
nitridized BaTiO3”, Nat. Chem. 7 (2015) 1017.
(2) K. Fujita, T. Kawamoto, I. Yamada, O. Hernandez, N. Hayashi, H. Akamatsu, W.
Lafargue-Dit-Hauret, X. Rocquefelte, M. Fukuzumi, P. Manuel, A. J. Studer, C.
Knee, and K. Tanaka, “LiNbO3-type InFeO3: Room-temperature polar magnet
without second-order Jahn-Teller active ions”, Chem. Mater. 28 (2016) 6644.
(3) Y. Nakatsuka, K. Pollok, T. Wieduwilt, F. Langenhorst, M. A. Schmidt, K. Fujita,
S. Murai, K. Tanaka, and L. Wondraczek, “Giant Faraday rotation through Fe0nstates in superparamagnetic FeO-SiO2 vitreous films”, Adv. Sci. (2017) 1600299.
(4) T. Sawai, Y. Yamaguchi, N. Kitamura, T. Date, S. Konishi, K. Taga, and K. Tanaka, “Pulse-based electron spin transient nutation measurement of BaTiO3 fineparticle: Identification of controversial signal around g=2.00”, Appl. Phys. Lett.
112 (2018) 202902.
(5) S. Yoshida, H. Akamatsu, R. Tsuji, O. Hernandez, H. Padmanabhan, A.
S. Gupta, A. Gibbs, K. Mibu, S. Murai, J. M. Rondinelli, V. Gopalan, K.
Tanaka, and K. Fujita, “Hybrid improper ferroelectricity in (Sr,Ca)3Sn2O7 and beyond: universal relationship between ferroelectric transition temperature and tolerance factor in n = 2 Ruddlesden−Popper
phases”, J. Am. Chem. Soc. 140 (2018) 15690.
(6) R. Kamakura, S. Murai, Y. Yokobayashi, K. Takashima, M. Kuramoto,K. Fujita, and K. Tanaka, “Enhanced photoluminescence and directional white light generation by plasmonic array”, J. Appl. Phys. 124(2018) 213105.
(7) H. Akamatsu, K. Fujita, T. Kuge, A. S. Gupta, J., M Rondinelli, I.
Tanaka, K. Tanaka, and V. Gopalan, “Unexpected A-site cation size
effect on oxygen octahedral rotations in acentric Ruddlesden-Popper
alkaline rare-earth titanates”, Phys. Rev. Mater. 3 (2019) 065001.
(8) 田中勝久 , 固体化学 第２版 , 東京化学同人 (2019).
【学術関係の受賞など】 The Australasian Ceramic Society/Ceramic Society of Japan (ACS/CJS) Joint Ceramic Award (1997 年 )、日本セラミックス協会学術賞 (2005 年 )、Award of the
Outstanding Papers Published in the JCerSJ in 2013（2013 年）
―2―

Ⅰ



専任教員・スーパーバイザー（2018）

副センター長【氏名（ふりがな）】 佐藤啓文（さとうひろふみ）【職名】 教授【所属】 工学研究科分子工学専攻【研究室】 A4 棟 026【直通電話】 075-383-2548【FAX】 075-383-2799【電子メールアドレス】 hirofumi@moleng.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://www.riron.moleng.kyoto-u.ac.jp/【研究分野】 理論化学・量子化学・統計力学【現在の研究課題】 理論化学・物理化学【研究内容キーワード】 化学反応・自己集合・溶媒和【最終学歴】 1996 年 5 月京都大学理学研究科化学専攻博士後期課程修了【学位】 1996 年 5 月京都大学博士（理学）【略歴】 1996 年 8 月 岡崎国立共同研究機構分子科学研究所助手
2002 年 5 月京都大学工学研究科講師
2004 年 5 月京都大学工学研究科助教授
2010 年 7 月京都大学工学研究科教授【在外研究歴】 2004 年 6 月 -2004 年 12 月
Madden 教授）

連合王国 Oxford 大学 PTCL 訪問研究員（Paul A.

【所属学会】 日本化学会、分子科学会、理論化学会、溶液化学研究会【学会活動】 日本化学会 理論化学・情報化学・計算化学ディビジョン幹事（2011 年 -）、同主査（2019 年 -）、日本化学会近畿支部副支部長（2019 年）
理論化学会 副会長（2019 年 -）分子科学会 幹事（2012 年 -2013 年）、運営委員（2012 年 -2016 年，2018 年 -）溶液化学研究会 運営委員（2015 年 -）【主な著書、学術論文】 1.
（過去 5 年以内）

Satoshi Takahashi, Yuya Sasaki, Shuichi Hiraoka, and Hirofumi Sato, “A stochastic model study on the self-assembly process of a Pd”, Phys. Chem. Chem. Phys.,21, 6341-6347 (2019).

2.

Yoshihiro Matsumura, Satoru Iuchi, Shuichi Hiraoka, and Hirofumi Sato, “Chiraleffects on the final step of an octahedron-shaped coordination capsule self-assembly” Phys. Chem. Chem. Phys., 20, 7383-7386 (2018).

3.

Maxim Shishkin, Shinichi Kumakura, Syuhei Sato, Kei Kubota, Shinichi Komaba, and Hirofumi Sato, “Unraveling the Role of Doping in Selective Stabilizationof NaMnO2 Polymorphs: Combined Theoretical and Experimental Study” Chem.
Materials, 30, 1257 (2018).

4.

Kento Kasahara and Hirofumi Sato, “Dynamics theory for molecular liquids
based on an interaction site model” Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 27917-27929(2017).

5.

Hirofumi Sato, “A modern solvation theory: quantum chemistry and statisticalchemistry” Phys. Chem. Chem. Phys. 15(20), 7450-7465 (2013).

【学術関係の受賞】 日本化学会・進歩賞（2002 年）
分子構造総合討論会奨励賞（2006 年）
公益信託分子科学研究奨励森野基金（2008 年）
溶液化学研究会学術賞（2009 年）―3―Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）【氏名（ふりがな）】 林

重彦 （はやししげひこ）【職名】 教授【所属】 理学研究科

化学専攻【研究室】 理学研究科 6 号館 154 号室【直通電話】 075-753-4006【FAX】 075-753-4000【電子メールアドレス】 hayashig@kuchem.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/riron/hayashig/【研究分野】 理論化学・生物物理学【現在の研究課題】 タンパク質分子機能の理論的研究【研究内容キーワード】 タンパク質機能・分子シミュレーション【学歴】 1997 年 11 月

京都大学大学院理学研究科化学専攻博士課程修了【学位】 1997 年 11 月

博士（理学）（京都大学）【略歴】 1998 年 4 月 日本学術振興会特別研究員（名古屋大学）
2000 年 4 月 米国イリ ノイ大学ベックマン研究所博士研究員
2003 年 6 月 京都大学福井謙一記念 研究センター博士研究員
2003 年 10 月 科学技術振興機構さきがけ研究員
2005 年 5 月 京都大学大学院理学研究科准教授
2013 年 7 月 同教授【所属学会】 分子科学会、生物物理学会、蛋白質科学会、日本化学会【学会活動】 日本生物物理学会理事【主な著書、学術論文】 1.
（過去 5 年以内）

An atomistic model of a precursor state of light-induced channel opening ofchannelrhodopsin. Cheng Cheng, Motoshi Kamiya, Mizuki Takemoto, Ryuichiro Ishitani, Osamu Nureki, Norio Yoshida*, and Shigehiko Hayashi*, Biophys. J.,
115, 1281-1291 (2018).

2.

Atomistic modeling of alternating access of a mitochondrial ADP/ATP membrane transporter with molecular simulations. Koichi Tamura and ShigehikoHayashi*, PLOS ONE, 12, e0181489 (2017).

3.

Photoactivation intermediates of a G-protein coupled receptor rhodopsin investigated by a hybrid molecular simulation. Motoshi Kamiya and Shigehiko Hayashi*, J. Phys. Chem. B, 121, 3842-3852 (2017).

4.

Molecular mechanism of wide photoabsorption spectral shifts of color variantsof human cellular retinol binding protein II. Cheng Cheng, Motoshi Kamiya,
Yoshihiro Uchida, Shigehiko Hayashi*, J. Am. Chem. Soc., 137, 13362-13370(2015)

5.

Atomistic design of microbial opsin-based blue-shifted optogenetics tools. Hideaki E. Kato, Motoshi Kamiya, Seiya Sugo, Jumpei Ito, Reiya Taniguchi, Ayaka
Orito, Kunio Hirata, Ayumu Inutsuka, Akihiro Yamanaka, Andres D. Maturana,
Ryuichiro Ishitani, Yuki Sudo, Shigehiko Hayashi*, and Osamu Nureki*, Nat.
Commun., 6, 7177 (2015)
―4―

Ⅰ



専任教員・スーパーバイザー（2018）

スーパーバイザー【氏名（ふりがな）】 古賀

毅 （こが

つよし）

【職名】 教授【所属】 工学研究科【研究室】 桂キャンパス

高分子化学専攻
A3 棟 115 号室【直通電話】 075-383-2705【FAX】 075-383-2706【電子メールアドレス】 tkoga@phys.polym.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://www.phys.polym.kyoto-u.ac.jp【研究分野】 高分子系の統計力学・計算科学【現在の研究課題】 高分子系の構造形成とダイナミクス【研究内容キーワード】 高分子・ゲル・レオロジー【学歴】 1993 年 3 月九州大学大学院理学研究科物理学専攻博士後期課程修了【学位】 1993 年 3 月九州大学博士（理学）【略歴】 1993 年 4 月日本学術振興会特別研究員
1994 年 4 月新技術事業団 ERATO 橋本相分離構造プロジェクト研究員
1998 年 5 月京都大学工学研究科助手
2009 年 4 月京都大学工学研究科准教授
2012 年 8 月京都大学工学研究科教授【所属学会】 高分子学会，日本レオロジー学会，The American Chemical Society【学会活動】 2016.6-2018.5: 高分子学会理事
2014.5- 現在 : 高分子学会関西支部常任幹事【主な著書、学術論文】 1. Molecular simulation of structures and mechanical properties of nanocomposite（過去 5 年以内） networks consisting of disk-shaped particles and polymers, T. Furuya, T. Koga,
SOFT MATTER, 41, 8293-8305 (2018)
2. Molecular simulation of structure formation and rheological properties of mixturesof telechelic and monofunctional associating polymer, T. Furuya, T. Koga, JOURNAL OF POLYMER SCIENCE, PART B: POLYMER PHYSICS, 56, 1251-1264(2018)
3. Theoretical study of inclusion complex formation of cyclodextrin and single polymer chain, T. Furuya, T. Koga, POLYMER, 131, 193-201 (2017)
4. Physical gelation of supramolecular hydrogels cross-linked by metal-ligand interactions: Dynamic light scattering and microrheological studies, H. Ozaki, T. Indei,
T. Koga, T. Narita, POLYMER, 128, 363-372 (2017)
5. Statistical Thermodynamic Theory of Heat-Induced Gelation of Aqueous Methylated Polyrotaxane Solutions, H. Kojima, T. Koga, MACROMOLECULES, 49,
7015-7024 (2016)―5―Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）【氏名（ふりがな）】 跡見

晴幸 （あとみはるゆき）【職名】 教授【所属】 工学研究科

合成・生物化学専攻【研究室】 桂キャンパス A4 棟 217 号室【直通電話】 075-383-2777【FAX】 075-383-2778【電子メールアドレス】 atomi@sbchem.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://www.sbchem.kyoto-u.ac.jp/atomi-lab/en/【研究分野】 応用微生物学・応用生物化学、基礎ゲノム科学、生体関連化学、生物・生体工学、生物系、構造生物化学【現在の研究課題】 アーキアや極限環境微生物の代謝生理【研究内容キーワード】 微生物、微生物代謝、生合成、アーキア、極限環境微生物、ゲノム、超好熱菌、炭酸固定、遺伝子発現制御、合成生物学【最終学歴】 1992 年 3 月京都大学大学院工学研究科工業化学専攻博士課程単位認定退学【学位】 1992 年 3 月工学博士（京都大学）【略歴】 1992 年 4 月京都大学工学部工業化学科助手
1997 年 5 月京都大学大学院工学研究科合成・生物化学専攻助教授
2009 年 3 月京都大学大学院工学研究科合成・生物化学専攻教授【在外研究歴】 1994 年 4 月～ 1995 年 9 月ドイツ Stuttgart 大学

博士研究員【所属学会】 生物工学会、日本化学会、農芸化学会、ゲノム微生物学会、環境バイオテク
ノロジー学会、極限環境生物学会、生化学会、酵素工学研究会、バイオイン
ダストリー協会、分子生物学会、マリンバイオテクノロジー学会、日本アー
キ ア 研 究 会、International Society for Extremophiles、American Society for Microbiology【学会活動】 酵素工学研究会 会長、日本化学会バイオテクノロジー部会 部会長、
近畿化学協会バイオ部会 部会長、ゲノム微生物学会 評議員、環境バイオ
テクノロジー学会 理事、日本アーキア研究会 幹事、極限環境生物学会 幹事、International Society for Extremophiles President【主な著書、学術論文】 1.
（過去 5 年以内）

2.

3.
4.
5.
6.

Nagata R, Fujihashi M, Sato T, Atomi H, Miki K. “Identification of a pyrophosphate-dependent kinase and its donor selectivity determinants”, Nature
Commun. 9, 1765, (2018).
Nunoura T, Chikaraishi Y, Izaki R, Suwa T, Sato T, Harada T, Mori K, Kato
Y, Miyazaki M, Shimamura S, Yanagawa K, Shuto A, Ohkouchi N, Fujita
N, Takaki Y, Atomi H, Takai K. “A primordial and reversible TCA cycle ina facultatively chemolithoautotrophic thermophile”, Science 359, 559-563,(2018).
Zheng RC, Hachisuka SI, Tomita H, Imanaka T, Zheng YG, Nishiyama M,
Atomi H. “An ornithine ω-aminotransferase required for growth in the absence of exogenous proline in the archaeon Thermococcus kodakarensis”. J.
Biol. Chem. 293, 3625-3636, (2018).
Makino Y, Sato T, Kawamura H, Hachisuka SI, Takeno R, Imanaka T, Atomi
H. “An archaeal ADP-dependent serine kinase involved in cysteine biosynthesis and serine metabolism”, Nature Commun. 7, 13446, (2016).
Aono R, Sato T, Imanaka T, Atomi H. “A pentose bisphosphate pathway
for nucleoside degradation in Archaea”, Nature Chem. Biol. 11(5):355-360,
2015.
Watanabe S, Kawashima T, Nishitani Y, Kanai T, Wada T, Inaba K, Atomi
H, Imanaka T, Miki K. “Structural basis of a Ni acquisition cycle for [NiFe]
hydrogenase by Ni-metallochaperone HypA and its enhancer”. Proc. Natl.
Acad. Sci. USA 112(25), 7701-7706, (2015).

【学術関係の受賞】 極限環境微生物学会

研究奨励賞（2004 年）―6―Ⅰ【氏名（ふりがな）】 佐々

真一 （ささ専任教員・スーパーバイザー（2018）

しんいち）【職名】 教授【所属】 京都大学

大学院理学研究科【研究室】 理学部 5 号館

物理学宇宙物理学専攻

424 号室【直通電話】 075-753-3743【FAX】 075-753-3819【電子メールアドレス】 sasa@scphys.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://www.ton.scphys.kyoto-u.ac.jp/nonlinear/sasa/member_j.html【研究分野】 統計物理学【現在の研究課題】 マクロダイナミクスの創発【研究内容キーワード】 エントロピー、ダイナミクス、統計力学【学歴】 1991 年 3 月京都大学大学院理学研究科博士後期課程物理学第一専攻修了【学位】 1991 年 3 月理学博士 （京都大学）【略歴】 1991 年 4 月京都大学理学部助手
1994 年 8 月東京大学大学院総合文化研究科助教授
2007 年 4 月東京大学大学院総合文化研究科准教授
2009 年 4 月東京大学大学院総合研究科教授
2012 年 11 月京都大学大学院理学研究科教授【在外研究歴】 1995.9- 1996.8 米国イリノイ大学

客員研究准教授【所属学会】 日本物理学会【学会活動】 2017.4-2018.3 日本物理学会領域１１代表【主な著書、学術論文】 1.Liquid-gas transitions in steady heat conduction（過去 5 年以内） Naoko Nakagawa, Shin-ichi Sasa
Phys. Rev. Lett. 119, 260602/1-6(2017)
2. Thermodynamic entropy as a Noether invariant
S.-I. Sasa, Yuki Yokokura
Phys. Rev. Lett 116 140601/1-140601/6 （2016）
3.Replica symmetry breaking in trajectories of a driven Brownian particle
Masahiko Ueda, S.-I. Sasa
Phys. Rev. Lett 115 080605/1-080605/5 （2015）
4.Derivation of Hydrodynamics from the Hamiltonian Description of Particle Systems
S.-I. Sasa
Phys. Rev. Lett 112 100602/1-100602/5 （2014）
5. Computation of large deviation statistics via iterative
measurement-and-feedback procedure
T. Nemoto, S.-I. Sasa
Phys. Rev. Lett 112 090602/1-090602/5 （2014）―7―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）【氏名（ふりがな）】 山本

潤（やまもとじゅん）【職名】 教授【所属】 大学院理学研究科

物理学・宇宙物理学専攻【研究室】 理学研究科 5 号館 218 号室【直通電話】 075-753-3788【FAX】 075-753-3788【電子メールアドレス】 junyama@scphys.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://softmatter.scphys.kyoto-u.ac.jp/【研究分野】 ソフトマター物理学【現在の研究課題】 超界面とソフトマター【研究内容キーワード】 ダイナミクス、揺らぎ、粘弾性【学歴】 1987 年 7 月東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻博士課程中退【学位】 1990 年 6 月工学博士（東京大学）【略歴】 1987 年 8 月東京大学工学部物理工学科助手
1991 年 6 月東京大学生産技術研究所助手
1999 年 10 月 ERATO 横山液晶微界面プロジェクト GL
2005 年 8 月京都大学大学院理学研究科教授【所属学会】 日本物理学会、日本液晶学会【学会活動】 2015 年日本物理学会京都支部長、2014~2016 年日本液晶学会財務理事【主な著書、学術論文】 1) M. Saito, J. Yamamoto, R. Masuda, M. Kurokuzu, Y. Onodera, Y. Yoda, and（過去 5 年以内） M. Seto, Direct observation of interlayer molecular translational motion ina smectic phase and determination of the layer order parameter, Phys. Rev.
Res. 1 (2019), 012008(R) (6 pages).
2) K. Hata, Y. Takanishi, I. Nishiyama and J. Yamamoto, Softening of twist
elasticity in the swollen smectic C liquid crystal, Euro. Phys. Lett. 120,
56001(5P) (2017).
3)S. Bono, Y. Takanishi and J. Yamamoto, Effects of layer order on the mobility of mesogenic molecules in SmA liquid-crystalline emulsions, Europhys.
Lett., 113, 56004 (5P) (2016).
4) E. Gorecka, N. Vaupoticˇ, A. Zep, D. Pociecha, J. Yoshioka, J. Yamamoto,and H. Takezoe, A Twist-Bend Nematic (NTB)Phase of Chiral Materials, Angew. Chem. 127, (2015) 10293 –10297.
5) Y. Kimoto, A. Nishizawa, Y. Takanishi, A. Yoshizawa and J. Yamamoto,Layer modulated smectic-C phase in liquid crystals with a terminal hydroxyl
group, Phys. Rev. E, 89, 042503 (2014).

【学術関係の受賞など】 2015 年日本液晶学会業績賞―8―

Ⅰ【氏名（ふりがな）】 渡辺

宏 （わたなべ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

ひろし）【職名】 教授【所属】 京都大学化学研究所【研究室】 化学研究所本館 N542-C【直通電話】 0774-38-3135【FAX】 0774-38-3139【電子メールアドレス】 hiroshi@scl.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://rheology.minority.jp/jp/【研究分野】 分子レオロジー【現在の研究課題】 高分子ダイナミクス【研究内容キーワード】 絡み合い , 動的不均一性 , 粗視化【最終学歴】 1985. 3 月 大阪大学 理学博士
【学位】 阪大理博【略歴】 1983.4-1994.7: 大阪大学理学研究科 助手
1994.8-2002.12: 京都大学化学研究所 助教授
2003.1: 京都大学化学研究所 教授【在外研究歴】 1987.4-1989.3: 米国 Minnesota 大学化学工学科

博士研究員【所属学会】 日本レオロジー学会 ; The Society of Rheology (USA); The Korean Society of Rheology; The American Chemical Society; The American Physical Society【学会活動】 2015.5-2017.5: 日本レオロジー学会 会長
2016.8-2020.8: President, The International Committee on Rheology
2011.3- 現在 : Associate Editor of Macromolecules (ACS)【主な著書、学術論文】 S. L. Morelly, L. Palmese, H. Watanabe, and N. J. Alvarez, “Effect of Finite Extensibility（過去 5 年以内） on Nonlinear Extensional Rheology of Polymer Melts”, Macromolecules, 52, 915-922(2019).
Y. Matsumiya, H. Watanabe, Y. Masubuchi, Q. Huang, and O. Hassager, “Nonlinear
Elongational Rheology of Unentangled Polystyrene and Poly(p-tert-butyl styrene) Melts”,
Macromolecules, 51, 9710-9729 (2018).
H. Watanabe, Y. Matsumiya, and Y. Kwon, “Viscoelastic and Dielectric Relaxation of
Reptating Type-A Chains Affected by Reversible Head-to-Head Association and Dissociation”, Macromolecules, 51, 6476-6496 (2018).
S. Wu, X. Cao, Z. Zhang, Q. Chen, Y. Matsumiya, and H. Watanabe, “Molecular Designof Highly-Stretchable Ionomers”, Macromolecules, 51, 4735-4746 (2018).
K. I. S. Mongcopa, M. Tyagi, J. P. Mailoa, G. Samsonidze, B. Kozinsky, S. A. Mullin, D.
A. Gribble, H. Watanabe and N. P. Balsara, “Relationship between Segmental Dynamics
Measured by Quasi-Elastic Neutron Scattering and Conductivity in Polymer Electrolytes”, ACS Macro Lett., 7, 504-508 (2018).

―9―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

H. Watanabe, Y. Matsumiya, and Y. Kwon, “Dynamics of Rouse Chains undergoing
Head-to-Head Association and Dissociation: Difference between Dielectric and Viscoelastic Relaxation”, J. Rheol., 61, 1151-1170 (2017).
Y. Doi, A. Matsumoto, T. Inoue, T. Iwamoto, A. Takano, Y. Matsushita, Y. Takahashi, andH. Watanabe, “Re-examination of terminal relaxation behavior of high-molecular-weightring polystyrene melts”, Rheol. Acta, 56, 567-581 (2017).
O. M. Kwon, H. Watanabe, K. H. Ahn, and S. J. Lee, “Interplay between structure andproperty of graphene nanoplatelet networks formed by an electric field in a poly(lacticacid) matrix”, J. Rheol., 61, 291-303 (2017)
Y. Matsumiya, H. Watanabe, O. Urakawa, and T. Inoue, “Experimental Test for Viscoelastic Relaxation of Polyisoprene Undergoing Monofunctional Head-to-Head Association and Dissociation”, Macromolecules, 49, 7088-7095 (2016).
S. Ankiewicz, H. Orbey, H. Watanabe, H. Lentzakis, and J. Dealy, On the use of continuous relaxation spectra to characterize model polymers”, J. Rheol., 60, 1115-1120 (2016)
Y. Matsumiya and H. Watanabe , “Nonlinear Stress Relaxation of Miscible Polyisoprene/
Poly(p-tert-butyl Styrene) Blends in Pseudo-monodisperse State”, Macromolecules, 49,4544-4556 (2016).
Youngdon Kwon, Yumi Matsumiya, and Hiroshi Wtanabe, Viscoelastic and Orientational
Relaxation of Linear and Ring Rouse Chains undergoing Reversible End-Association andDissociation”, Macromolecules, 49, 3593-3607 (2016).
Y. Matsumiya, N. Rakkapao, and H. Watanabe, “Entanglement Length in Miscible Blendsof cis-Polyisoprene and Poly(p-tert-butylstyrene)”, Macromolecules, 48, 7889-7908(2015).
K. Timachova, H. Watanabe, and N. P. Balsara, “Effect of molecular weight and salt concentration on ion transport and the transference number in polymer electrolytes”, Macromolecules, 48, 7882-7888 (2015).
H. Watanabe, Y. Matsumiya , Y. Masubuchi ,O. Urakawa, and T. Inoue, “Viscoelastic
Relaxation of Rouse Chains undergoing Head-to-Head Association and Dissociation: Motional Coupling through Chemical Equilibrium”, Macromolecules, 48, 3014–3030 (2015).

【学術関係の受賞】 2008.5: 高分子学会賞
2012.5: 日本レオロジー学会賞
2015.10: Bingham Award, The Society of Rheology (USA).

― 10 ―

Ⅰ【氏名（ふりがな）】 宇田

哲也 （うだ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

てつや）【職名】 教授【所属】 大学院工学研究科

材料工学専攻【研究室】 物理系校舎６階【直通電話】 075-753-5439【FAX】 075-753-5284【電子メールアドレス】 uda.tetsuya.5e@kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 https://www.aqua.mtl.kyoto-u.ac.jp/【研究分野】 材料工学
【現在の研究課題】 固体イオニクス・金属生産工学【研究内容キーワード】 プロトン伝導性酸化物・チタン製造・資源循環【最終学歴】 1999 年 3 月東北大学大学院 工学研究科金属工学専攻博士後期課程

修了【学位】 1999 年 3 月博士（工学）（東北大学）【略歴】 1999 年 4 月東北大学素材工学研究所助手
2002 年 5 月カリフォルニア工科大学ポストドクトラルスカラー
2005 年 4 月京都大学工学研究科材料工学専攻 助手
2006 年 8 月同 助教授
2007 年 4 月同 准教授
2014 年 8 月同 教授【在外研究歴】 2002 年 5 月 -2005 年 3 月

米国カリフォルニア工科大学（Sossina M. Haile 教授）【所属学会】 資源・素材学会、日本金属学会、電気化学会、日本固体イオニクス学会【学会活動】 資源・素材学会 会報誌 編集幹事長など【主な著書、学術論文】 Thermodynamic maximum of Y doping level in Barium Zirconate in co-sintering（過去 5 年以内） with NiO,Katsuhiro Ueno, Naoyuki Hatada, Donglin Han, and Tetsuya Uda
Journal of Materials Chemistry A, 7, (2019), 7232-7241
Characteristic Microstructure Underlying the Fast Hydration-dehydration
Reation of β-La2(SO4)3:”Fine Platy Joints” with “Loose Grain Boundaries”, Kunihiko
Shizume, Naoyuki Hatada, Kazuaki Toyoura, Tetsuya Uda
Journal of Materials Chemistry A, 6, (2018), 24956-24964
The Best Composition of an Y-doped BaZrO3 Electrolyte: Selection Criteria fromTransport Properties, Microstructure,and Phase Behavior, Donglin Han and Tetsuya
Uda, Journal of Materials Chemistry A, 6, (2018), 18571-185824
Preferential Proton Conduction along Three-Dimensional Dopant Network in Yttrium-Doped Barium Zirconate:A First-Principles Study,Kazuaki Toyoura, Weijie
Meng, Donglin Han, and Tetsuya Uda,Journal of Materials Chemistry A, 6, (2018),
22721-22730
Discovery of Rapid and Reversible Water Insertion in Rare Earth Sulfates: A New
Process for Thermochemical Heat Storage,Naoyuki Hatada, Kunihiko Shizume, Tetsuya Uda, Advanced Materials, 29, (2017), 1606569【学術関係の受賞】 2014

第 10 回（平成 25 年度）日本学術振興会賞― 11 ―など

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）【氏名（ふりがな）】 田中 庸裕 （たなか つねひろ）【職名】 教授【所属】 工学研究科 分子工学専攻【研究室】 桂キャンパス A4 棟 126 号室【直通電話】 075-383-2558【FAX】 075-383-2561【電子メールアドレス】 tanakat@moleng.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://www.moleng.kyoto-u.ac.jp/~moleng_04/【研究分野】 触媒化学・固体物理化学【現在の研究課題】 固体と接触したナノ粒子・光触媒による人工光合成【研究内容キーワード】 元素戦略・ナノ粒子・X 線分光法
【学歴】 1987 年 3 月 京都大学工学研究科博士後期課程修了【学位】 1987 年 7 月 京都大学工学博士【略歴】 1987 年 10 月北海道大学理学部助手
1990 年 4 月京都大学工学部助手
1997 年 7 月京都大学工学研究科助教授
2004 年同教授【所属学会】 触媒学会，日本化学会，石油学会，アメリカ化学会，日本 XAFS 研究会，英国王立化学会【主な著書、学術論文】 1. NOx Oxidation and Storage Properties of a Ruddlesden-Popper Type Sr（過去 5 年以内） 3Fe2O7−δ Layered Perovskite Catalyst
K. Tamai, S. Hosokawa, H. Okamoto, H. Asakura, K. Teramura, T. Tanaka, ACS
Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11(30), 26985-26993.
2. In Situ Spectroscopy-guided Engineering Rhodium Single-Atom Catalysts
for CO Oxidation
M. J. Hülsey, B. Zhang, Z. Ma, H. Asakura, D. N. Do, W. Chen, T. Tanaka, P. Zhang, Z.
Wu, N. Yang, Nature Communications, 2019,10:1330.
3. Efficient Oxygen Storage Property of Sr-Fe Mixed Oxide as Automotive
Catalyst Support
K. Beppu, S. Hosokawa, H. Asakura, K. Teramura, T. Tanaka
J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 1013-1021.
4. Photocatalytic Conversion of Carbon Dioxide by A2BTa5O15 (A= Sr, Ba; B= K,
Na) Using Ammonia as an Efficient Sacrificial Reagent
Z. Huang, S. Yoshizawa, K. Teramura, H. Asakura, S. Hosokawa, T. Tanaka
ACS Sustainable Chem. Eng., 2018, 6(7), 8247-8255.
5. Catalytic Amino Acid Production from Biomass-derived Intermediates
W. Deng, Y. Wang, S. Zhang, K. M. Gupta, M. J. Hülsey, H. Asakura, L. Liu, Y. Han,
E. M. Karp, G. T. Beckham, P. J. Dyson, J. Jiang, T. Tanaka, Y. Wang, N. Yan, PNAS,
2018, 115(20), 5093-5098.
6. Dynamic Behavior of Rh Species in Rh/Al2O3 Model Catalyst during ThreeWay Catalytic Reaction: An Operando Xray Absorption Spectroscopy Study
H.Asakura, S. Hosokawa, T. Tanaka et al., J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 176-184.
7. Efficient Photocatalytic Carbon Monoxide Production from Ammonia andCarbon Dioxide by the Aid of Artificial Photosynthesis
Z. Huang, K. Teramura, H. Asakura, S. Hosokawa, T. Tanaka
Chemical Science, 2017, 8, 5797-5801.
8. Strong Metal-Support Interaction between Pt and SiO 2 Following
High-Temperature Reduction: A Catalytic Interface for Propane Dehydrogenation
L. Deng, H. Miura, T. Shishido, S. Hosokawa, K. Teramura, T. Tanaka
Chemical Communications, 2017, 53, 6937-6940.
9. Thermally Stable Single Atom Pt/m-Al2O3 for the Selective Hydrogenation
and CO Oxidation
Z. Zhang, Y. Zhu, H. Asakura, B. Zhang, J. Zhang, M. Zhou, Y. Han, T. Tanaka, A.-Q.
Wang, T. Zhang, N. Yan, Nature Communications, 2017, 8:16100.
― 12 ―

Ⅰ【氏名（ふりがな）】 谷村

吉隆 （たにむら

専任教員・スーパーバイザー（2018）

よしたか）【職名】 教授【所属】 京都大学大学院理学研究科化学専攻【研究室】 京都大学理学部 6 号館北棟 256 号室【直通電話】 075-753-4017【FAX】 075-753-4018【電子メールアドレス】 tanimura@kuchem.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://theochem.kuchem.kyoto-u.ac.jp【研究分野】 化学物理理論【現在の研究課題】 非線形光学応答【研究内容キーワード】 統計物理学【最終学歴】 1989 年 3 月【学位】 1989 年 3 月

慶應義塾大学物理学専攻博士課程修了
博士号取得 （慶応義塾大学）【略歴】 1994 年 4 月

分子科学研究所理論研究系 助教授
総合研究大学院数物化学研究科 助教授（併任）1998 年 4 月 京都大学大学院理学研究科 助教授（併任）2003 年 6 月 京都大学大学院理学研究科 教授【在外研究歴】 1989 年 6 月
1991 年 9 月

イリノイ大学・シャンペン校 ベックマン研究所・研究員
ロチェスター大学化学科 博士研究員【所属学会】 日本物理学会、日本化学会、分子科学会、アメリカ化学会、アメリカ物理学会【主な著書、学術論文】 1. Y. Tanimura, Real-Time and Imaginary-Time Quantum Hierarchal Fokker-Planck Equations, J. Chem, Phys 142, 144110 [20 pages](2015).
（過去 5 年以内）
2. H. Ito and Y. Tanimura, Simulating two-dimensional infrared-Raman and
Raman spectroscopies for intermolecular and intramolecular modes of liquidwater, J. Chem. Phys. 144 074201 [16 pages] (2016). [JCP Editors’ Picks]
3. A. Kato and Y. Tanimura, Quantum Heat Current under Non-perturbative andNon-Markovian Conditions: Applications to Heat Machines, J. Chem. Phys.
145, 224105 (2016) [JCP Editors’ Picks]
4. K. Nakamura and Y. Tanimura, Hierarchical Schrödinger Equations of Motion
for Open Quantum Dynamic, Phys. Rev. A 98, 012109 (2018)
5. Y. Iwamoto and Y. Tanimura, Linear Absorption Spectrum of a Quantum
Two-Dimensional Rotator Calculated using a Rotationally Invariant System-Bath Hamiltonian, J. Chem. Phys. 149, 084110 [8 page] (2018)【学術関係の受賞】 2002 年 分子科学研究奨励森野基金
2012 年 フンボルト賞 （ドイツ）2015 年 アメリカ物理学会フェロー― 13 ―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）【氏名（ふりがな）】 山本

量一 （やまもと

りょういち）【職名】 教授【所属】 工学研究科

化学工学専攻A 棟 118 号室【研究室】 桂キャンパス【直通電話】 075-383-2661【FAX】 075-383-2651【電子メールアドレス】 ryoichi@cheme.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://www-tph.cheme.kyoto-u.ac.jp/【研究分野】 ソフトマター / アクティブマターの計算科学【現在の研究課題】 生体組織の物理モデリング / 自己泳動する微生物のシミュレーション【研究内容キーワード】 ソフトマター、アクティブマター、シミュレーション、移動現象【最終学歴】 1992 年 3 月神戸大学大学院 工学研究科修士課程化学工学専攻修了【学位】 1996 年 3 月博士（工学）京都大学【略歴】 1994 年 9 月 神戸大学大学院自然科学研究科物質科学専攻助手
1996 年 3 月 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻助手
2000 年 1 月 同講師
2004 年 10 月 京都大学大学院工学研究科化学工学専攻助教授
2007 年 4 月 同准教授
2008 年 10 月 同教授【在外研究歴】 2000 年 9 月 -2001 年 8 月 英国ケンブリッジ大学化学教室（J-P. Hansen 教授）（文部省在外研究員（若手））【所属学会】 日本物理学会、化学工学会、分子シミュレーション研究会【学会活動】 化学工学会理事【主な著書、学術論文】 1. M. Campo, S. K. Schnyder, J. J. Molina, T. Speck and R. Yamamoto,（過去 5 年以内）
Spontaneous Spatiotemporal Ordering of Shape Oscillations Enhances Cell Migration, Soft Matter 15, 4939-4946 (2019).
2. J. J. Molina, and R. Yamamoto, Mechanosensitivity of Crawling Cells
under Periodically Stretching Substrates, Soft Matter 15, 683 (2019).
3. C. Shih, J.J. Molina, and R. Yamamoto, Field-induced dipolar attraction between like-charged colloids, Soft Matter 12, 914-924 (2018).
4. N. Oyama, K. Teshigawara, J.J. Molina, R. Yamamoto, and T. Taniguchi, Hydrodynamic synchronization of externally driven colloids, Phys.
Rev. E 97, 032611 (2018).
5. Gregory Lecrivain, Yuki Kotani, Ryoichi Yamamoto, Uwe Hampel, andTakashi Taniguchi, A diﬀuse interface model to simulate the rise of
a ﬂuid droplet across a cloud of particles, Physical Review Fluids 3,094002 (2018).
6. S. K. Schnyder, J. J. Molina, Y. Tanaka, and R. Yamamoto, Collective
motion of cells crawling on a substrate: roles of cell shape and contact
inhibition, Sci. Rep. 7, 5163 (2017).
7. J. J. Molina, K. Otomura, H. Shiba, H. Kobayashi, M. Sano, and R.
Yamamoto, Rheological evaluation of colloidal dispersions using thesmooth profile method: formulation and applications, J. Fluid Mech.
792, 590-619 (2016).
【学術関係の受賞】 2007 年 1 月 ホソカワ研究奨励賞、2002 年 12 月 分子シミュレーション研究会学術賞― 14 ―

Ⅰ【氏名（ふりがな）】 高田彰二 （たかだ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

しょうじ）【職名】 教授【所属】 理学研究科

生物科学専攻生物物理学教室【研究室】 理学部 1 号館 205 号室【直通電話】 075-753-4220【FAX】 075-753-4222【電子メールアドレス】 takada@biophys.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://theory.biophys.kyoto-u.ac.jp【研究分野】 理論生物物理学【現在の研究課題】 生体分子の構造機能についての理論およびコンピュータシミュレーション研
究【研究内容キーワード】 タンパク質フォールディング、分子モーター、遺伝子動態、生体分子モデリ
ング【最終学歴】 1991 年 9 月総合研究大学院大学数物科学研究科機能分子科学専攻博士後期課
程退学【学位】 1994 年 3 月理学博士（総合研究大学院大学）【略歴】 1991 年～ 1995 年岡崎国立共同研究機構技官（分子科学研究所）
1995 年～ 1998 年日本学術振興会研究員（イリノイ大学化学科）
1998 年～ 2001 年神戸大学理学部化学科講師
2001 年～ 2007 年同助教授
2007 年～ 2013 年京都大学理学研究科生物科学専攻生物物理教室准教授、2013 同教授。
【在外研究歴】 1995 年 5 月 -1998 年 3 月

米国イリノイ大学化学科（日本学術振興会研究員）【所属学会】 日本生物物理学会【学会活動】 日本生物物理学会副会長【主な著書、学術論文】 1.
（過去 5 年以内）
2.
3.
4.
5.
6.
7.

M. Shimizu, Y. Noguchi, Y. Sakiyama, H. Kawakami, T. Katayama*, S. Takada*, Near-atomic structural model for bacterial DNA replication initiation
complex and its functional insights, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 113・
E8021-E8030・2016
C. Tan, T. Terakawa, S. Takada*, Dynamic Coupling among Protein Binding,
Sliding, and DNA Bending Revealed by Molecular Dynamics, JACS., 138・
8512-8522・2016
S. Takada*, R. Kanada, C. Tan, T. Terakawa, W. Li, H. Kenzaki, Modeling
Structural Dynamics of Biomolecular Complexes by Coarse-Grained Molecular
Simulations, Acc. Chem. Res., 48・3026-3035・2015
W. Li, W. Wang, and S. Takada, Energy landscape views for interplays
among folding, binding, and allostery of calmodulin domain, Proc.
Nat. Acad. Sci. USA, 111: 10550-10555, 2014.
M.J.McGrath, I.F.Kuo, S.Hayashi, and S.Takada, ATP hydrolysis mechanism inkinesin studied by combined quantum-mechanical molecular-mechanical metadynamics, JACS, 103: 8908-8919, 2013.
X.Yao, N.Kimura, S.Murakami, and S.Takada, Drug Uptake Pathways of Multidrug Transporter AcrB Studied by Molecular Simulations and Site-Directed
Mutagenesis Experiments, JACS, 135: 7474-7485, 2013.
T.Terakawa, H.Kenzaki, & S.Takada, p53 searches on DNA by rotation-uncoupled sliding at C-terminal tails and restricted hopping of core domains , JACS,
134: 14555-14562, 2012.
― 15 ―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）



専任教員

【氏名（ふりがな）】 佐藤

徹 ( さとうとおる )【職名】 教授【所属】 理論研究部門【研究室】 210
【直通電話】 075-711-7849【FAX】 なし
【電子メールアドレス】 tsato@fukui.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 準備中【研究分野】 理論化学
【現在の研究課題】 振電相互作用理論、機能性分子の理論設計【研究内容キーワード】 振電相互作用 , 有機 EL, Jahn-Teller 効果【学歴】 平成 9 年 3 月 京都大学大学院工学研究科 分子工学専攻博士後期課程修了【学位】 博士 ( 工学 )【略歴】 平成 9 年４ 月日本学術振興会特別研究員 (PD)( 財団法人基礎化学研究所 )平成 10 年 1 月 京都大学大学院工学研究科分子工学専攻助手
平成 15 年 10 月 文部科学省在外研究員 ( 若手 )( ルーヴァンカトリック大学 )平成 16 年 3 月 京都大学福井謙一記念研究センター理論研究部門助教授
平成 23 年 1 月 京都大学大学院工学研究科分子工学専攻准教授
平成 30 年 2 月京都大学福井謙一記念研究センター理論研究部門教授
現在に至る【所属学会】 日本コンピュータ化学会 , 日本化学会 , フラーレン・ナノチューブ・グラ
フェン学会 , 日本物理学会 , 応用物理学会 , 有機 EL 討論会 , 化学史学会【学会活動】 Jahn-Teller Steering Committee (2009-)【主な著書、学術論文】 “Fluorescence via Reverse Intersystem Crossing from Higher Triplet States in a
（過去 5 年以内） Bisanthracene Derivative”, Tohru Sato*, Rika Hayashi, Naoki Haruta, Yong-Jin Pu,
Sci. Rep. 7 4820 1-9 (2017).
“Thermodynamical vibronic coupling constant and density: Chemical potential andvibronic coupling in reactions”, Tohru Sato*, Naoki Haruta, and Kazuyoshi Tanaka,
Chem. Phys. Lett. 652, 157-161 (2016).
“A Light-Emitting Mechanism for Organic Light-Emitting Diodes: Molecular Designfor Inverted Singlet-Triplet Structure and Symmetry-Controlled Thermally Activated
Delayed Fluorescence”, Tohru Sato*, Motoyuki Uejima, Kazuyoshi Tanaka, Hironori
Kaji, and Chihaya Adachi, J. Mater. Chem. C 3, 870-878 (2015).
“Quantum Yield in Blue-Emitting Anthracene Derivatives: Vibronic Coupling
Density and Transition Dipole Moment Density”, Motoyuki Uejima, Tohru Sato*,
Daisuke Yokoyama, Kazuyoshi Tanaka, and Jong-Wook Park, Phys. Chem. Chem.
Phys. 16, 14244-14256 (2014) .
“Jahn-Teller Instability of Icosahedral [W@Au12]—”, Tohru Sato*, Erwin Lijnen, Arnout Ceulemans, J. Chem. Theo. Comput. 10, 613-622 (2014).
【学術関係の受賞など】 2016 年度日本コンピュータ化学会学会賞
平成 23 年 3 月 欧州委員会 Erasumus Mundus Scholar― 16 ―

Ⅰ【氏名（ふりがな）】 西本

佳央 （にしもと専任教員・スーパーバイザー（2018）

よしお）【職名】 特定助教【所属】 京都大学福井謙一記念研究センター【研究室】 福井謙一記念研究センター 208【直通電話】 075-711-7894【電子メールアドレス】 nishimoto.yoshio@fukui.kyoto-u.ac.jp【研究分野】 計算化学・理論化学【現在の研究課題】 解析的エネルギー微分【研究内容キーワード】 解析的エネルギー微分【学歴】 2015 年 3 月名古屋大学大学院理学研究科博士課程（後期課程）物質理学専攻
修了【学位】 2015 年 3 月博士（理学）（名古屋大学）【略歴】 2015 年 4 月京都大学福井謙一記念研究センター・福井センターフェロー
2016 年 12 月京都大学福井謙一記念研究センター・特定助教2018 年 9 月 –2019 年 3 月関西学院大学理工学部・非常勤講師【所属学会】 日本化学会・理論化学研究会・分子科学会【主な著書、学術論文】 1.
（過去 5 年以内）

Nishimoto, Y. “Analytic first-order derivatives of partially contracted n-electron
valence state second-order perturbation theory (PC-NEVPT2)”, J. Chem. Phys.
2019, 151, 114103.

2.

Nishimoto, Y. “Time-Dependent Long-Range-Corrected Density-Functional
Tight-Binding Method Combined with the Polarizable Continuum Model”, J.
Phys. Chem. A 2019, 123, 5649–5659.

3.

Vuong, V. Q.; Nishimoto, Y.; Fedorov, D. G.; Sumpter, B. G.; Niehaus, T. A.;
Irle, S. “The Fragment Molecular Orbital Based on Long-Range Corrected Density-Functional Tight-Binding”, J. Chem. Theory Comput. 2019, 15, 3008–3020.

4.

Nishimoto, Y.; Fedorov, D. G. “Adaptive frozen orbital treatment for the fragment molecular orbital method combined with density-functional tight-binding”,
J. Chem. Phys. 2018, 148, 064115.

5.

Kitoh-Nishioka, H.; Welke, K.; Nishimoto, Y.; Fedorov, D. G.; Irle, S. “MultiScale Simulations on Charge Transport in Covalent Organic Frameworks: Including Dynamics of Transfer Integrals from FMO-DFTB/LCMO”, J. Phys.
Chem. C 2017, 121, 17712–17726.

【学術関係の受賞など】 日本学術振興会特別研究員（DC1） 2012.4–2015.3― 17 ―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

リサーチダイレクター【氏名（ふりがな）】 平尾 公彦（ひらお きみひこ）【職名】 リサーチダイレクター【所属】 福井謙一記念研究センター【研究室】 101
【直通電話】 075-711-7796【電子メールアドレス】 hirao.kimihiko.2n@kyoto-u.ac.jp【研究分野】 理論化学・計算化学【現在の研究課題】 波動関数理論、密度汎関数法【研究内容キーワード】 電子相関・相対論的分子理論・LC 汎関数【学歴】 1974 年 3 月京都大学工学研究科燃料化学専攻博士課程単位取得退学【学位】 1974 年 5 月工学博（京都大学）【略歴】 1974 年 4 月 日本学術振興会特別研究員、1974-1975 年カナダ ・ アルバータ大学博士研究員、 1975-1979 年滋賀医科大学助手、 1979-1981 年名古屋大学教養部助手、 1981-1983 年 名古屋大学教養部講師、 1983-1988 年 名古屋大学教養部助教授、 1988-1993 年 名古屋大学教養部教授、 1993-1995 年 東京大学工学部工業化学科教授、 1995-2009 年東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻
教授 （改組により）、 2009 年 3 月東京大学定年、 2009 年 4 月 -2010 年 6 月理化学研究所特任顧問、 2010 年 7 月 -2018 年 3 月理化学研究所計算科学研究機
構 ・ 機構長、 2018 年 4 月 - 理化学研究所顧問、 2018 年 10 月 - 京都大学福井謙一記念研究センターリサーチダイレクター、 現在に至る【所属学会】 日本化学会、アメリカ化学会【主な著書、学術論文】 1. The reHISS Three-Range Exchange Functional with an Optimal Variation ofHartree–Fock and Its Use in the reHISSB-D Density Functional Theory Method,（過去 5 年以内）
Bun Chan, Yukio Kawashima and Kimihiko Hirao J.Comput.Chem.(Memorial
Festschrift for Keiji Morokuma), 40, 29-38 (2019)
2. Accelerated Long-range Corrected Exchange Functional Using a Two-GaussianOperator combined with One-parameter Progressive Correlation Functional [LCBOP(2Gau)], Jong-Won Song and Kimihiko Hirao
J.Comput.Chem.(Memorial Festschrift for Keiji Morokuma), 40, 104-112 (2019)
3. Time-Dependent Density Functional Theory, T.Tsuneda and K.Hirao Theoreticaland Quantum Chemistry at the 21st Century Dawn End, Eds. T. Chakraborty and
R. Carbo (Apple Academic Press, 2017).
4. Correlation Functional in Screened-Exchange Density Functional Theory Procedures, Chan, Bun; Kawashima, Yukio; Hirao, Kimihiko, J.Comput.Chem., 38,
2307-2315 (2017)
5. Singularity Correction for Long Range Corrected Density Functional Theory with
Plane-Wave Basis Sets, Kawashima, Yukio; Hirao, Kimihiko, J.Phys.Chem. A
121, 2035–2045 (2017)
6. Assessment of Range-separated Functionals in the Presence of Implicit Solvent:Computation of Oxidation Energy, Reduction Energy and Orbital Energy, Abhijit
Boruah, Manash Protim Borpuzari,Yukio Kawashima, Kimihiko Hirao and Rahul
Kar, J.Chem.Phys., 146, 164102 (2017)
7. Best of density-functional-based methods on intermolecular interaction energies.
DeCarlos E. Taylor, János G. Ángyán, Giulia Galli, Cui Zhang, Francois Gygi,
Kimihiko Hirao, Jong Won Song, Kar Rahul, O. Anatole von Lilienfeld, RafałPodeszwa, Ireneusz W. Bulik, Thomas M. Henderson, Gustavo E. Scuseria, Julien Toulouse, Roberto Peverati, Donald G. Truhlar and Krzysztof Szalewicz, J.
Chem. Phys. 145, 124105 (2016)
8. From C60 to Infinity: Large-Scale Quantum Chemistry Calculations of the Heats
of Formation of Higher Fullerenes, Bun Chan, Yukio Kawashima, Michio Katouda, Takahito Nakajima, and Kimihiko Hirao J. Am. Chem. Soc., 138 1420–1429(2016)(Award, Fellowship)
2002 International Academy of Quantum Molecular Science (Menton, France)
2005 Chemical Society of Japan Award
2007 Fukui Medal, Asia Pacific Association of Theoretical & Computational Chemists
2008 Mukai Award 2008

― 18 ―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

FIFC リサーチフェロー【氏名（ふりがな）
】 永瀬

茂（ながせ

しげる）

【職名】 FIFC リサーチフェロー【所属】 福井謙一記念研究センター【研究室】 104 室【直通電話】 075-711-7792【FAX】 075-711-4757【電子メールアドレス】 nagase@ims.ac.jp, nagase@fukui.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/【研究分野】 理論化学・計算化学【現在の研究課題】 元素の特性とナノ構造を利用した分子開発の理論と計算【研究内容キーワード】 高周期典型元素、遷移金属、ナノカーボン、機能性分子【最終学歴】 1975 年 3 月大阪大学大学院基礎工学研究科博士課修了【学位】 1975 年 3 月工学博士（大阪大学）【略歴】 ロチェスター大学博士研究員
オハイオ州立大学博士研究員、分子科学研究所技官を経て1980 年 4 月横浜国立大学助教授
1991 年 4 月同教授
1995 年 4 月東京都立大学教授
2001 年 4 月分子科学研究所教授、総合研究大学院大学教授
2012 年 3 月同名誉教授
2012 年 4 月京都大学福井謙一記念研究センターシニアリサーチフェロー2015 年 4 月同 FIFC リサーチフェロー【所属学会】 日本化学会、理論化学会、ケイ素化学協会、アメリカ化学会【主な著書、学術論文】 1. X. Lu, L. Feng, T. Akasaka, and S. Nagase, Current Statues and Future Develop（過去 5 年以内） ments of Endohedral Metallofullerenes, Chem. Soc. Rev., 41, 7723-7760 (2012).
2. S. Nagase, Multiple Bonds between Lead Atoms and Short Bonds between Transition Metals, Pure Appl. Chem., 85, 649-659 (2013).
3. X. Lu, T. Akasaka, and S. Nagase, Carbide Cluster Metallofullerenes: Structure,
Properties, and Possible Origin, Acc. Chem. Res., 46, 1627-1635 (2013).
4. M. Yamada, T. Akasaka, and S. Nagase, Carbene Additions to Fullerenes, Chem.
Rev., 113, 7209-7264 (2013).
5. S. Nagase, Theory and Calculations of Molecules Containing Heavier Main Group
Elements and Fullerenes Encaging Transition Metals: Interplay with Experiment,
Bull. Chem. Soc. Jpn., (Award Accounts), 87, 167-195 (2014).
6. J. –D. Guo, D. J. Liptrot, S. Nagase, and P. P. Power, The Multiple Bonding in
Heavier Group 14 Element Alkene Analogues is Stabilized Mainly by Dispersion
Force Effects, Chem. Sci. 6, 6235-6244 (2015).
7. 赤阪健，山田道夫，前田優，永瀬茂，化学の要点シリーズ 17「フラーレンの化学」( 日本化学会編 )，共立出版 (2016).
8. M. Yamada, T. Alaska, and S. Nagase, Salvaging Reactive Fullerenes from Soot
by Exohedral Derivatization, Angew. Chem. Int. Ed. (Review), 57, 13394-13405(2018).
【学術関係の受賞など】

平成 23 年度文部科学大臣表彰 科学技術賞（研究部門）、2012 年度 福井メ
ダル (Asia-Pacific Association of Theoretical & Computational Chemists)、平成
24 年度日本化学会賞― 19 ―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）【氏名（ふりがな）】 田中 一義 （たなか かずよし）【職名】 FIFC リサーチフェロー【所属】 福井謙一記念研究センター【研究室】 福井謙一記念研究センター 206【直通電話】 075-711-7867【FAX】 075-781-4757【電子メールアドレス】 tanaka.kazuyoshi.4r@kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/members_ja【研究分野】 物理化学、量子化学【現在の研究課題】 元素ブロックを有する分子、高分子の理論化学【研究内容キーワード】 分子・高分子の電子物性、量子機能材料、量子統計力学【学歴】 1978 年 3 月京都大学工学研究科石油化学専攻博士課程修了【学位】 1978 年 3 月

工学博士（京都大学）【略歴】 1979 年 6 月米国エナージー・コンバージョン・デバイシズ社リサーチケミスト
1981 年 12 月京都大学工学部助手
1988 年 12 月 同 助教授
1996 年 11 月京都大学大学院工学研究科教授
2012 年 4 月京都大学福井謙一記念研究センター長併任
2015 年 4 月京都大学名誉教授ならびに京都大学福井謙一記念研究センターシニアリサーチフェロー2019 年 4 月から京都大学福井謙一記念研究センター FIFC リサーチフェロー【所属学会】 日本化学会・日本物理学会【主な著書、学術論文】 1. 統計力学入門 化学者の視点から ( 単著 , 化学同人 , 2014)（過去 5 年以内） 2. Carbon Nanotubes and Graphene ( 共編著 , Elsevier Science, 2014)
3. 元素ブロック材料の基礎と実用化のための理論化学 ,「中條善樹監修 , 元
素ブロック高分子 - 有機・無機ハイブリッド材料の新概念 -」( 共著 , シーエムシー , 2015)
4. ボール物理化学 第 2 版（上）( 監訳ならびに共訳 , 化学同人 , 2015)
5. ボール物理化学 第 2 版（下）( 監訳ならびに共訳 , 化学同人 , 2016)
6. New Polymeric Materials Based on Element-Blocks ( 共著 , Springer Singapore,2019)（以上著書）
1. スズ版グラフェン ” スタネン ” がつくられた！ ( 単著 ) 化学 , 71, No. 1,
21-26 (2016).
2. 元素ブロックの機能発現・電子化物を与える無機元素ブロック ( 共著 )セラミックス , 51, No. 11, 739-742 (2016).
3. 2016 年ノーベル賞を読み解く 物理学賞 さまざまな可能性を秘めたエ
キゾチックな状態とは？ ( 単著 ) 化学 , 71, No. 12, 24-27 (2016).
6. 化学つれづれ草 第一回 理屈っぽい化学？ ( 単著 ) 化学 72, No. 5, 55(2017).
7. 化学つれづれ草 第二回 福井研究室の日常 ( 単著 ) 化学 72, No. 6, 31(2017).
8. 化学つれづれ草 第三回 博士課程 考 ( 単著 ) 化学 72, No. 7, 29 (2017).
9. 化学つれづれ草 第四回 米国のベンチャー企業 ( 単著 ) 化学 72, No. 8,
27 (2017).
10. 化学つれづれ草 第五回 米国の研究資金事情 ( 単著 ) 化学 72, No. 9, 18(2017).
11. 化学つれづれ草 第六回 日本の大学と研究資金 ( 単著 ) 化学 72, No. 10,
29 (2017).
12. 化学つれづれ草 第七回 妄想と基礎研究資金 ( 単著 ) 化学 72, No. 11,
46 (2017).
13. 化学つれづれ草 第八回 企業と大学の研究 ( 単著 ) 化学 72, No. 12, 28(2017).
14. 化学つれづれ草 第九回 オリジナルな研究 ( 単著 ) 化学 73, No. 1, 59(2018).
― 20 ―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）15. 化学つれづれ草 第十回 理論化学と計算化学 ( 単著 ) 化学 73, No. 2, 29(2018).
16. 化学つれづれ草 第十一回 分割統治と化学 ( 単著 ) 化学 73, No. 3, 24(2018).
17. 化学つれづれ草 第十二回 論文不正 ( 単著 ) 化学 73, No. 4, 19 (2018).
18. 化学つれづれ草 第十三回 教育と研究 ( 単著 ) 化学 73, No. 5, 39(2018).
19. 化学つれづれ草 第十四回 無用の用 ( 単著 ) 化学 73, No. 6, 20 (2018).
20. 化学つれづれ草 第十五回 フロンティア軌道理論 ( 単著 ) 化学 73, No.
7, 49 (2018).
21. 化学つれづれ草 第十六回 頭がよいということ？ ( 単著 ) 化学 73, No.
8, 41 (2018).
22. 化学つれづれ草 第十七回 面白そうな研究テーマ？ ( 単著 ) 化学 73,
No. 9, 27 (2018).
23. 化学つれづれ草 第十八回 サイエンスと野暮 ( 単著 ) 化学 73, No. 10, 41(2018).
24. 化学つれづれ草 第十九回 海外留学のすゝめ ( 単著 ) 化学 73, No. 11, 40(2018).
25. 化学つれづれ草 第二十回 ロアルド・ホフマンさん（前編）( 単著 ) 化
学 73, No. 12, 37 (2018).
26. 化学つれづれ草 第二十一回 ロアルド・ホフマンさん（後編）( 単著 )化学 74, No. 1, 25 (2019).
27. 化 学 つ れ づ れ 草 第 二 十 二 回 伝 統 と 効 率 ( 単 著 ) 化 学 74, No. 2, 28(2019).
28. 化学つれづれ草 第二十三回 思い出の研究 ( 単著 ) 化学 74, No. 3, 55(2019)
29. ロアルド・ホフマン博士に聞く 分野を超えて挑み続けるには ( 単著 ) 現
代化学 No. 1, 24-27 (2019).
30. シミュレーションか理解か －量子化学分野だけにとどまらない緊張関係― Roald Hoffmann ( 訳 ) 現代化学 No. 1, 28-32 (2019)（以上和文総説）
1. Preparation of D-A Polymer with Disilanobithiophene as New Donor Component
and Application to High-voltage Bulk Heterojunction Polymer Solar Cell (J.
Ohshita, M. Nakashima, D. Tanaka, Y. Morihara, H. Fueno, and K. Tanaka) Polym.
Chem., 5, 346-349 (2014).
2. Enhancement of Fluorescence in Anthracene by Chlorination: Vibronic Coupling
and Transition Dipole Moment Density Analysis (M. Uejima, T. Sato, K. Tanaka,and H. Kaji) Chem. Phys., 430, 47-55 (2014).
3. Pseudo Jahn-Teller Origin of Distortion in [6]Cycloparaphenylene(Y. Kameoka, T. Sato, T. Koyama, K. Tanaka, and T. Kato) Chem. Phys. Lett., 598,
69-74 (2014).
4. Highly Coplanar (E)-1,2-Di(1-naphthyl)disilene Involving a Distinct CH-p
Interaction with the Perpendicularly Oriented Protecting Eind Group (M.
Kobayashi, N. Hayakawa, K. Nakabayashi, T. Matsuo, D. Hashizume, H. Fueno,
K. Tanaka, and K. Tamao) Chem. Lett., 43, 432-434 (2014).
5. A Designed Fluorescent Anthracene Derivative: Theory, Calculation, Synthesis,
and Characterization (M. Uejima, T. Sato, M. Detani, A. Wakamiya, F. Suzuki, H.
Suzuki, T. Fukushima, K. Tanaka, Y. Murata, C. Adachi, and H. Kaji) Chem. Phys.
Lett., 602, 80-83 (2014).
6. Quantum Yield in Blue-Emitting Anthracene Derivatives: Vibronic Coupling
Density and Transition Dipole Moment Density (M. Uejima, T. Sato, D.
Yokoyama, K. Tanaka, and J. –W. Park) Phys. Chem. Chem. Phys., 16, 1424414256 (2014).
7. Synthesis and Polymerization of a para-Disubstituted T8-caged HexaisobutylPOSS Monomer (T. Maegawa, Y. Irie, H. Fueno, K. Tanaka, and K. Naka) Chem.
Lett., 43, 1532-1534 (2014).
8. An Isolable Diborane(4) Compound with Terminal B-H Bonds: Structural
Characteristics and Electronic Properties (Y. Shoji, S. Kaneda, H. Fueno, K.
Tanaka, K. Tamao, D. Hashizume, and T. Matsuo) Chem. Lett., 43, 1587-1589(2014).
― 21 ―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

9. Electronic Structure of Tetraaza[1.1.1.1]o, p, o, p-Cyclophane and Its OxidizedStates (D. Sakamaki, A. Ito, T. Matsumoto, and K. Tanaka) RSC Adv., 4, 3947639483 (2014).
10. Synthesis of Conjugated Polymers Containing Gallium Atoms and Evaluation of
Conju gation through Four-Coordinate Gallium Atoms (T. Matsumoto, Y. Onishi,
K. Tanaka, H. Fueno, K. Tanaka, and Y. Chujo) Chem. Commun., 50, 1574015743 (2014).
11. Reactivity of Endohedral Metallofullerene La2@C80 in Nucleophilic andElectrophilic Attacks: Vibronic Coupling Density Approach (N. Haruta, T. Sato,and K. Tanaka) J. Org. Chem., 80, 141-147 (2014).
12. Fluorescent Triphenylamine Derivative: Theoretical Design Based on Reduced
Vibronic Coupling (Y. Kameoka, M. Uebe, A. Ito, T. Sato, and K. Tanaka) Chem.
Phys. Lett., 615, 44-49 (2015).
13. A Light-Emitting Mechanism for Organic Light-Emitting Diodes: Molecular
Design for Inverted Singlet-Triplet Structure and Symmetry-Controlled
Thermally Activated Delayed Fluorescence (T. Sato, M. Uejima, K. Tanaka, H.
Kaji, and C. Adachi) J. Mater. Chem. C, 3, 870-878 (2015).
14. Enhanced Electroluminescence from a Thermally Activated DelayedFluorescence Emitter by Suppressing Nonradiative Decay (K. Shizu, M. Uejima,
H. Nomura, T. Sato, K. Tanaka, H. Kaji, and C. Adachi) Phys. Rev. Appl., 3,014001 1-7 (2015).
15. Strategy for Designing Electron Donors for Thermally Activated Delayed
Fluorescence Emitters (K. Shizu, H. Tanaka, M. Uejima, T. Sato, K. Tanaka, H.
Kaji, and C. Adachi) J. Phys. Chem., C, 119, 1291-1297 (2015).
16. Reactivity Index for Diels-Alder Cycloadditions to Large Polycyclic Aromatic
Hydrocarbons Using Vibronic Coupling Density (N. Haruta, T. Sato, and K.
Tanaka) Tetrahedron Lett., 56, 590-594 (2015).
17. Synthesis and Characterization of Heterofluorenes Containing Four-coordinatedGroup 13 Elements: Theoretical and Experimental Analyses and Comparison of
Structures, Optical Properties and Electronic States (T. Matsumoto, K. Tanaka, K.
Tanaka, and Y. Chujo) Dalton Trans., 44, 8697-8707 (2015).
18. Luminescent Coordination Glass: Remarkable Morphological Strategy for
Assembled Eu (III) Complexes (Y. Hirai, T. Nakanishi, Y. Kitagawa, K. Fushimi,
T. Seki, H. Ito, H. Fueno, K. Tanaka, T. Satoh, and Y. Hasegawa) Inorg. Chem.,
54, 4364-4370 (2015).
19. Multiscale Simulation of Charge Transport in a Host Material, N, N’-Dicarbazole3,5-benzene (mCP), for Organic Light-Emitting Diodes (F. Suzuki, K. Shizu, H.
Kawaguchi, S. Furukawa, T. Sato, K. Tanaka, and H. Kaji) J. Mater. Chem. C, 3,
5549-5555 (2015).
20. A Triphenylamine with Two Phenoxy Radicals Having Unusual Bonding Pattersand a Closed-Shell Electronic State (D. Sakamaki, S. Yano, T. Kobashi S. Seki,
T. Kurahashi, S. Matsubara, A. Ito, and K. Tanaka) Angew. Chem. Int. Ed., 54,
8267-8270 (2015).
21. New Tris- and Pentakis-Fused Donors Containing Extended Tetrathiafulvalenes:
New Positive Electrode Materials for Reachargeable Batteries (S. Iwamoto, Y.
Inatomi, D. Ogi, S. Shibayama, Y. Murakami, M. Kato, K. Takahashi, K. Tanaka,
N. Hojo, and Y. Misaki) Beilstein J. Org. Chem., 11, 1136-1147 (2015).
22. Fluorescence Enhancement of Non-Fluorescent Triphenylamine: A Recipe to
Utilize Carborane Cluster Substituents (M. Uebe, A. Ito, Y. Kameoka, T. Sato,and K. Tanaka) Chem. Phys. Lett., 633, 190-194 (2015).
23. Highly Efficient Blue Electroluminescence Using Delayed-Fluorescence Emitterswith Large Overlap Density between Luminescent and Ground States (K. Shizu,
H. Noda, H. Tanaka, M. Taneda, M. Uejima, T. Sato, K. Tanaka, H. Kaji, and C.
Adachi) J. Phys. Chem. C, 119, 26283-26289 (2015).
24. para-Bisvinylhexaisobutyl-Substituted T8 Caged Monomer: Synthesis andHydrosilylation Polymerization (T. Maegawa, Y. Irie, H. Imoto, H. Fueno, K.
Tanaka, and K. Naka) Polym. Chem., 6, 7500-7504 (2015).
25. Coplanar Oligo(p-phenylenedisilenylene)s as Si=Si Analogues of Oligo(pphenylenevinylene)s: Evidence for Extended p-Conjugation through the CarbonSilicon p-Frameworks (L. Li, T. Matsuo, D. Hashizume, H. Fueno, K. Tanaka,
and K. Tamao) J. Am. Chem. Soc., 137, 15026-15035 (2015).

― 22 ―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

26. Isolation and Characterization of Persistent Radical Cation and Dication of
2,7-Bis(dianisylamino)pyrene (R. Kurata, K. Tanaka, and A. Ito) J. Org. Chem.,
81, 137-145 (2016).
27. (Z)-1,2-Di(1-pyrenyl)disilene: Synthesis, Structure, and Intramolecular ChargeTransfer Emission (M. Kobayashi, N. Hayakawa, T. Matsuo, B. Li, T. Fukunaga,
D. Hashizume, H. Fueno, K. Tanaka, and K. Tamao) J. Am. Chem. Soc., 138,758-761 (2016).
28. Synthesis and Characterization of 6,13-Diamino-Substituted Pentacenes (A. Ito,
M. Uebe, K. Takahashi, H. Ishikawa, D. Sakamaki, H. Sato, T. Matsumoto, andK. Tanaka) Chem. Eur. J., 22, 2165-2170 (2016).
29. O 2 -Triggered Directional Switching of Photocurrent in Self-Assembled
Monolayer Composed of Porphyrin- and Fullerene-Terminated Helical Peptides
on Gold (H. Uji, K. Tanaka, and S. Kimura) J. Phys. Chem. C, 120, 3684-3689(2016).
30. Synthesis and Magnetic Properties of Linear Two-coordinate Monomeric
Diaryliron(II) Complexes Bearing Fused-ring Bulky “Rind” Groups (S. Goda, M.
Nikai, M. Ito, D. Hashizume, K. Tamao, A. Okazawa, N. Kojima, H. Fueno, K.
Tanaka, Y. Kobayahsi, and T. Matsuo) Chem. Lett., 45, 634-636 (2016).
31. Thermodynamical Vibronic Coupling Constant and Density: Chemical Potential
and Vibronic Coupling in Reactions (T. Sato, N. Haruta, and K. Tanaka) Chem.
Phys. Lett., 652, 157-161 (2016).
3 2 . C o l o r Tu n i n g o f A l t e r n a t i n g C o n j u g a t e d P o l y m e r s C o m p o s e d o fPentaazaphenanthrene by Modulating Their Unique Electronic Structures
Involving Isolated-LUMOs (H. Watanabe, M. Hirose, K. Tanaka, K. Tanaka, and
Y. Chujo) Polym. Chem., 7, 3674-3680 (2016).
33. Arsole-Containing p-Conjugated Polymer by the Post-Element-Transformation
Technique (Y. Matsumura, M. Ishidoshiro, Y. Irie, H. Imoto, K. Naka, K. Tanaka,
S. Inagi, and I. Tomita) Angew. Chem. Int. Ed., 55, 15040-15043 (2016).
34. Radical Cation of an Oligoarylamine Having a Nitroxide Radical Substituent:
A Coexistent Molecular System of Localized and Delocalized Spins (A. Ito,
R. Kurata, Y. Noma, Y. Hirao, and K. Tanaka) J. Org. Chem., 81, 11416-11420(2016).
35. Borophosphonate Cages as Element-blocks: Ab Initio Calculation of theElectronic Structure of a Simple Borophosphonate, [HPO3BH]4, and Synthesis of
Two Novel Borophosphonate Cages with Polymerizable Groups (J. Zapico, M.
Shirai, R. Sugiura, N. Idota, H. Fueno, K. Tanaka, and Y. Sugahara) Chem. Lett.,
46, 181-184 (2017).
36. Stereoisomerization of 1,4-Dihydroarsinetetracarboxylic Acid Diimides under
Non-acidic Condition from cis- to trans-Forms (K. Naka, T. Kato, K. Abe, M.
Ishidoshiro, S. Nishiyama, S. Tanaka, H. Imoto, S. Watase, K. Matsukawa, H.
Fueno, and K. Tanaka) Heterocycles, 94, 923-937 (2017).
37. Studies of Spherically Distributed LUMO and Electron-Accepting Properties ofCaged Hexakis(germasesquioxanes) (J. Ohshita, T. Tsuchida, K. Komaguchi, K.
Yamamoto, Y. Adachi, Y. Ooyama, Y. Harima, and K. Tanaka) Organometallics,
36, 2536-2540 (2017).
38. Induced-Dipole-Directed, Cooperative Self-Assembly of a Benzotrithiophene (T.
Ikeda, H. Adachi, H. Fueno, K. Tanaka, and T. Haino) J. Org. Chem., 82, 1006210069 (2017).
39. A Stable Free Tetragermacyclobutadiene Incorporating Fused-ring Bulky EMind
Groups (K. Suzuki, Y. Numata, N. Fujita, N. Hayakawa, T. Tanikawa, D.
Hashizume, K. Tamao, H. Fueno, K. Tanaka, and T. Matsuo) Chem. Commun.,54, 2200-2203 (2018).
（以上学術論文）【学術関係の受賞など】 2002-2007 年 科学技術振興機構 (JST) の戦略的創造研究推進事業 (CREST)「精
密分子設計に基づくナノ電子デバイス構築」研究代表者
2004-2005 年 文部科学省知的クラスター創成事業「京都ナノテククラスター」のナノテク共同研究テーマ「mRNA の数理学的特異性抽出ソフトの開発と解析サービスの事業化展開」研究代表者― 23 ―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

シニアリサーチフェロー【氏名（ふりがな）】 榊 茂好（さかき しげよし）【職名】 リサーチフェロー【所属】 福井謙一記念研究センター・福井謙一記念研究部第 2【研究室】 303
【直通電話】 075-711-7907【FAX】 075-781-4757【電子メールアドレス】 sakaki.shigeyoshi.47e@st.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://www.users.iimc.kyoto-u.ac.jp/~z59354/【研究分野】 理論化学・計算化学【現在の研究課題】 遷移金属元素を含む複合電子系の構造、電子状態、反応過程の理論化学【研究内容キーワード】 電子状態・遷移金属錯体・反応解析・触媒作用・金属微粒子・無限系【学歴】 1974 年 3 月 京都大学工学研究科燃料化学専攻博士課程単位取得退学【学位】 1974 年 11 月 工学博士（京都大学）【略歴】 1975 年 4 月 熊本大学工学部助手
1982 年 1 月 同助教授
1990 年 4 月 同教授を経て2002 年 4 月より京都大学工学研究科教授
2010 年 3 月定年、現在に至る。
【所属学会】 日本化学会、触媒学会、近畿化学協会、ケイ素化学協会、錯体化学会【主な著書、学術論文】 1. How Can We Understand Au8 Cores and Entangled Ligands of Selenolate- and（過去 5 年以内） Thiolate-Protected Gold Nanoclusters Au24(ER)20 and Au20(ER)16 (E = Se, S; R =Ph, Me)? A Theoretical Study, N. Takagi, K. Ishimura, M. Matsui, R. Fukuda, T.
Matsui, T. Nakajima, M. Ehara, and S. Sakaki, J. Am. Chem. Soc., 137,
8593−8602 (2015).
2. CASPT2 study of inverse sandwich-type dinuclear 3d transition metal complexesof ethylene and dinitrogen molecules: similarities and differences in geometry,electronic structure, and spin multiplicity, M. Nakagaki and S. Sakaki, Phys.
Chem. Chem. Phys., 17, 16294-16305 (2015).
3. Theoretical Study of Hydrogenation Catalysis of Phosphorus Compound andPrediction of Catalyst with High Activity and Wide Application Scope, G. Zeng, S.
Maeda, T. Taketsugu, S. Sakaki, ACS Cat., 6, 4859-4870 (2016).
4. Catalytic Hydrogenation of Carbon Dioxide with Ammonia-Borane by
Pincer-Type Phosphorus Compounds: Theoretical Prediction, GX. Zeng, S.
Maeda, T. Taketsugu, S. Sakaki, J. Am. Chem. Soc., 138, 13481-13484 (2016).
5. Theoretical study of one-electron-oxidized salen complexes of group 7 (Mn(III),
Tc(III), and Re( III)) and group 10 metals (Ni(II), Pd(II), and Pt(II)) with the
3D-RISM-GMC-QDPT method: localized vs. delocalized ground and excitedstates in solution, S. Aono, M. Nakagaki, S. Sakaki, Phys. Chem. Chem. Phys.,
19, 16831-16849 (2017).
6. How to Control Inversion vs. Retention Transmetallation between PdII-Phenyl
and CuI-Alkyl Complexes: Theoretical Insight, H. Zheng, K. Semba, Y. Nakao,
S. Sakaki, J. Am. Chem. Soc., 139, 14065-14076 (2017).
7. A coordination strategy to realize a sextuply-bonded complex
Y. Chen, J.-ya Hasegawa, K. Yamaguchi, S. Sakaki, Phys. Chem. Chem. Phys.,2017, 19, 14947-14954.
8. Theoretical Insight into Core−Shell Prefernce for Bimetallic Pt‑M
(M = Ru, Rh, Os, and Ir) Cluster and Its Electronic Structure
J. Lu, K. Ishimura, and S. Sakaki, J. Phys. Chem. C 122, 9081−9090 (2018).
9. QM/MM Approach to Isomerization of Ruthenium(II) Sulfur Dioxide
Complex in Crystal; Comparison with Solution and Gas Phases, S. Aonoand S. Sakaki, J. Phys. Chem. C., 122, 20701−20716 (2018).
10. Theoretical Insight into Gate-Opening Adsorption Mechanism andSigmoidal Adsorption Iso therm into Porous Coordination Polymer,
J.-J. Zheng, S. Kusaka, R. Matsuda, S. Kitagawa, and S. Sakaki, J. Am.
Chem. Soc., 140, 13958−13969 (2018).
【学術関係の受賞など】 第１回分子科学会賞 (2009 年 9 月 ) 第 66 回日本化学会賞 (2014 年 3 月 )Fukui Medal (2015 年 ; from APATCC)― 24 ―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

リサーチリーダー【氏名（ふりがな）】 高塚

和夫（たかつかかずお）【職名】 リサーチリーダー【所属】 福井謙一記念研究センター【研究室】 209
【直通電話】 075-711-7902【FAX】 075-711-7902【電子メールアドレス】 kaztak@fukui.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://mns2.fukui.kyoto-u.ac.jp【研究分野】 理論化学，分子科学基礎論【現在の研究課題】 非断熱電子動力学による化学反応論，超高速励起状態化学，化学動力学理論，

多体量子動力学理論【研究内容キーワード】 化学動力学・電子波束動力学・非断熱現象の科学・レーザー化学【学歴】 1978 年 3 月

大阪大学大学院基礎工学研究科化学系専攻学位取得卒業【学位】 工学博士【略歴】 1978 年 8 月 ノースダコタ州立大学 博士研究員
1979 年 9 月 カルフォルニア工科大学博士研究員
1982 年 1 月 岡崎国立共同研究機構分子科学研究所理論研究系助手
1987 年 4 月 名古屋大学教養部助教授（名古屋大学大学院工学研究科および理学研究科を担当）
1992 年 4 月
名古屋大学大学院人間情報学研究科教授
1997 年 10 月－ 2016 年 3 月 東京大学大学院総合文化研究科教授
1998 年 4 月－ 2016 年 3 月 東京大学教授 理学系研究科化学専攻（兼担）2001 年 4 月－ 2016 年 3 月 自然科学研究機構分子科学研究所教授（兼任）2016 年 4 月－ 現職【所属学会】 日本化学会，日本物理学会，アメリカ化学会，分子科学会，理論化学会【学会活動】 計算分子科学研究拠点長（2016 年 3 月まで）．各種評価委員会委員（非公開），
Chem. Phys. 誌等編集委員【主な著書、学術論文】 論文（過去 5 年以内） 1. K. Takatsuka, “Electron wavepacket dynamics of photoionizing states”, J. Phys.
B, 47, 124038 (6pages) (2014).
2. K. Takatsuka, S. Takahashi “Towards many-dimensional real-time quantum theory for heavy particle dynamics. II. Beyond semiclassics by quantum smoothingof singularity in quantum-classical correspondence” Phys. Rev. A 89, 012109 (12pages) (2014).
3. Kazuo Takatsuka “Lorentz-like force emerging from kinematic interactions between electrons and nuclei in molecules. A quantum mechanical origin of symmetry breaking that can trigger molecular chirality.” J. Chem. Phys. 146, 084312(10 pages) (2017).
4. Kazuo Takatsuka “Theory of molecular nonadiabatic electron dynamics
in condensed phases.” J. Chem. Phys. 147, 174102 (13 pages) (2017).
5. Kentaro Yamamoto and Kazuo Takatsuka “Collision induced charge separation in ground-state water splitting dynamic” PCCP, 20, 12229 (2018)
単行本
1. Kazuo Takatsuka, Takehiro Yonehara, Kota Hanasaki, and Yasuki Arasaki“Chemical Theory beyond the Born-Oppenheimer Paradigm: Nonadiabatic Electronic and Nuclear Dynamics in Chemical Reactions”， (World Scientific, Singapore, 2014)
2. 高塚和夫，田中秀樹「分子熱統計力学」（東京大学出版会，2014）【学術関係の受賞など】 分子科学会賞（2013 年），日本化学会賞（2014 年），Mizushima-Raman Lectureship Award (2016 年 )，Fukui メダル（2019 年 )― 25 ―

Ⅰ

専任教員・スーパーバイザー（2018）

研究員【氏名（ふりがな）】 北浦

和夫 （きたうらかずお）【職名】 研究員【所属】 福井謙一記念研究センター

榊グループ【電子メールアドレス】 kazuo.kitaura@riken.jp【研究分野】 計算化学
【現在の研究課題】 巨大分子系の電子状態計算法【研究内容キーワード】 巨大分子・タンパク質・電子状態【最終学歴】 1976 年 3 月大阪市立大学理学研究科化学専攻博士課程修了【学位】 1976 年 3 月理学博士（大阪市立大学）【略歴】 1979 年 8 月 分子科学研究所理論研究系助手
1981 年 9 月 大阪市立大学理学部助手
1989 年 7 月 岡崎国立共同研究機構分子科学研究所助教授（電子計算機センター）
1993 年 4 月 大阪府立大学総合科学部教授
2001 年 7 月 産業技術総合研究所計算科学研究部門グループ長
2007 年 4 月 京都大学薬学研究科教授
2011 年 12 月 神戸大学システム情報学研究科特命教授
2016 年 4 月 京都大学福井謙一記念研究センター研究員【所属学会】 日本化学会、日本薬学会【主な著書、学術論文】 1. Tomomi Shimazaki, Kazuo Kitaura, Dmitri G. Fedorov, Takeshi Nakajima,（過去 5 年以内） “Gropup molecular orbital approarch to solve Huzinaga subsystem self-consistentfield equations”, J. Chem. Phys. 146(8) 084109(2017).
2. Dmitri G. Fedorov, Kazuo Kitaura, "Many-body expansion of the Fock matrix
in the fragment molecular orbital method", J. Chem. Phys. 147(10) 104106 (2017).
3. Abe, Yukihiro; Shoji, Mitsuo; Nishiya, Yoshiaki; Aiba, Hiroshi; Kishimoto,
Takahiro; Kitaura, Kazuo , “The reaction mechanism of sarcosine oxidase elucidated
using FMO and QM/MM methods”, PhysChemChemPhys. 19, 9811-9822 (2017).
4. Fedorov, Dmitri G.; Kitaura,Kazuo; “Pair Interaction Energy Decomposition
Analysis for Density Functional Theory and Density-Functional Tight-Binding withan Evaluation of Energy Fluctuations in Molecular Dynamics”, J. Phys. Chem. A
122, 1781-1795(2018).

― 26 ―

Ⅱ

Ⅱ

博士研究員（2018）

博士研究員等１．博士研究員組織職

平成３０年度名氏

福井センターフェロー

名

多羅間

充

輔

伊

丹

將

人

藪

中

俊

介

Schnyder, Simon Kaspar
鈴木聡

Sharma, Akhilesh Kumar

研究フェロー
福井センターフェロー

青

野

信

治

中

垣

雅

之

Lu, Jing
H30.4.1-H30.9.30
榊グループ

研究フェロー

Zhong, Ronglin
Zheng, Jiajia
Li, Wenliang
Li, Qiaozhi
H30.12.1-

福井センターフェロー
高塚グループ研究フェロー

松

崎

黎

山

本

憲太郎

新

崎

康

樹

花

崎

浩

太

２．日本学術振興会外国人特別研究員
職
佐藤徹研究室名氏

外国人特別研究員― 27 ―

名

Gonnet, LoriⅡ

博士研究員（2018）

３．博士研究員プロフィール【氏名（ふりがな）】 多羅間充輔（たらまみつすけ）【職名】 特定研究員【所属】 福井謙一記念研究センター【研究室】 208
【直通電話】 711-7863【電子メールアドレス】 tarama@fukui.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/users/tarama/index.html【研究分野】 非線形ダイナミクス、アクティブマター、ソフトマター【現在の研究課題】 バイオアクティブソフトマターのダイナミクス【研究内容キーワード】 細胞運動、アクティブマター、ダイナミクス、非線形ダイナミクス【学歴】 修士（理学）2012/3/26
博士（理学）2015/3/23

京都大学理学研究科
京都大学理学研究科【学位】 博士（理学）【略歴】 日本学術振興会 特別研究員（DC1）（2012/4/1 – 2015/3/31）
京都大学 福井謙一記念研究センター 福井センターフェロー（2015/4/12019/3/21）
理化学研究所 基礎特別研究員（2019/4/1 より）【所属学会】 日本物理学会【学会活動】 アクティブマター研究会 2016（2016 年 1 月 22-23 日）世話人
アクティブマター研究会 2017（2017 年 1 月 20-21 日）世話人
アクティブマター研究会 2018（2018 年 1 月 19-20 日）世話人
アクティブマター研究会 2019（2019 年 1 月 11-12 日）世話人【主な著書、学術論文】 T. Ohta, M. Tarama and M. Sano, “Simple model of cell crawling”, Physica D 318（過去 5 年以内） 319, 3-11 (2016).
M. Tarama and T. Ohta, “Reciprocating motion of active deformable particles”, Europhys. Lett. 114, 30002 (2016).
M. Tarama, “Swinging motion of active deformable particles in Poiseuille flow”,
Phys. Rev. E 96, 022602 (2017).
M. Tarama, “Dynamics of Deformable Active Particles under External Flow Field”, J.
Phys. Soc. Jpn. 86, 101011 (2017).
M. Tarama and R. Yamamoto, “Mechanics of cell crawling by means of force-freecyclic motion”, J. Phys. Soc. Jpn. 87, 044803 (2018).
Mitsusuke Tarama, “Nonlinear Dynamics of Active Deformable Particles” Chapter
12. of “Self-organized Motion: Physicochemical Design based on Nonlinear Dynamics” (S. Nakata, V. Pimienta, I. Lagzi, H. Kitahata, N. J. Suematsu, eds.) The Royal
Society of Chemistry e-book (2019).
【学術関係の受賞など】 Presentation Awards for Young Scientist (International Conference on Advances ofEmergent orders in Fluctuations (APEF2018))
ポスター発表 優秀賞（平成 24 年度未踏科学サマー道場、Aug. 2014）
the Richard M. Noyes Fund Fellowship (Jul. 2014)― 28 ―

Ⅱ【氏名（ふりがな）】 伊丹

將人 （いたみ博士研究員（2018）

まさと）【職名】 福井センターフェロー【所属】 福井謙一記念研究センター【研究室】 212 号室【直通電話】 075-711-7894【電子メールアドレス】 itami@fukui.kyoto-u.ac.jp【研究分野】 統計物理学【現在の研究課題】 表面での時空間平均応力ゆらぎの特異性・熱流に誘起された非平衡力【研究内容キーワード】 ゆらぐ流体力学・大偏差理論・線形応答理論【学歴】 2016 年 3 月京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻博士後期課程
修了【学位】 2016 年 3 月博士（理学）（京都大学）【略歴】 2016 年 4 月京都大学福井謙一記念研究センター福井センターフェロー【所属学会】 日本物理学会【主な著書、学術論文】 1.
（過去 5 年以内）

Masato Itami and Shin-ichi Sasa, “Singular behaviour of time-averaged stressfluctuations on surfaces” J. Stat. Mech. 2018, 123210 (2018).

2.

Masato Itami and Shin-ichi Sasa, “Universal Form of Stochastic Evolution for
Slow Variables in Equilibrium Systems” J. Stat. Phys. 167, 46–63 (2017).

3.

Masato Itami and Shin-ichi Sasa, “Derivation of Stokes’ Law from Kirkwood’s
Formula and the Green-Kubo Formula via Large Deviation Theory” J. Stat.
Phys. 161, 532–552 (2015).

4.

Masato Itami and Shin-ichi Sasa, “Nonequilibrium Statistical Mechanics for
Adiabatic Piston Problem” J. Stat. Phys. 158, 37–56 (2015).

5.

Masato Itami and Shin-ichi Sasa, “Macroscopically measurable force induced
by temperature discontinuities at solid-gas interfaces” Phys. Rev. E 89, 052106(2014).

― 29 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 藪中

俊介（やぶなかしゅんすけ）【職名】 福井センターフェロー【所属】 京都大学福井謙一記念研究センター【直通電話】 075-711【FAX】 075-781-4757【電子メールアドレス】 yabunaka@fukui.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://statphys.scphys.kyoto-u.ac.jp/~yabunaka/yabunaka/Welcome.html【研究分野】 ソフトマター物理【現在の研究課題】 選択的溶媒和効果を取り入れた電気二重層のダイナミクスの研究、アクティ

ブ流体力学【研究内容キーワード】 選択的溶媒和効果、電気二重層、アクティブマター
【学歴】 2014 年 3 月京都大学大学院理学研究科物理学宇宙物理学専攻博士後期課程修了【学位】 2014 年 3 月理学博士（京都大学）【略歴】 2012 年 4 月 JSPS Research Fellow (DC)2014 年 4 月 JSPS Research Fellow (PD)2016 年 12 月 京都大学福井謙一記念研究センターフェロー【所属学会】 日本物理学会【主な著書、学術論文】 1. “Collision between chemically-driven self-propelled drops”, Shunsuke Yabunaka（過去 5 年以内） and Natsuhiko Yoshinaga, Journal of Fluid Mechanics, November 2016, Pages 205233
2. “Structure formation due to antagonistic salts”, Akira Onuki, Shunsuke Yabunaka,
Takeaki Araki and Ryuichi Okamoto Current Opinion in Colloid & Interface Science
Volume 22, April 2016, Pages 59–64
3. “Functional renormalization group approach to noncollinear magnets”, B. Delamotte, M. Dudka, D. Mouhanna, and S. Yabunaka, Phys. Rev. B 93, 064405
4. “Electric double layer composed of an antagonistic salt in an aqueous mixture:
Local charge separation and surface phase transition”, Shunsuke Yabunaka,and Akira
Onuki, Physical review letters 119, 118001, (2017)
5. “Surprises in O (N) Models: Nonperturbative Fixed Points, Large N Limits, andMulticriticality”, Shunsuke Yabunaka and Bertrand Delamotte, Physical review letters 119, 191602 (2017)【学術関係の受賞など】 JSPS Research Fellowships for Young Scientists(DC) 2012-2014
JSPS Research Fellowships for Young Scientists(PD) 2014-2017
Journal of Chemical Physics Editors’ choice 2015
― 30 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 Simon Kaspar Schnyder【職名】 FIFC Fellow【所属】 Fukui Institute for Fundamental Chemistry【研究室】 Room 204【直通電話】 075-711-7863【電子メールアドレス】 schnyder@fukui.kyoto-u.ac.jp【研究分野】 Soft matter physics, Biophysics, Computational physics【現在の研究課題】 Structure and dynamics of cellular tissues, anomalous transport in heterogeneous me-dia【研究内容キーワード】 Cell migration, Epithelial tissues, Lorentz model, Porous media, Percolation, Anomalous diffusion【学歴】 January 2010, Diploma in Physics, University of Konstanz, Konstanz, Germany
May 2014, Doctor of Science , University of Düsseldorf, Düsseldorf, Germany【学位】 Doctor of Science from University of Düsseldorf【略歴】 Jun. 2014 – Nov. 2014, Postdoc, University of Düsseldorf
Dec. 2014 – Dec. 2016, Postdoc, Chemical Engineering, Kyoto University
Jan. 2017 – now, FIFC Fellow, Fukui Institute for Fundamental Chemistry, Kyoto
University【所属学会】 German Physical Society (DPG)【主な著書、学術論文】 1. A. L. Thorneywork, S. K. Schnyder, D. G. A. L. Aarts, J. Horbach, R. Roth, and R.
P. A. Dullens, “Structure factors in a two-dimensional binary colloidal hard sphere（過去 5 年以内） system”, Molecular Physics, 116(21-22), 3245-3257 (2018)
2. S. K. Schnyder, & J. Horbach, “Crowding of interacting fluid particles in porous
media through molecular dynamics: breakdown of universality for soft interactions”, Physical Review Letters, 120(7), 78001 (2018).
3. J. Horbach, N. H. Siboni, & S. K. Schnyder, “Anomalous transport in heterogeneous media“, The European Physical Journal Special Topics, 226(14), 3113–3128(2017).
4. S. K. Schnyder, J. J. Molina, Y. Tanaka, R. Yamamoto, “Collective motion of cells
crawling on a substrate: roles of cell shape and contact inhibition“, Scientific Reports 7, 5163 (2017).
5. S. K. Schnyder, T. O. E. Skinner, A. Thorneywork, D. G. A. L. Aarts, J. Horbach, R.
P. A. Dullens, “Dynamic heterogeneities and non-Gaussian behaviour in 2D randomly confined colloidal fluids”, Physical Review E (2017).
6. M. Heinen, S. K. Schnyder, J. F. Brady, H. Löwen, “Classical liquids in fractal
dimension”, Physical Review Letters 115, 097801 (2015).
7. S. K. Schnyder, M. Spanner, F. Höfling, T. Franosch, J. Horbach, “Rounding of thelocalization transition in model porous media”, Soft Matter 11, 701 (2015).
― 31 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 鈴木

聡 （すずきさとし）【職名】 研究員【所属】 福井謙一記念研究センター【研究室】 福井謙一記念研究センター

212 号室【直通電話】 075-711-7647【電子メールアドレス】 suzuki@fukui.kyoto-u.ac.jp【研究分野】 理論化学

計算化学

【現在の研究課題】 蛍光分子の円錐交差探索【研究内容キーワード】 励起状態、項間交差【学歴】 2014 年 3 月

九州大学理学府【学位】 2014 年 3 月

博士（理学） 九州大学

【略歴】 2014 年 4 月

福井謙一記念研究センター

化学専攻修了【所属学会】 分子科学会、理論化学研究会【主な著書、学術論文】 1.
（過去 5 年以内）

T. Tsuneda, J.-W. Song,S. Suzuki, and K. Hirao ”On Koopmans’theorem indensity functional theory” J. Chem. Phys. 133, 174101 (2010).

2.

S.Suzuki, S. Maeda, K. Morokuma
Exploration of Quenching Pathways of Multiluminescent Acenes Using the
GRRM Method with the SF-TDDFT Method
J. Phys. Chem. A, 119 pp 11479–11487 (2015)

3.

S.Sasaki, S.Suzuki, W.M.C. Sameera, K. Igawa, K. Morokuma, G. Konishi,
Highly twisted N,N-dialkylamines as a design strategy to tune simple aromatichydrocarbons as steric environment-sensitive fluorophores
J. Am. Chem. Phys., 138, 8194-8206 (2016)【学術関係の受賞など】 2012 年 9 月 Best Poster Awardsat the Annual Meeting of the Japan Society for
Molecular Science― 32 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 Akhilesh Kumar Sharma【職名】 Postdoctoral Fellow【所属】 Fukui Institute for Fundamental Chemistry【研究室】 Room No.207【直通電話】 075-711-7893【FAX】 075-781-4757【電子メールアドレス】 sharma.akhileshkumar.2x@kyoto-u.ac.jp【研究分野】 Computational Chemistry【現在の研究課題】 Mechanistic study of organic and organometalic reactions【研究内容キーワード】 DFT, AFIR, Reaction Mechanism, Stereoselectivity【学歴】 May 2006, Master of Science, Himachal Pradesh University, Shimla, India【学位】 August 2014, Ph.D., Indian Institute of Technology (IIT), Bombay, Mumbai, India【略歴】 1. Nov. 2013 – April 2014 and Sept. 2014 – Aug 2015, Research Associate, Indian
Institute of Technology (IIT), Bombay, Mumbai, India.
2. Aug. 2015 – March 2019 Postdoctoral Fellow, Fukui Institute For Fundamental
Chemistry.
【主な著書、学術論文】 1. A. K. Sharma, W. M. C. Sameera, Y. Takeda, S. Minakata, “A Computational
Study on the Mechanism and Origin of the Reigioselectivity and Stereospecific（過去 5 年以内）
ity in Pd/SIPr-Catalyzed Ring-Opening Cross-Coupling of 2-Arylaziridines with
Arylboronic Acids” ACS Catal., 9, 4582-4592 (2019).
2. Y. Takeda, T. Matsuno, A. K. Sharma, W. M. C. Sameera, S. Minakata, “Asymmetric Synthesis of β²‐Aryl Amino Acids through Pd‐Catalyzed Enantiospecificand Regioselective Ring‐Opening Suzuki‐Miyaura Arylation of Aziridine‐2‐carboxylates” Chem. Eur. J., 25, 10226-10231 (2019).
3. M. Isegawa, A. K. Sharma “CO2 reduction by a Mn electrocatalyst in the presence of a Lewis acid: a DFT study on the reaction mechanism” Sustainable Energy Fuels, 3, 1730-1738 (2019).
4. M. Isegawa, A.K. Sharma, S. Ogo, K. Morokuma, “Electron and Hydride Transfer in a Redox-Active NiFe Hydride Complex: A DFT Study” ACS Catal., 8,10419-10429 (2018).
5. Akhilesh K. Sharma, W. M. C. Sameera, Masayoshi Jin, Laksmikanta Adak,
Chiemi Okuzono, Takahiro Iwamoto, Masako Kato, Masaharu Nakamura, andKeiji Morokuma “DFT and AFIR Study on the Mechanism and the Origin of
Enantioselectivity in Iron-Catalyzed Cross-Coupling Reactions” J. Am. Chem.
Soc., 139, 16117-16125 (2017).
【学術関係の受賞など】 1. “2014 Eli Lilly and Company Asia Outstanding Thesis Award” for Best Ph.D.
Thesis.
2. “Junior and Senior Research Fellowship” from Council of Scientific & Industrial
Research (CSIR), India; (2007-2012).
― 33 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 青野

信治（あおのしんじ）【職名】 特定研究員【所属】 京都大学 福井謙一記念研究センター【研究室】 福井記念研究センター 303 号室【直通電話】 075-711-7907【電子メールアドレス】 saono@fukui.kyoto-u.ac.jp【研究分野】 溶液化学・計算化学・理論化学【現在の研究課題】 溶液中の遷移金属錯体の化学反応の理論的解析【研究内容キーワード】 3D-RISM-SCF 法、平均場 QM/MM 法、自由エネルギー解析、溶媒和構造解析、
周期的分子結晶解析【学歴】 2010 年 3 月 京都大学大学院理学研究科化学専攻博士後期課程研究指導認定
退学【学位】 2010 年 9 月 理学博士（京都大学）【略歴】 2010 年 4 月 京都大学大学院理学研究科化学専攻 研修員
2010 年 5 月 京都大学 物質 - 細胞統合システム拠点 教務補佐員
2010 年 10 月 京都大学 物質 - 細胞統合システム拠点 特定研究員
2011 年 4 月 京都大学 福井謙一記念研究センター 特定研究員
2015 年 4 月 京都大学 福井謙一記念研究センター フェロー（榊研）
2019 年 4 月 高度情報科学技術研究機構 計算技術部 研究員【所属学会】 分子科学会、理論化学会、錯体化学会【主な著書、学術論文】 1. Aono S., Nakagaki M., Kurahashi T., Fujii H., and Sakaki S., “Theoretical Studyof One-Electron Oxidized Mn(III)− and Ni(II)−Salen Complexes: Localized vs（過去 5 年以内）
Delocalized Ground and Excited States in Solution” J. Chem. Theory Comput.
10, 1062, (2014).
2. Aono S., Mori T., and Sakaki S., “3D-RISM-MP2 Approach to Hydration
Structure of Pt(II) and Pd(II) Complexes: Unusual H‑Ahead Mode vs Usual
O‑Ahead One” J. Chem. Theory Comput. 12, 1189-1206, (2016).
3. Aono S., Nakagaki M., and Sakaki S. “Theoretical Study of One-Electron
Oxidized Salen Complexes of Group 7 (Mn(III), Tc(III), and Re(III)) and Group
10 Metals (Ni(II), Pd(II), and Pt(II)) with 3D-RISM-GMC-QDPT Method:
Localized vs. Delocalized Ground and Excited States in Solution” Phys. Chem.
Chem. Phys. 19, 16831-16849, (2017).
4. Aono S. and Sakaki S. “QM/MM Approach to Isomerization of Ruthenium(II)Sulfur Dioxide Complex in Crystal; Comparison with Solution and Gas Phases”
J. Phys. Chem. C 122, 20701-20716, (2018).
5. Aono S., Seki T., Ito H., and Sakaki S. “Dependence of Absorption and Emission
Spectra on Polymorphs of Gold(I) Isocyanide Complexes: QM/MM Approach”
J. Phys. Chem. C 123, 4773−4794, (2018).
【学術関係の受賞など】 (Award, Fellowship)― 34 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 Masayuki Nakagaki【職名】 FIFC Fellow【所属】 Fukui Institute for Fundamental Chemistry【研究室】 Room 303【直通電話】 075-711-7907【電子メールアドレス】 nakagaki@fukui.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/【研究分野】 Computational Chemistry【現在の研究課題】 Electronic Structure of Inverted Sandwich Type Complexes【研究内容キーワード】 Electronic Structure of Metal Complex, Multireference Theory【学歴】 March 2005, Master of Sci., Graduate School of Science, Kyushu University
March 2009, Doctor of Sci., Graduate School of Science, Kyushu University【学位】 Doctor of Science from Kyushu University【略歴】 April 2009, Postdoctoral Fellow, Kyushu University
April 2011, FIFC Fellow, Kyoto University【所属学会】 The Chemical Society of Japan
Japan Society for Molecular Science
Japan Society of Theoretical Chemistry【主な著書、学術論文】 1. N Takagi, M Nakagaki, K. Ishimura, R Fukuda, M Ehara, and S Sakaki（過去 5 年以内） “Electronic Processes in NO Dimerization on Ag and Cu Clusters: DFTand MRMP2 Studies” J. Comput. Chem., 40, 181–190 (2019).
2. M Nakagaki, A. Baceiredo, T. Kato, and S. Sakaki “Reversible Oxidative
Addition/Reductive Elimination of a Si-H Bond with Base-Stabilized
Silylenes: A Theoretical Insight” Chem. Eur. J. 24, 11377 – 11385 (2018).
3. T. Muraoka, H. Kimura, G. Trigagema, M. Nakagaki, S. Sakaki, and K.
Ueno “Reactions of Silanone(silyl)tungsten and -molybdenum Complexes
with MesCNO, (Me2SiO)3, MeOH, and H2O: Experimental and Theoretical
Studies” Organometallics, 36, 1009−1018(2017).
4. M Nakagaki and S. Sakaki “Hetero-dinuclear complexes of 3d
metals with a bridging dinitrogen ligand: theoretical prediction of thecharacteristic features of geometry and spin multiplicity” Phys. Chem.
Chem. Phys., 18, 26365-26375 （2016）
5. M. Nakagaki and S. Sakaki “CASPT2 study of inverse sandwichtype dinuclear 3d transition metal complexes of ethylene and dinitrogenmolecules: similarities and differences in geometry, electronic structure,and spin multiplicity” Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 16294-16305(2015).
6. M. Nakagaki and S. Sakaki “CASPT2 Study of Inverse SandwichType Dinuclear Cr(I) and Fe(I) Complexes of the Dinitrogen Molecule:Significant Differences in Spin Multiplicity and Coordination Structure
between These Two Complexes” J. Phys. Chem. A, 118, 1247-1257 (2014)
7. S. Aono, M. Nakagaki, T. Kurahashi, H. Fujii, and S. Sakaki, J. Chem.
Theory Comput., 10 1062-1073 (2014)― 35 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 Jing Lu【職名】 Research Fellow【所属】 Fukui Institute for Fundamental Chemistry【研究室】 Room 303【直通電話】 075-711-7907【電子メールアドレス】 jlu@wtu.edu.cn【研究分野】 Computational Chemistry【現在の研究課題】 Theoretical study of bimetallic alloyed nanoclusters/particles【研究内容キーワード】 Bimetallic alloyed nanoclusters/particles, core-shell structure, oxygen reduction
reaction【学歴】 June 2016, Doctor of Sci., Faculty of Chemistry, Northeast Normal University, P.R.
China【学位】 Doctor of Science from Northeast Normal University【略歴】 Aug. 2016 – Sept. 2018, Postdoctoral Fellow, FIFC, Kyoto University【主な著書、学術論文】 1.
（過去 5 年以内）
2.
3.
4.
5.

Lu, J.; Ishimura, K.; Sakaki, S., Theoretical Insight into Core–Shell Preference
for Bimetallic Pt-M (M = Ru, Rh, Os, and Ir) Cluster and Its Electronic
Structure. J. Phys. Chem. C 122, 9081-9090 (2018).
Lu, J.; Zheng, Y.; Zhang, J., Computational design of benzo [1,2-b:4,5-b′]
dithiophene based thermally activated delayed fluorescent materials. Dyes andPigments 127, 189-196 (2016).
Lu, J.; Zheng, Y.; Zhang, J., Rational design of phenoxazine-based donoracceptor-donor thermally activated delayed fluorescent molecules with highperformance. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 20014-20020 (2015).
Lu, J.; Yao, Y.; Shenai, P. M.; Chen, L.; Zhao, Y., Elucidating the enhancementin optical properties of low band gap polymers by tuning the structure of alkyl
side chains. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 9541-9551 (2015).
Lu, J.; Zheng, Y.; Zhang, J., Tuning the color of thermally activated delayed
fluorescent properties for spiro-acridine derivatives by structural modificationof the acceptor fragment: a DFT study. RSC Adv. 5, 18588-18592 (2015).

― 36 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 Rong-Lin Zhong【職名】 Research Fellow【所属】 Fukui Institute for Fundamental Chemistry【研究室】 Room 303【直通電話】 075-711-7907【FAX】 075-711-7907【電子メールアドレス】 zhongrl@fukui.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 https://teachers.jlu.edu.cn/ZRL1【研究分野】 Computational Chemistry【現在の研究課題】 Theoretical Study of Complex Systems Including d-electrons【研究内容キード】 Palladium catalysis, oxidative addition, reaction mechanism【学歴】 June 2010, bachelor of Chemistry Education, Faculty of Chemistry, Northeast Normal University
June 2015, Doctor of Physical Chemistry, Institute of Functional Material Chemistry,
Faculty of Chemistry, Northeast Normal University【学位】 Doctor of Physical Chemistry from Northeast Normal University【略歴】 Oct. 2016, Lecturer, Jilin University【主な著書、学術論文】 1. Zhong, R.-L.; and Sakaki, S., J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 9854-9866.
（過去 5 年以内）
2. Zhong, R.-L.; Nagaoka, M.; Nakao, Y.; and Sakaki, S., Organometallics, 2018, 37,
3480-3487.
3. Yadav, R. M.; Nagaoka, M.; Kashihara, M.; Zhong, R.-L.; Miyazaki, T.; Sakaki, S.;
Nakao, Y. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 9423-9426.
4. R.-L. Zhong, H.-L. Xu,* Z.-R. Li* and Z.-M. Su*. Role of Excess Electrons in
Nonlinear Optical Response. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 612-619
5. Zhong, R.-L.; Zhang, M.; Xu, H-L.; and Su, Z.-M.; Chem. Sci., 2016, 7, 10281032.

― 37 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 Jia-Jia Zheng【職名】 Research Fellow【所属】 Fukui Institute for Fundamental Chemistry【研究室】 FIFC Room 301【直通電話】 075-711-7907【FAX】 075-711-7907【電子メールアドレス】 zhengjiajia1989@gmail.com【ホームページ】 http://www.kitagawa.icems.kyoto-u.ac.jp/blog/staff/zheng/【研究分野】 Computational Chemistry【現在の研究課題】 Gas Adsorption by Porous Coordination Polymers【研究内容キーワード】 Porous Coordination Polymer,【学歴】 June 2010, B. S. of Appl. Chem., School of Science, Xi’an Jiaotong University
June 2015, Doctor of Eng., School of Science, Xi’an Jiaotong University【学位】 Doctor of Engineering from Xi’an Jiaotong University【略歴】 Aug. 2015, Postdoctoral Researcher, Kyoto University
Sep. 2015, Program-Specific Assistant Professor, Kyoto University【所属学会】 Japan Society of Coordination Chemistry【主な著書、学術論文】 1.
（過去 5 年以内）
2.

3.

4.
5.

C. Gu, N. Hosono, J.-J. Zheng, Y. Sato, S. Kusaka, S. Sakaki, S. Kitagawa, “Design and Control of Gas Diffusion Process in a Nanoporous Soft Crystal”,
Science 363, 387-391 (2019).
J.-J. Zheng, S. Kusaka, R. Matsuda, S. Kitagawa, S. Sakaki, “Theoretical Insight
into Gate-Opening Adsorption Mechanism and Sigmoidal Adsorption Isotherm
into Porous Coordination Polymer”, J. Am. Chem. Soc. 140, 13985-13969(2018).
S. Sen, N. Hosono, J.-J. Zheng, S. Kusaka, R. Matsuda, S. Sakaki, S. Kitagawa,“Cooperative Bond Scission in a Soft Porous Crystal Enables Discriminatory
Gate Opening for Ethylene over Ethane”, J. Am. Chem. Soc. 139, 18313-18321(2017).
J.-J. Zheng, S. Kusaka, R. Matsuda, S. Kitagawa, S. Sakaki, “Characteristic Features of CO2 and CO Adsorptions to Paddle-Wheel-type Porous Coordination
Polymer”, J. Phys. Chem. C 121, 19129-19139 (2017).
J. Duan, M. Huguchi, J.-J. Zheng, S. Noro, I-Ya Chang, K. Hyeon-Deuk, S.
Mathew, S. Kusaka, E. Sivaniah, R. Matsuda, S. Sakaki, S. Kitagawa, “Density
Gradation of Open Metal Sites in the Mesospace of Porous Coordination Polymers” J. Am. Chem. Soc. 139, 11576-11583 (2017).
― 38 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 LI Wenliang【職名】 Research Fellow【所属】 Fukui Institute for Fundamental Chemistry【研究室】 Room 240【直通電話】 +86-13614470805【FAX】 +86-85099521【電子メールアドレス】 liwl926@nenu.edu.cn【ホームページ】 http://js.nenu.edu.cn/teacher/index.php?zgh=2012900391【研究分野】 Computational Chemistry【現在の研究課題】 Porous Materials【研究内容キーワード】 Gas adsorption, reaction in porous materials【学歴】 June 20012, Doctor of Phys Chem., Faculty of Chemistry, Northeast Normal University【学位】 Doctor of Phys Chem from Northeast Normal University【略歴】 Aug. 2018-Jan. 2019, Resear Fellow, FIFC, Kyoto University【主な著書、学術論文】 1.
（過去 5 年以内）
2.
3.
4.
5.

A Nano-Sized [MnII18] Metallamacrocycle as a Building Unit to Construct Stable Metal-Organic Frameworks: Effective Gas Adsorption
and Magnetic Properties，CHEM-EUR J，2018
Mechanistic Insight on Water and Substrate Catalyzed the Synthesisof 3-(1H-indol-3-yl)-2-(4-methoxybenzyl) isoindolin-1-one: Driving by
Noncovalent Interactions，J COMPUT CHEM，2018
Mechanistic Insights Into N-Bromosuccinimide-Promoted Synthesis of Imidazo[1,2-a]pyridine in Water: Reactivity Mediated by Substrates and Solvent，J COMPUT CHEM，2018Anionic Lanthanide Metal-Organic Frameworks: Selective Separationof Cationic Dyes, Solvatochromic Behavior, and Luminescent Sensingof Co(II) Ion，INORG CHEM，2018
Bifunctional Separator Coated with Hexachlorocyclotriphosphazene/
Reduced Graphene Oxide for Enhanced Performance of Lithium-Sulfur Batteries，CHEM-EUR J，2018― 39 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 Li Qiaozhi【職名】 Research Fellow【所属】 Fukui Institute for Fundamental Chemistry【研究室】 Room 301【直通電話】 075-711-7907【電子メールアドレス】 liqz0322@gmail.com【研究分野】 Computational Chemistry【現在の研究課題】 Coordination feature and chemical reactivity of Rh(PAlP) complex【研究内容キーワード】 Transition metal complex, Binding ability, Reaction mechanism【学歴】 07/2013 Bachelor of Science, Shanxi Normal University, China
09/2018 Doctor of Engineering, Xi’an Jiaotong University, China【学位】 Doctor of Engineering from Xi’an Jiaotong University【主な著書、学術論文】 1. Li QZ, Zheng JJ, He L, Nagase S, Zhao X. La‒La bonded dimetallofullerenes（過去 5 年以内） [La2@C2n] : species for stabilizing C2n (2n = 92~96) besides La2C2@C2n. Physical
Chemistry Chemical Physics, 2018, 20 (21): 14671-14678.
2. Li QZ, Zheng JJ, He L, Zhao X, Nagase S. Epoxy and oxidoannulene oxidation
mechanisms of fused-pentagon chlorofullerenes: oxides linked by a pirouette-typetransition state. Journal of Organic Chemistry, 2017, 82 (13): 6541-6549.
3. Li QZ, Zheng JJ, He L, Nagase S, Zhao X. Stabilization of a chlorinated#4348
C66:C2v cage by encapsulating monometal species: coordination between metaland double hexagon-condensed pentalenes. Inorganic Chemistry, 2016, 55 (15):7667-7675.
4. Li QZ, Zheng JJ, Zhao X. Bingel‒Hirsch reaction on Sc2@C66: a highly regioselective bond neighboring to unsaturated linear triquinanes. Journal of Physical
Chemistry C, 2015, 119 (46): 26196-26201.
5. Li QZ, Zheng JJ, Zhao X. Azide addition to Sc2@C66: favorable activity on unsaturated linear triquinanes and dramatic reactivity difference compared with the free
C66 cage. Physical Chemistry Chemical Physics, 2015, 17 (32): 20485-20489.

― 40 ―

Ⅱ【氏名（ふりがな）】 松崎黎（まつざき

博士研究員（2018）

れい）【職名】 データサイエンティスト【所属】 株式会社サイバーエージェント AI 事業本部

【電子メールアドレス】 matsuzaki_rei@cyberagent.co.jp【学歴】 2017 年 3 月

慶應義塾大学大学院基礎理工学専攻博士課程修了【学位】 2017 年 3 月

博士（理学）【略歴】 2015 年 4 月
2016 年 4 月
2017 年 4 月
2018 年 4 月
2019 年 1 月

慶應義塾大学助教（有期・研究奨励）
日本学術振 興会特別研究員 DC2
日本学術振興会特別研究員 PD
福井謙一記念研究センター フェロー
現職

【主な著書、学術論文】 1. R.Matsuzaki, S.Asai, C.W.McCurdy, S.Yabushita, Theoretical Chemis（過去 5 年以内） try Accounts, 133, 1521 (2014)
2. R.Matsuzaki, S.Yabushita, J.Comput.Chem. 38, 910 (2017)
3. R. Matsuzaki, S.Yabushita, J.Comput.Chem. 38, 2030 (2017)
4. R. Matsuzaki, K. Takatsuka, J. Comput. Chem. 40, 148 (2018)
5. R. Matsuzaki, K. Takatsuka, JCP 150, 014103 (2019)【学術関係の受賞など】 Journal of Physics B Atomic, Molecular and Optical Physics Best Poster
Award 2013― 41 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 山本

憲太郎（やまもと

けんたろう）【職名】 研究フェロー【所属】 福井謙一記念研究センター【研究室】 福井謙一記念研究センター

高塚グループ305【電子メールアドレス】 kyamamoto@fukui.kyoto-u.ac.jp【ホームページ】 http://mns2.fukui.kyoto-u.ac.jp/~kyamamoto/【研究分野】 理論化学
【現在の研究課題】 非断熱電子動力学理論による化学反応の研究【研究内容キーワード】 非断熱遷移，電荷分離【学歴】 2015 年 3 月東京大学大学院理学系研究科化学専攻博士過程修了【学位】 2015 年 3 月博士（理学）（東京大学）【略歴】 2014 年東京大学技術補佐員
2015 年東京大学特任研究員【所属学会】 分子科学会，理論化学研究会【主な著書、学術論文】 [1] K. Yamamoto and K. Takatsuka, “On the Elementary Chemical Mechanisms of（過去 5 年以内） Unidirectional Proton Transfers: A Nonadiabatic Electron-Wavepacket Dynamics
Study” J. Phys. Chem. A, 2019, 123, 4125-4138.
[2] K. Yamamoto and K. Takatsuka, “Collision induced charge separation in groundstate water splitting dynamics”, Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 12229-12240.
[3] K. Yamamoto and K. Takatsuka, “On the photocatalytic cycle of water splittingwith small manganese oxides and the roles of water clusters as direct sources of oxygen molecules”, Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 6708-6725.
[4] K. Yamamoto and K. Takatsuka, “Photoinduced Charge Separation Catalyzed
by Manganese Oxides onto a Y‐Shaped Branching Acceptor Efficiently Preventing
Charge Recombination”, ChemPhysChem, 2017, 18, 537-548.
[5] K. Yamamoto and K. Takatsuka, “Dynamical mechanism of charge separationby photoexcited generation of proton–electron pairs in organic molecular systems. A
nonadiabatic electron wavepacket dynamics study” (perspective), Chem. Phys. 2016,
475, 39-53.

― 42 ―

Ⅱ【氏名（ふりがな）】 新崎康樹 （あらさき博士研究員（2018）

やすき）【職名】 研究フェロー【所属】 福井謙一記念研究センター

高塚グループ【研究室】 東京大学駒場キャンパス 16 号館 408【研究分野】 理論化学

【現在の研究課題】 非断熱動力学理論による化学反応【研究内容キーワード】 非断熱相互作用、クラスター、励起状態動力学【学歴】 2000 年 9 月

東京大学大学院総合文化研究科博士課程修了【学位】 2000 年 9 月

博士（学術）（東京大学）【略歴】 2000 年 10 月 東京大学インテリジェント・モデリング・ラボラトリー研究員
2002 年 10 月 東京大学大学院総合文化研究科 研究員【所属学会】 分子科学会【主な著書、学術論文】 1. Y. Arasaki, Y. Mizuno, S. Scheit, and K. Takatsuka, Induced photoemission fromdriven nonadiabatic dynamics in an avoided crossing system, J. Chem. Phys.
（過去 5 年以内）
141, 234301 (2014, 14 pages).
2. Y. Arasaki, Y. Mizuno, S. Scheit, and K. Takatsuka, Stark-assisted quantum
confinement of wavepackets. A coupling of nonadiabatic interaction and CWlaser, J. Chem. Phys. 144, 044107 (2016, 10 pages).
3. Y. Arasaki and K. Takatsuka, Time-resolved photoelectron signals frombifurcating electron wavepackets propagated across conical intersection in pathbranching dynamics, Chem. Phys. 493, 42-48 (2017).
4. Y. Arasaki and K. Takatsuka, Chemical bonding and nonadiabatic electron
wavepacket dynamics in densely quasi-degenerate excited electronic state
manifold of boron clusters, J. Chem. Phys. 150, 114101 (2019, 18 pages).
5. K. Takatsuka, T. Yonehara, K. Hanasaki, and Y. Arasaki, Chemical Theory
Beyond the Born-Oppenheimer Paradigm: Nonadiabatic Electronic and Nuclear
Dynamics in Chemical Reactions (World Scientific, Singapore, 2014).

― 43 ―

Ⅱ

博士研究員（2018）【氏名（ふりがな）】 花崎浩太（はなさきこうた）【職名】 研究フェロー【所属】 福井謙一記念研究センター【研究室】 高塚研究室【直通電話】 075-711-7907【電子メールアドレス】 hanasaki@fukui.kyoto-u.ac.jp【研究分野】 計算化学・理論化学【現在の研究課題】 分子における相対論的電子動力学の定式化【研究内容キーワード】 非断熱動力学、電子動力学、相対論効果【学歴】 2014 年 3 月東京大学大学院総合文化研究科博士課程修了【学位】 2014 年 3 月学術博士 （東京大学）【略歴】 2014 年 博 士 研 究 員（Deutches Elektronen Synchrotron (DESY), The
Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI), Center for Free-electron
Laser Science (CFEL) theory group）
2016 年 研究支援者（東北大学大学院理学研究科化学専攻物理化学講座数理化学研究室）
2018 年 研究フェロー（京都大学福井謙一記念研究センター）【所属学会】 分子科学会【学会活動】【主な著書、学術論文】 1. Y. Hao, L. Inhester, K. Hanasaki, S.-K. Son and R. Santra, “Ef（過去 5 年以内） ficient electronic structure calculation for molecular ionization dynamics athigh x-ray intensity”, Struct. Dyn. 2 041707 (2015).
2. A. Rudenko, L. Inhester, K. Hanasaki, et al. “Femtosecond responseof polyatomic molecules to ultra-intense hard X-rays”, Nature 546, 129(2017).
3. K. Hanasaki, M. Kanno, T. A. Niehaus and H. Kono, “An efficientapproximate algorithm for nonadiabatic molecular dynamics”, J. Chem.
Phys. 149, 244117 (2018).

― 44 ―

Ⅲ

Ⅲ

研究広報活動（2018）

研究広報活動１．京都大学福井謙一博士生誕百年記念行事

メモリアルシンポジウム・記念式典・祝賀会

1981年にアジア初のノーベル化学賞を受賞された福井謙一博士の生誕百年を記念する行事として、彬子女王殿下ご臨席のもと、メモリアルシンポジウム、記念式典及び祝賀会を開催した。メモ
リアルシンポジウムには、学術関係機関・学会・産業界、教職員からの参加者、一般参加者等あわせて350名余りが、引き続き行われた記念式典・祝賀会には、約160名の参加があった。

メモリアルシンポジウム日時2018 年 10 月 12 日（金）13:30 ― 16:15

場

所

京都大学百周年時計台記念館 百周年記念ホール
司会

佐藤

啓文

副センター長13:30 ― 13:35

田中勝久

13:35 ― 14:25

記念講演 1

福井謙一記念研究センター長挨拶

Roald Hoffmann（コーネル大学教授

1981 年ノーベル化学賞福井謙一博士と同時受賞）「Simulation vs Understanding: A Tension, and Not Just in Our Profession」
14:25 ― 15:15
白川記念講演 2英樹（筑波大学 名誉教授

2000 年ノーベル化学賞受賞）「高分子合成を志して」
					
15:25 ― 16:15
古川記念講演 3安（化学史学会前会長）『応用をやるなら基礎をやれ』― 福井謙一のたどった道、拓いた世界 ―



記念式典

日

時

2018 年 10 月 12 日（金）16:25 ― 16:55

場

所

京都大学百周年時計台記念館 百周年記念ホール
司会佐藤

16:25 ― 16:30

徹

福井謙一記念研究センター教授

式辞

山極

壽一

京都大学総長― 45 ―

Ⅲ

研究広報活動（2018）

16:30 ― 16:35

おことば

16:35 ― 16:55

祝辞

彬子女王殿下山脇良雄

文部科学省文部科学審議官

西脇

隆俊

京都府知事

門川

大作

京都市長

里見

進

祝賀会

日

時

2018 年 10 月 12 日（金）17:10 ― 18:30

場

所

京都大学百周年時計台記念館 ２階
林

重彦

岡田

晃正
憲和

日本学術振興会理事長



司会

山下

国際交流ホール

副センター長17:10 ― 17:15

挨拶

山極

壽一

京都大学総長17:15 ― 17:20

祝辞

森迫

清貴

京都工芸繊維大学長

17:20 ― 17:25

乾杯

曽我

直弘

京都大学名誉教授、元工学研究科長、元京都大学
工化会会長

17:25 ― 18:30



歓談サテライトシンポジウム

福井博士の研究理念を継承し、基礎化学分野の発展に貢献することを目的に設立された福井謙一
記念研究センターのこれまでの研究活動を再確認するとともに、基礎化学・理論化学とその周辺分
野における最新の研究成果を発表し、議論を深める目的で開催した。
国内外からの研究者、学生など約 60 名が参加した。
日時2018 年 10 月 13 日（土）場所

京都大学 福井謙一記念研究センター
10:05 ― 11:05

講演 1

西本 佳央（京都大学福井謙一記念研究センター）「FMO-DFTB 法：100 万原子に適用可能な量子化学計算の実証」
11:05 ― 12:05

講演 2John J.Molina（京都大学工学研究科化学工学専攻）「クロール細胞の感受性」― 46 ―

Ⅲ

13:30 ― 15:00

ポスターセッション

15:00 ― 16:00

講演 3

畑中

研究広報活動（2018）

美穂（奈良先端科学技術大学院大学マテリアルズ ･ インフォマティクス研究室）「自動反応経路探索の応用：メカニズム研究を超えて」
16:00 ― 17:00
長谷川

講演 4

淳也（北海道大学触媒科学研究所）「制御力による計算科学」
17:30 ― 19:00

ディスカッションミーティング

京都大学総合博物館2018年度企画展「ノーベル化学者を育んだ教室

福井謙一博士生誕百年記念展示

応用をやるには、基礎をやれ」

本学が輩出した世界的な研究者である福井謙一博士の偉大な研究業績「フロンティア軌道理論」
や、本理論が現在の化学や産業の発展に大きな貢献をしていることを広く社会に紹介し、学術研究に対する関心を高める機会を提供した。
企画展には約9,000名が来館した。
日時

2018 年 10 月 3 日（水）～ 12 月 9 日（日）場所

京都大学総合博物館― 47 ―

Ⅲ

研究広報活動（2018）

２．福井謙一記念研究センターシンポジウム
第 16 回 京都大学 福井謙一記念研究センターシンポジウム日時2019 年 2 月 8 日（金）9:50 ― 19:00

場

所

京都大学 福井謙一記念研究センター（３F 大会議室）

講

演

10:05 ― 11:05
佐藤徹（京都大学 福井謙一記念研究センター）「振電相互作用密度とその応用－発光、キャリア輸送、化学反応－」
11:20 ― 12:20
平尾

公彦（京都大学 福井謙一記念研究センター・理化学研究所）「長距離補正密度汎関数法 (LC-DFT) の最近の進展」
					
― 休

憩 ―

13:50 ― 14:50
跡見晴幸（京都大学 大学院工学研究科）「第 3 の生物アーキアの特異な代謝」
15:00 ― 15:30

福井謙一奨励賞表彰式

15:30 ― 17:20

ポスターセッション			
17:30 ― 19:00

懇親会（1 階多目的ルーム）― 48 ―

Ⅲ

研究広報活動（2018）

３．セミナー(1)

第 16 回福井センターセミナー

日時

2018（平成 30）年 11 月 20 日（火）15:00 ― 17:20

場

所

京都大学福井謙一記念研究センター（１階 106 室）
15:00 ― 15:40
Satoshi Suzuki (Kyoto Univ.)“Theoretical understanding and rational design of aggregation induced emission molecule”
15:40 ― 16:20
Masato Itami (Kyoto Univ.)“Singular behavior of time-averaged stress fluctuations on surfaces”― Break―

16:30 ― 17:20
Hiroshi Watanabe (Keio University )“Development and applications of molecular dynamics simulation with the quantum chemical
effect of solvent””(2)

その他のセミナー
Contact

Shigeyoshi
Sakaki

Kimihiro
Hirao

Speaker

Title

Affiliation

Date

Oscar
JimenezHalla

Selective reaction routes in
multicomponent reactions: A
Computational study

University of
Guanajuato

Rong Shang

Facile reactions of Gold(I)complexes with Tri(tert-butyl)
azadiboriridine

Hiroshima
University

Alexey Y.
Timoshkin

Donor-acceptor stabilized
phosphany Iboranes and Alanes:
stabitlity and reactivity

St. Petersburg
State
University

June 8(Mon.), 2018

Takefumi
Yamashita

Theoretical study of molecular
recognition mechanisms in thelife and pharmaceutical sciences

University ofTokyo

December 11(Tue.),
2018

RolandLindh

Implementation of the exact
semi-classical light-matterinteraction: an easy way beyond
the multipole expansion

Uppsala
University

January 22 (Tue.),2019― 49 ―

April 2 (Mon.), 2018

Ⅲ

研究広報活動（2018）

４．国際交流当センター教員が海外の研究機関を訪問し、研究所の運営に関して意見交換を行った。
（資料編
を参照）

５．社会へのアウトリーチ活動＜研究紹介＞（１）京都大学アカデミックデイへ参加		

2018（平成 29）年 9 月 22 日（土）榊茂好

シニアリサーチフェローが「ちゃぶ台囲んでひざ詰め対話」コーナーへ参加

話

題：「縁の下の力持ち『触媒』と『計算化学』」

場所：京都大学百周年時計台記念館＜学術講演＞（２）多羅間 充輔 福井センターフェロ		

2018（平成 30）年 5 月 25 日（金）

題：Mechanics of cell crawling by means of force-free cyclic motion

演

行事名：BDR セミナー場（３）田中

所：理化学研究所

演

一義

生命機能科学研究センター

シニアリサーチフェロー

フィジカルバイオロジー研究チーム

2018（平成 30）年 11 月 6 日（火）

題：計算化学はどのように役立つか

行事名：京都グリーンケミカル・ネットワーク人材育成事業
場

所：京都市成長産業創造センター

６．福井謙一奨励賞の創設及び奨励賞の授与
福井謙一博士の生誕百年を控え、日頃から、化学の将来の発展のためには若手研究者の育成の大切さを説いておられた福井博士の意志を汲み、基礎化学、理論化学の分野で顕著な研究業績を挙げた若手研究者を顕彰する福井謙一奨励賞を平成 29 年度に創設した。
平成 30 年秋に公募し、応募のあった中から委員会で選考の結果、次のとおり選考された。表彰式は、
平成 31 年 2 月 2 日（金）に開催の福井謙一記念研究センターシンポジウムの中で行い受賞者に表彰状と記念楯が授与され、続いて受賞題目に関した講演が行われた。
受 賞 者：春田直毅（東京工業大学

科学技術創成研究員

特任助教）

受賞題目：縮退と擬縮退の包括的理解に向けた新たな数理化学の開拓― 50 ―

Ⅳ

Ⅳ

研究業績（2018）

研究業績

１．専任教員Tohru Sato
Professor

1. Summary of the research of the year
Origin of Aggregation-Induced Enhanced Emission:
Role of Pseudo-Degenerate Electronic States of Excimers Formed in Aggregation Phases
We have reported that, in fluorescent dopants employed in organic light-emitting diodes(OLEDs), radiative and non-radiative transitions from a triplet excited state Tn (n > 1) to all the
lower triplet excited states can be suppressed due to the pseudo-degenerate electronic states [13]. The pseudo-degeneracy leads to cancellation of the overlap density between the excited states,
which generates Tn excitons with long life-times. This enables the fluorescence via higher
triplets (FvHT) mechanism for OLEDs, that is fluorescence utilizing the reverse intersystemcrossing (RISC) from Tn to singlets.
Aggregation-induced enhanced emission (AIEE) yields strong luminescence in theaggregation phases. A cyano-substituted 1,2-bis(pyridylphenyl)ethene (CNPPE) has beenreported to exhibit the AIEE behavior in solid phase [4]. Some cofacial CNPPE molecules haveCi symmetry in the crystal structure. This suggests the possibility of pseudo-degenerate
electronic states delocalized over the cofacial molecules. These indicate that the internalconversion can be more suppressed in solid phase than in solution phase as long as excimer
formation occurs in solid phase. In this study, based on the vibronic coupling density (VCD)
analysis [5-7], we investigated the role of pseudo-degeneracy in the appearance of AIEE
considering CNPPE as an example [8].
We modeled the CNPPE solid as a dimer with a cofacial configuration, Dimer Model, where
the cofacial dimer was calculated by the QM method and the surrounding molecules were

Fig. 1 (a) Frontier orbitals and (b) orbital levels of Dimer Model in solid phase. Isosurface
values are 3×10-2 a.u.
― 51 ―

Ⅳ

研究業績（2018）calculated by the MM method based on the ONIOM approach The CNPPE in CH2Cl2 solution
was modeled as a single molecule, Monomer Model, with C1 symmetry.
From the selection rule of the electric dipole transition, S1 (Ag) is symmetry-forbidden andS2(Au) is symmetry-allowed (Laporte rule) for Dimer Model. Although, according to Kasha’s rule,
an emission does not occur from the second excited states, the fluorescence from S2 is possible if
all the transitions from S2 to S1 are suppressed. Figures 1 (a) and (b) present the frontier orbitals
and orbital levels at the S2 optimized structure, respectively. The adiabatic wave functions aredelocalized over the molecules, thereby indicating the excimer formation in solid phase. In thepresent case, the delocalized electronic states are obtained because Dimer Model belongs to Ci
symmetry even in the adiabatic excited state. The NHOMO and HOMO as well as the LUMO
and NLUMO of the excimer are pseudo-degenerate. Figure 2 (a) and (b) show the electron
density differences of S2@S2-S0@S2, ∆ρ20, and S1@S2-S0@S2, ∆ρ10, respectively. ∆ρ20 and ∆ρ10
exhibit similar distributions. On the contrary, the electron density difference of S2@S2-S1@S2,∆ρ21 (Fig. 2 (c)) exhibits an extremely small distribution. This leads to the small diagonal VCD
of S1@S2, resulting in the small diagonal VCCs of S1@S2. Figures 2 (d) and (e) show the overlap
densities of S2@S2-S0@S2, ρ20, and S2@S2-S1@S2, ρ21, respectively. ρ21 exhibits a smaller
distribution than that of ρ20. The small ρ21 contributes to the small off-diagonal VCCs of
S1@S2←S2@S2. It should be noted, because of the small electron density difference and overlap
density between S1 and S2, that the internal conversion from S2 to S1 is suppressed, thereby
enabling the fluorescence from S2.
Figures 3 (a) and (b) show the diagonal VCCs of Monomer Model in the FC S1 state andDimer Model in the FC S2 state, respectively. The diagonal VCCs are greatly reduced due to theFig. 2 Electron density differences of (a) S1@S2-S0@S2, (b) S2@S2-S0@S2, and (c) S2@S2-S1@S2.
Isosurface values are 1×10-3 a.u. Overlap densities of (d) S2@S2-S0@S2 and (e) S2@S2-S1@S2.
Isosurface values are 2×10-3 a.u.

― 52 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Fig. 3 Diagonal VCCs (a) of Monomer Model in the FC S1 state and (b) of Dimer
Model in the FC S2 state.

excimer formation where the largest VCC of mode 109 in Monomer Model is 8.42 × 10−4 a.u. andthat of mode 230 in Dimer Model is 5.27 × 10−4 a.u. This result indicates that the internal conversion from S2 to S0 in Dimer Model is suppressed in comparison with the one from S1 to S0 in
Monomer Model because the rate constant of the internal conversion is strongly correlated withthe diagonal VCCs. The electronic states delocalized over the molecules reduce the diagonal
VCCs in solid phase to approximately 1/√2 times those in solution phase [9]. Thus, the internalconversions from excited to ground states are more suppressed in solid phase than in solution
phase.

Model building of metal oxide surfaces and vibronic coupling density as a reactivity index
To design heterogeneous catalysts and understand of their mechanisms, the sites formolecular adsorption on the solid catalyst must be clarified. The VCD as a function of a position
identifies the reactive sites as those where the vibronic coupling is large. Therefore, VCD canbe utilized as a reactivity index for systems with various reactive sites, such as solid surfaces.
Reactivity indices, such as the frontier orbital density or VCD, strongly depend on the electronic
structure of the frontier level. When building a model for the surface reactions of metal oxides
based on a bulk crystal structure, the treatment of dangling bonds strongly affects the electronic
structure. For instance, because hydrogen termination for dangling bonds involves electron
doping, the frontier level is shifted by hydrogen termination. In this study, to build a model forthe subsequent calculations, we employed a step-by-step hydrogen-terminated (SSHT) approachto reproduce the experimental observations. We applied VCD to the Ag-loaded Ga2O3 surface toshow the effectiveness of VCD as a reactivity index for CO2 adsorption on the surface [10].
Fig. 4 shows the calculated orbital levels of the bare cluster. The band gap of Ga2O3 hasbeen experimentally estimated to be 4.6 eV [11]. However, the energy gap of the bare cluster is
0.8 eV, which is much smaller than the experimental value. This is because the occupied
molecular orbitals become unoccupied when the cluster is cut from the crystal structure. The
bare cluster has reactive dangling bonds arising from the cleavage of O atoms. The dangling― 53 ―

Ⅳ

研究業績（2018）bonds at the O atoms are terminated by H atoms because it has been experimentally observedthat H atoms are adsorbed on the Ga2O3 surface [12]. The hydrogen termination, which involves
electron doping, shifts the frontier level. The 16 unoccupied molecular orbitals must be occupied
for the model to have a reasonably wide energy gap. Thus, the 32 H atoms, i.e., 2 H atoms foreach unoccupied molecular orbital, are step-by-step bonded to O atoms with large molecularorbital coefficients. As a result, we obtained the hydrogen-terminated cluster with an energy
gap of 5.4 eV after geometry optimization.
Fig. 5 shows the VCD of the SSHT cluster model, which is localized on the O atoms withouthydrogen termination. This result indicates that these O atoms donate electrons to the reactants,
and act as the Lewis bases. The stabilization arising from the structural relaxation after chargetransfer is large at the sites where the VCD is localized. Therefore, the Ag-loaded Ga2O3 surface
is modeled by placing a single Ag atom on one of the Lewis basic O atoms in the SSHT clustermodel. Geometry optimization is performed after the initial position of CO2 is set above the Ag
atom. After the electron transfer, CO2 undergoes structural relaxation from the linear structure
to the bent structure. We found that CO2 with a bent structure, which is advantageous forphotocatalytic reduction, is adsorbed on the Ag atom.

Fig. 4 Orbital levels of the non-hydrogenterminated cluster model.

Fig .5 VCD of hydrogen terminated Ga2O3
cluster model.

【文献】 1) T. Sato, J. Comput. Chem. Jpn. 6, 189-192 (2015). 2) T. Sato, R. Hayashi, N. Haruta, andY-J. Pu, Sci. Rep., 7, 4820 (2017). 3) Y-J. Pu, R. Satake, Y. Koyama, T. Otomo, R. Hayashi, N. Haruta,
H. Katagiri, D. Otsuki, D, Kim, T. Sato, J. Mater. Chem. C, 7, 2541-2547 (2019). 4) S. Nishio, K.
Higashiguchi; K. Matsuda, Asian J. Org. Chem., 3, 686–690 (2014). 5) T. Sato,K. Tokunaga, K.
Tanaka, J. Phys. Chem. A, 112, 758–767 (2008). 6) T. Sato, M. Uejima, N. Iwahara, N. Haruta, K.
Shizu, K. Tanaka, J. Phys.: Conf. Ser. 428 012010 (2013). 7) M. Uejima, T. Sato, D. Yokoyama, K.
Tanaka, J. W. Park, Phys. Chem. Chem. Phys., 16 14244-14256 (2014). 8) W. Ota, K. Takahashi, K.
Higashiguchi, K. Matsuda, T. Sato, arXiv: 1912.10677. 9) K. Shizu, T. Sato, K. Tanaka, J. Comput.
Chem. Jpn., 12, 215 (2013). 10) Y. Kojima, W. Ota, K. Teramura, S. Hosokawa, T. Tanaka, T. Sato,
Chem. Phys Lett., 715, 239 (2019). 11) Z. Wang, K. Teramura, Z. Huang, S. Hosokawa, Y. Sakata, T.
Tanaka, Catal. Sci. Technol. 6 1025 (2016). 12) H. Tsuneoka, K. Teramura, T. Shishido, T. Tanaka, J.
Phys. Chem. C 114 8892 (2010).

― 54 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

2. Original papers(1) W. Ota, K. Teramura, S. Hosokawa, T. Tanaka, T. Sato, J. Comput. Chem. Jpn. 17, 138-141(2018).
(2) Z. Lian, M. Sakamoto, H. Matsunaga, J.J.M. Vequizo, A. Yamakata, Mi. Haruta, H. Kurata,
W. Ota, T. Sato, T. Teranishi, Nature Commun. 9, 2314 1-7(2018).
(3) D. Liu, Y. Niwa, N. Iwahara, T. Sato, L. F. Chibotaru, Phys. Rev. B 98, 035402 1-9(2018).
(4) S. Kimura, A. Tanushi, T. Kusamoto, S. Kochi, T. Sato, H. Nishihara, Chem. Sci. 9, 19962007(2018).
3. Reviews(1) W. Ota, T. Sato, J. Phys.: Conf. Ser. 1148 012004 1-13(2018).
4. Presentation at academic conferences(1)T. Sato, “ Vibronic Coupling Densities in Excited States and Their
Applications”, XXIVth International Symposium on the Jahn-Teller Effect(JT2018) (招待講演), Santander, 2018/6/24-28(2)西川智裕, 佐藤徹, 春田直毅, 兒玉健, 阿知波洋次「振電相互作用密度解析に基づく(6,5)カーボンナノチューブの成長機構」
第 55 回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 仙台, 2018/9/11-13,
3P-20 ポスター
(3)大田航, 小島弥朗, 佐藤徹「表面反応の領域選択性の反応性指標としての振電相互作用密度」
日本コンピュータ化学会 2018 年春季年会, 東京, 2018/6/7-8, 2O 04(4)大田航, 佐藤徹「半無限固体表面上における吸着分子の有効電子ハミルトニアン」
日本コンピュータ化学会 2018 秋季年会 , 弘前, 2O02 2018/11/3-4 2O 02(5)西川智裕, 佐藤徹, 春田直毅, 兒玉健, 阿知波洋次
Growth Mechanism of (6,5) Carbon Nanotube: Edge Structures and their
Regioselectivities
第 56 回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム, 東京, 2019/3/2-4, 2P20 ポスター
5. Others(1) 佐藤 徹「福井謙一博士生誕百年記念特別展示 ギャラリートーク」
京都大学総合博物館 京都 2018/12/2,8(2) 佐藤徹「振電相互作用密度とその応用―発光、キャリア輸送、化学反応―」
第 1６回京都大学福井謙一記念研究センターシンポジウム
2019/2/8― 55 ―

京都(京都大学)

Ⅳ

研究業績（2018）

Yoshio Nishimoto
Program-Specific Assistant Professor
1. Summary of the research of the year
Development of TD-LC-DFTB/PCM
The development of large-scale quantum mechanical (QM) methods is one of the hottest
topics in computational chemistry. Although standard single-reference QM methods, such as density
functional theory (DFT), is much more economical than electron correlation methods, but are stilltime-consuming, and it is difficult to evaluate large systems. Modeling excited states is even morecomputationally demanding. QM methods can be drastically simplified by applying various
approximations or employing fitted parameters, giving rise to semiempirical QM methods. For
instance, the self-consistent charge density-functional tight-binding (DFTB) method was derived byintroducing tight-binding approximations and applying a Taylor expansion to the density fluctuationof DFT.
In this fiscal year, the time-dependent long-range corrected second-order DFTB (TD-LCDFTB2) method was implemented in conjunction with an implicit solvent model, the polarizable
continuum model (PCM), namely TD-LC-DFTB/PCM [1], in a local version of the GAMESS-US
software package based on an earlier implementation of the LC-DFTB2 method. The long-range
correction employed in this study closely followed the work by Lustker et al. [2] Analytic first-orderderivatives were also implemented by employing the Z-vector method as in the well-known TD-DFT
with long-range corrections. The exchange-type term, which exhibited an unfavorable computational
requirement, was computed via efficient matrix multiplications, and thus, the scaling of the (TD-)LCDFTB method was expected to be cubic as in the conventional (TD-)DFTB. Compared with theconventional DFTB2, LC-DFTB2 for the ground state was 1.4 times more computationally expensive,
whereas TD-LC-DFTB2 for excited states was approximately 3 times more computationallyexpensive. However, a single-point gradient calculation for a system consisting of 1000 atoms took
only 30 min (without PCM) with one CPU core, demonstrating the advantage of the TD-LC-DFTB2
method. Adding PCM increased the computation time significantly.
As a pilot example, in the calculations for 3-hydroxyflavone (3HF), which exhibits dual
emission, TD-LC-DFTB2 predicted similar absorption and enol-form emission energies as TD-LCBLYP/aug-cc-pVDZ; however, the predicted emission energy of the keto form deviated significantly
from the experiment and from TD-LC-BLYP. Further benchmark calculations were performed using
the other TD-DFTB methods implemented in GAMESS-US, TD-DFTB2, TDDFTB3, and TD-LCDFTB2 for a set of molecules that were previously collected and theoretically evaluated by Jacquemin
et al. Even though TD-LC-DFTB2 clearly overestimated the absorption and 0−0 transition energies― 56 ―

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研究業績（2018）

when compared with the experimentally measured values, theyagreed well with the results obtained by CAM-B3LYP andsignificantly reduced the computational cost. Further, when therange separation parameter ω was decreased from 0.30 to 0.15,
the results agreed even more closely with CAM-B3LYP (Fig. 1).
Therefore, based on these benchmark calculations, TD-LCDFTB2 can be considered a computationally cost-effective
approximation of DFT with long-range corrections.
It should be noted that the currently available parameter Fig. 1 Comparison of absorption
set is rather limited and only includes various combinations of H, and 0–0 transition energies
C, N, and O elements. In addition, the extension to include the calculated with CAM-B3LYP and
third-order Taylor expansion, namely (TD-)LC-DFTB3, is also LC-DFTB with ω = 0.15.
important. The extension to TD-LC-DFTB3 should be rather
straightforward as long as the LC-DFTB3 energy is formulated and appropriate parameters aredeveloped because TD-DFTB3 has been developed in GAMESS-US. Hence, further development
and improvement are essential for practical application studies. The developed method is expected tobe publicly available in GAMESS-US in the future.
Development of Analytic Derivatives of PC-NEVPT2
A balanced treatment of dynamic and static electron correlation is important incomputational chemistry, and multireference perturbation theory (MRPT) is able to do this at areasonable computational cost. In addition to the above study, analytic first-order derivatives,
specifically gradients and dipole moments, are developed for a particular MRPT method, statespecific partially contracted n-electron valence state second-order perturbation theory (PC-NEVPT2)[3,4].
Looking at MRPT methods, such as NEVPT2 and complete active space second-order
perturbation theory (CASPT2), in terms of analytic derivative techniques, the first challenge is posedby the fact that most MRPT energies are not variationally optimized with respect to wavefunction
parameters (molecular orbital and configuration coefficients). This necessitates the evaluation ofderivatives of nonvariational parameters, which are orbital and configuration interaction (wheninternally contracted) coefficients. A straightforward approach is to evaluate these derivatives directly
by solving the coupled-perturbed equations. Despite the simplicity of this strategy, the number ofcoupled-perturbed equations to be solved increases linearly with the number of atoms in the system,
so it is not suitable for treating even medium-sized systems. Another, more practical, approach relieson the Z-vector or Lagrangian methods. The advantage of these methods is the reduced computational
requirement: solving only one perturbation-independent equation is sufficient to evaluate responsecontributions for the first-order derivatives. In this study, first-order derivatives are computed by
exploiting the Z-vector method, so the additional computational cost is not explicitly dependent on― 57 ―

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研究業績（2018）

the number of atoms. Furthermore, the derived expressions do not involve any vanishingdenominators resulting from orbital degeneracies (in contract to the strongly contracted variant).
The methodology has been implemented in a local version of GAMESS-US and applied totypical systems: the geometrical parameters of O3 and O−3 and the 0–0 transition energies ofmethylpyrimidines and a series of trans-polyacetylenes. The results show the importance of
perturbative corrections and the necessity for development of analytic derivatives. A comparison withexperiment suggests that the accuracies of NEVPT2 and CASPT2 are roughly comparable: CASPT2
with the IPEA shift outperforms other wavefunction methods for methylpyrimidine derivatives, while
NEVPT2 does so for trans-polyacetylene.
CASPT2 calculations for the state-averaged CASSCF reference required a shift technique84
to ensure convergence of the amplitude equation. The 0–0 transition energies computed using theextended multistate (XMS) CASPT2 method with and without the IPEA shift indicated that the
impact of the IPEA shift is as large as 0.3 eV. The ionization potential–electron affinity (IPEA) shift
improved the agreement with experiment for methylpyrimidine derivatives, but slightly degraded it
for the larger transpolyacetylene. These two shift techniques may impart a slight arbitrariness tomultistate CASPT2 calculations, but NEVPT2 is an intruder-state-free method, and no such empiricalparameters are required as long as an appropriate active space is used. In addition, since NEVPT2 issize-consistent, it can be applied to chemical reactions.
Extension to quasidegenerate NEVPT2 and the computation of derivative coupling are
essential tasks for the future, in particular in the study of photochemical processes, for example, in
the identification of conical intersections. Algorithmic improvements are also highly desirable; forinstance, CASSCF in GAMESS-US does not utilize any matrix decomposition techniques, which
severely restricts the number of orbitals that can be employed in CASSCF and NEVPT2 calculations.
Development of Analytic Derivatives of FMO-LC-DFTB
In the study of the fragment molecular orbital-based (FMO) LC-DFTB method [5], I
implemented analytic first-order derivatives of the FMO-LC-DFTB method. As in earlier FMODFTB studies, the analytic derivatives are computed by solving the self-consistent Z-vector equation.
The accuracy of the implementation was evaluated by comparing the difference between the analytic
and numerical gradients for a (H2O)64 cluster. The maximum deviations are only 1.5 × 10−6 and 9.8 ×
10−6 hartree/bohr for FMO2-LC-DFTB and FMO3-LC-DFTB, respectively. The accuracy was also
verified by analyzing the energy conservation in NVE molecular dynamics simulations for a (H2O)64
cluster with varying time integration intervals. For the slope of the energy fluctuations versus the time
step, ideally, the fully analytic gradient would yield a slope of 2 when plotted on a double-logarithmic
scale due to our use of a second-order velocity Verlet time integration algorithm. The actual
calculation showed that the obtained slopes were very close to the theoretical slope: 1.99 for FMO2
and 1.98 for FMO3.

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研究業績（2018）

References[1] Nishimoto, Y. J. Phys. Chem. A 2019, 123, 5649–5659.
[2] Lutsker, V.; Aradi, B.; Niehaus, T. A. J. Chem. Phys. 2015, 143, 184107.

[3] Nishimoto, Y. J. Chem. Phys. 2019, 151, 114103.
[4] Angeli, C.; Cimiraglia, R.; Malrieu, J.-P. J. Chem. Phys. 2002, 117, 9138–9153.
[5] Vuong, V. Q.; Nishimoto, Y.; Fedorov, D. G.; Sumpter, B. G.; Niehaus, T. A.; Irle, S. J. Chem. Theory Comput.
2019, 15, 3008–3020.

2. Original papers(1) Vuong, V. Q.; Nishimoto, Y.; Fedorov, D. G.; Sumpter, B. G.; Niehaus, T. A.; Irle, S.
“The Fragment Molecular Orbital Based on Long-Range Corrected Density-Functional
Tight-Binding”
J. Chem. Theory Comput. 15(5), 3008–3020 (2019).
3. Presentation at academic conferences(1) 西本 佳央「密度汎関数強束縛法と周期的境界条件を組み合わせる実装」
第 21 会理論化学討論会（P56）、愛知県、2018 年 5 月 16 日
(2) 西本 佳央、フェドロフ ドミトリ
「ナノ材料への応用へ向けたフラグメント分子軌道法と密度汎関数強束縛法を用いた理論開発」
第 12 回分子科学討論会（3E05）、福岡県、2018 年 9 月 12 日
(3) 西本 佳央「時間依存密度汎関数強束縛法を用いた理論開発」
日本コンピュータ化学会 2018 秋季年会（2P17）、青森県、2018 年 11 月 4 日(4) 西本 佳央「長距離補正時間依存密度汎関数強束縛法を用いた理論開発」
日本化学会第９９春季年会（1D6-42）、兵庫県、2019年3月16日
4. Others(1) Yoshio Nishimoto“FMO-DFTB: A Semi-Empirical Quantum Chemical Method Applicable to One-MillionAtom Systems”
FUKUI 2018 Satellite Symposium, Kyoto, October 13, 2018

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研究業績（2018）

２．リサーチダイレクター

Kimihiko Hirao
Research Director
1. Summary of the research of the last 6 months (3-5 pages, includes appropriate figures and tables)(a) Excitation Energies Expressed as Orbital Energies of KS-DFT with LC Functionals
Density functional theory (DFT) is as a powerful computational tool for the chemical systems. Conceptually,
it is appealing because, with the one-electron Kohn-Sham (KS) DFT, all properties are in principle obtainabledirectly from an observable that is the electron density. A major obstacle to the application of KS-DFT is that theform of the exact functional is yet unknown. As a result, there have been continuous developments of approximate
DFT methods. These methods represent a useful way for tackling many chemical problems with adequate accuracy.
Despite the success of approximate functionals, they are not without problem. Two major causes for thesefailures are the incorrect long-range behavior (at tails of the density) and self-interaction errors associated with thelocal character of approximate functionals. While a DFT-based cure for these drawbacks remains elusive, non-DFT
strategies have been developed to alleviate the symptoms. Some of these approaches, e.g., the use of Hartree–Fork(HF) exchange in hybrid-DFT, have been demonstrated to be useful and widely applicable.
To tackle these problems the long-range corrected (LC) functionals have been proposed by us and many others.
In the LC scheme, the electron repulsion operator, 1/r12, is divided into short-range (SR) and long-range (LR)components using a standard error function:

1 1  erf (  r  ) erf (  r  )


r 
r 
r 

The parameter μ determines the weight of the two ranges as a function of r12. DFT exchange functional is includedin the first term for SR interactions, while LR orbital–orbital exchange interaction is described by the second termusing the HF exchange integral. In most cases, LC functionals have common features, especially in the highreproducibility of van der Waals bonds, electronic spectra, optical response properties. A striking feature of LCDFT that is of particular relevance to the present study, which focuses on electronic excitation energies, is that LCDFT satisfies Koopmans-type theorem. The LC orbital energy  i of HOMO corresponds to accurate vertical
ionization potentials (IP), and likewise  a of LUMO corresponds to accurate vertical electron affinities (EA). In

other words,  i is the energy for a correlated electron moving in orbital i and  a is that for an attached electronin the unoccupied orbital a.
A new theoretical scheme is proposed for estimating excitation energies using Kohn-Sham (KS) solutions
calculated with long-range corrected (LC) functionals. It is simple and conceptual. Reasonable excitation energies
are obtained with only orbital energies. There is no need for integral evaluation or matrix diagonalization.
An electronic transition can be expressed in two steps, the first being the removal of an electron from theoccupied orbital and the second being attachment of an electron to the unoccupied orbital. The former process
corresponds to the ionization energy of the neutral system while the latter corresponds to the electron affinity of its
cation. The solution of the exact KS equation satisfies Koopmans-type theorem due to the Janak’s theorem and theenergy linearity theorem. Thus, the vertical ionization potential and electron affinity can be obtained from KS
solutions and one electron excitation energies are expressed as the differences between occupied orbital energies ofa neutral molecule and corresponding unoccupied orbital energies of its cation.
Conventional approximate functionals do not satisfy the Koopmans-type theorem since the energy linearity
theorem is not satisfied due to the delocalization errors. On the contrary LC satisfies the energy linearity theorem
and therefore satisfies the Koopmans-type theorem. The total electronic energy of LC varies almost linearly as afunction of its fractional occupation number. LC orbital energies reproduce the ionization energies and electron
affinities with high accuracy. One electron excitation energies are expressed as the difference between LC occupied
orbital energies and unoccupied orbital energies. Two such expressions can be used, with one employing the orbitalenergies for the neutral and cationic systems, while the other utilizes orbital energies of just the cation. The electron
affinity of a molecule is the ionization energy of its anion. If we utilize this identity two expressions coincide andgive the same excitation energies. This identity can also be used for improving DFT functionals.
When the present scheme is used in conjunction with LC-type functionals we obtain promising results forvalence and core excitations. Illustrative calculations are performed for H2O, C2H4, H2CO, polyenes, fivemembered ring compounds, DNA bases etc.
－1－
―
60 ―

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研究業績（2018）

Orbitals provide an intuitive language for the complex reality of molecules. In addition, they are not merely aconvenient concept but, through Koopmans’ theorem, they provide a simple and natural connection between orbitalenergies and an experimental observable, namely ionization energies. The solutions of KS equation with LC
functionals satisfy Koopmans-type theorem and they thus have a strict physical meaning. We will further
demonstrate the physical significance of KS orbitals.

(b) The reHISS Three-Range Exchange Functional with an Optimal Variation of Hartree-Fock and Its
Use in the reHISSB-D Density Functional Theory Method,
In the present study, we have reparametrized the HISS exchange functional. The new “reHISS” exchange
provides a balance between short‐ and mid‐range Hartree–Fock exchange (HFX) and a large total HFX coverage,
with a fast convergence to zero HFX in the long range. The five parameters in this functional (according toequations 3 and 4 in the main text) are cSR = 0.15, cMR = 2.5279, cLR = 0, ωSR = 0.27, and ωLR = 0.2192. The
combination of reHISS exchange with a reparametrized B97c‐type correlation functional (Chan et al., J. Comput.
Chem. 2017, 38, 2307) and a D2 dispersion term (s6 = 0.6) gives the reHISSB‐D method. We find it to be moreaccurate than related screened‐exchange methods and, importantly, its accuracy is more uniform across different
properties. Fundamentally, our analysis suggests that the good performance of the reHISS exchange is related to it
capturing a near‐optimal proportion of HFX in the range of interelectronic distance that is important for many
chemical properties, and we propose this range to be approximately 1–4Å.
(c) Accelerated Long-range Corrected Exchange Functional Using a Two-Gaussian Operator combinedwith One-parameter Progressive Correlation Functional [LC-BOP(2Gau)],
Recently, we proposed a simple yet efficient method for the computation of a long‐range corrected (LC)hybrid scheme [LC‐DFT(2Gau)], which uses a modified two‐Gaussian attenuating operator instead of the error
function for the long‐range HF exchange integral. This method dramatically reduced the computational time while
maintaining the improved features of the LC density functional theory (DFT). Here, we combined an LC hybrid
scheme using a two‐Gaussian attenuating operator with one‐parameter progressive correlation functional andBecke88 exchange functional with varying range‐separation parameter values [LC‐BOP(2Gau) with various μ
values of 0.16, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, and 0.42] and demonstrated that LC‐BOP(2Gau) reproduces well thethermochemical and frontier orbital energies of LC‐BOP. Additionally, we revised the scaling factors of theGaussian multipole screening scheme for LC‐DFT(2Gau) to correspond to the angular momentum of orbitals,
which decreased the energy deviations from the energy with the no‐screening scheme.
(d) DFT/TD-DFT Calculations of the Electronic and Optical Properties of Bis-N,N- Dimethylaniline-BasedDyes for Use in Dye-Sensitized Solar Cells
Using density functional theory (DFT) and time-dependent DFT (TD-DFT) methods, the current study reports therole of inserting acyclic and cyclic conjugated π-linkers in bis-N,N-dimethylaniline-based dyes as sensitizers in
the dye-sensitized solar cells (DSSCs). Some optical and electron transfer parameters are calculated to accomplish
our objective. The results show that increasing number of ethylene π-linker (–CH[dbnd]CH–) enhances lightharvesting efficiency but decreases the driving force for electron injection and possibility of dye regeneration withencouraging dye aggregation on the surface of the electrode. Extending the conjugation length of the linker
decreases the efficiency, while incorporating some cyclic conjugated linkers has a positive effect on the efficiency
through effective coexistence of both direct and indirect mechanisms of electron injection. A comparison withexperiment and previous theoretical studies on NKX-2554 (P1) and NKX-2569 (P2) is considered.

－2－― 61 ―

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研究業績（2018）

2. Original papers
The reHISS Three-Range Exchange Functional with an Optimal Variation of Hartree-Fock and Its Use in thereHISSB-D Density Functional Theory Method,
B Chan, Y Kawashima, K Hirao,
J..Comput.Chem.(Memorial Festschrift for Keiji Morokuma), 40, 29-38 (2019)
Accelerated Long-range Corrected Exchange Functional Using a Two-Gaussian Operator combined with Oneparameter Progressive Correlation Functional [LC-BOP(2Gau)],
JＷ Song and K Hirao,
J.Comput.Chem.(Memorial Festschrift for Keiji Morokuma), 40, 104-112 (2019)
DFT/TD-DFT Calculations of the Electronic and Optical Properties of Bis-N,N- Dimethylaniline-Based Dyes for
Use in Dye-Sensitized Solar Cells
Asmaa B. El-Meligy, Nobuaki Koga, Satoru Iuchi, Kumi Yoshida, Kimihiko Hirao, Ahmed H. Mangood, andAhmed M. El-Nahas
J.Photochem. & Photobio. A: Chemistry, 367 332-346 (2018)－3－― 62 ―

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研究業績（2018）

３．FIFC リサーチフェロー

Shigeru Nagase
FIFC Research Fellow

1. Summary of the Research of the Year(a) Salvaging Reactive Fullerenes from Soot by Exohedral Derivatization
Fullerenes comprise a large family of molecular carbon allotropes, which possess different numbers ofcarbon atoms and cage frameworks of different geometries. The spherical shapes of the molecules enable
the encapsulation of guest atoms, clusters, or even small molecules. Particularly, fullerenes encaging metal
atoms, which are known as endohedral metallofullerenes, constitute another fullerene family that is
substantially different from empty fullerenes. Nowadays, macroscopic amounts of empty fullerenes andendohedral metallofullerenes are produced experimentally by using the standard arc-discharge methodwith a Krätschmer–Huffman arc reactor. By arc-discharging graphite electrodes, fullerene-containing sootis grown during the diffusion of carbon vapor and subsequent cooling in the reactor. For the production ofendohedral metallofullerenes, metal-containing graphite electrodes are used instead of pure graphite
electrodes, where encapsulation of metal atoms occurs simultaneously with the carbon cage formation.
Because of the high temperature (2000–3000 K) conditions, it is believed that only thermodynamicallyfavorable fullerene species survive among innumerable, topologically possible fullerene structures. To
generate macroscopic amounts of pure-form empty fullerenes and endohedral metallofullerenes, extraction
with organic solvents followed by high-performance liquid chromatography separation has beenrecognized as an effective and reliable approach. Therefore, their availability is reliant largely on theirsolubility in organic solvents. To date, several stable and soluble empty fullerenes and endohedral
metallofullerenes have been prepared and isolated. Their structures have been characterized with various
techniques including NMR spectroscopy and single-crystal X-ray diffractometry. However, it needs to beemphasized that many other unidentified fullerene species, which must be reactive and insoluble in theirpristine forms, remain in soot. These nonextractable fullerene species are also termed “missing fullerenes”.
In this respect, one might say that there are still plenty of treasures in soot. These missing species musthave extremely small HOMO–LUMO gaps and might have unconventional cage structures, which would
fascinate not only chemists but also physicists and materials scientists.
How can these reactive (missing) fullerenes be salvaged from soot? Recent advances have shown thatreactive fullerenes can be stabilized and extracted from soot by exohedral derivatization. In this review, wehave presented a summary of the most significant progress in studies of salvaging reactive fullerenes, mostof which have been reported during the last decade. By salvaging reactive fullerenes by exohedralderivatization, a means of preparing macroscopic amounts of unconventional fullerenes as their derivatives
has been provided. Structural elucidation of the stabilized derivatives has revealed that various anomalous
carbon cages are already within our reach. The most significant findings are related to the fact thatpyrolytic high-temperature derivatizaion promotes cage skeletal transformations involving Stone-Wales― 63 ―

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研究業績（2018）

rearrangement and/or C2 elimination processes, which are otherwise difficult to observe under reasonable
experimental conditions without additional stabilization. These transformations are regarded as importantfullerene formation processes. Their mechanisms remain of considerable fundamental interest, and unveil
remarkable carbon allotropy. In this respect, in situ derivatization by carbon arc fullerene formation andstructural elucidation of the resultant derivatives has also provided structural insight into the key
intermediates of the formation of stable structures satisfying the so-called isolated pentagon rule.
Consequently, the salvaged cage frameworks can be a missing link for long-standing considerations of thefullerene formation mechanism. Furthermore, in situ derivatization of endohedral metallofullerenes during
extraction enables the stabilization and solubilization of endohedral metallofullerenes with high radical
character. These salvaged derivatives stand as their stabilized forms with enlarged HOMO–LUMO gaps. In
this respect, defunctionalization of such exohedrally stabilized fullerenes to obtain bare small-band-gap
fullerenes remains a challenging task to unveil their intrinsic properties.

(b) Regioselective Cyclotrimerization of Terminal Alkynes Using Digrmynes
Academically and industrially, the catalytic activation of neutral organic molecules, followed by theformation of C-C bonds, is highly important to increase the complexity and/or value of simple starting
materials. For example, cyclotrimerization reactions of alkynes that afford aromatic compounds representvery important C-C bond formation reactions because of the versatility of the resulting aromatic products.
Traditionally, transition metal catalysts have been used for this purpose, as some transition metal
complexes based on, for example, cobalt, efficiently activate alkynes for oxidative additions, ring
expansions, and reductive eliminations with concomitant formation of C-C bonds. The reaction mechanism
underlying the transition metal-catalyzed cyclotrimerization of alkynes has been well established. Severaltransition metal-based catalysts have been developed and they are highly efficient with respect to bothchemical yields and selectivity, and these are superior to catalysts based on main group elements, althoughsuch transition metal-free catalytic systems are highly desirable to avoid the use of precious metals. The
reason behind why similar C-C coupling reactions of neutral small organic molecules, in the absence oftransition metal catalysts, remain largely unknown could be due to difficulties associated with the
reductive elimination process of main group elements as a result of the strong covalent bonds between themain group atoms and carbon atoms.
It is therefore hardly surprising that only few cyclotrimerizations of alkynes, catalyzed by main groupelements, have been accomplished and proceed by redox process of the main group elements. For example,
in the Si2Cl6-catalyzed cyclotrimerization of alkynes, SiCl3 radicals initiate the radical trimerization.
Because such radical reactions usually require high temperatures, the regioselectivity is easily
compromised. Yet, the creation of main group element-based catalysts for C-C coupling reactions thatproceed by redox processes, similar to those in transition metal-based catalysts, remain challenging. Herein,
we report a new transition metal-free catalytic system for the cyclotrimerization of terminal arylalkynes,
and include a germanium-centered redox process. It is discovered that a substoichiometric amount of apreviously reported isolable digermyne promotes the regioselective cyclotrimerization of several
arylacetylenes in high yield. The present results demonstrate that bespoke main group element compounds― 64 ―

Ⅳ

activate

研究業績（2018）

catalyticallysmall neutral organic
molecules and induce
the formation of C-C
bonds. For example,
digermynes (RGeGeR,
R=organic groups) act
as a precatalyst for theformationofC-C

bonds in the absence ofatransition

catalyst,
for

metal

specificallytheperfectly

regioselective
cyclotrimerization of terminal arylacetylenes. In these reactions, the two Ge atoms undergo mild redox
processes between GeII and GeIV, which ultimately enables them to transform small organic molecules witha performance that rivals that of transition metal catalysts. The absolute stereoselectivity of the germanium
catalyst is probably due to kinetically controlled reactions of such main group element compounds, whiletransition metal based reactions are usually controlled thermodynamically. Transition metal catalysts for
Reppe reactions promote the cyclotrimerization based on their flexibility to switch between oxidation
states, while the combination of GeII (germylene) and GeIV (germole) species stabilizes the redox processduring the cyclotrimerization. Low-coordinate main group element compounds such as digermynes(RGeGeR) thus represent promising prospectives for transition metal-free catalysts for C-C coupling
reactions.

(c) Control of Near Infrared Photoluminescence Properties of Single-Walled Carbon
Nanotubes by Functionalization with Dendrons
Single-walled carbon nanotubes (SWNTs) have generated considerable interest as promising
nanocarbon materials for practical applications because of their outstanding mechanical, electrical, andoptical properties.1,2 Photoluminescence (PL) properties of SWNTs observed in the near-infrared (NIR)
region are studied keenly for applications in bio-imaging, energy conversion, sensing, and optoelectronics.
The E11 and E22 energies are known as the first and second transitions between the van Hove singularities.
Observation of the E11 PL of SWNTs needs the E22 excitation owing to the small Stokes shift. Thus, PL
measurements are a strong tool for the characterization of the chiral index of SWNTs using the two factors
based on the E11 and E22 energies. One of the advantages is that the excitation and emission wavelengths
can be selected from a wide range as they are based on the SWNT structure. Recently, it has been revealed
that the functionalization of SWNTs is an effective means to exert control over their NIR PL properties. It
has been reported that new red-shifted PL peaks are observed by the reaction of individually dispersed
SWNTs in D2O solution containing a surfactant with ozone or benzene diazonium compounds. The Stokes― 65 ―

Ⅳ

研究業績（2018）shift of the red-shifted PL of functionalized SWNTs is sufficient and allows excitation with both E22 andE11 energies. Excitation with NIR light improves the PL performance of SWNTs in biological imaging
materials because NIR light has high transparency in biological tissues and reduces phototoxicity andautofluorescence.
For such practical applications, it is very important to develop methods to control the PL properties of
SWNTs on a bulk scale. Therefore, we clarified the steric effect of the reagent used in the reductive
alkylation of SWNTs and demonstrated the control of PL properties of SWNTs using dendrons of different
generations. The degree of functionalization of the SWNTs decreased with the increasing bulkiness of thedendrons used. After functionalization, new red-shifted PL peaks could be observed around 1110 nm (E11*
PL) and 1210 nm (E11** PL), where the intensities were drastically enhanced by the thermal treatment.
The relative peak intensity of E11* PL to that of E11** PL increased with the increasing bulkiness of thedendrons. Density functional theory calculations of the functionalized SWNTs with dendrons suggest thatthe adducts with less bulky hydroalkylated substitution are stable in Clar structures and the addition
positions predominantly determine the PL peak positions. The tuning of the functionalization degree by
manipulating the bulkiness is advantageous because this method can be utilized regardless of the thermal
stability of the functionalized SWNTs. The selective emergence of the red-shifted PL peak and control of
the PL efficiency by sidewall functionalization contribute to our understanding of the intrinsic nature of
SWNTs and the practical application of SWNTs as NIR PL materials.

(d) La-La Bonded Dimetallofullerenes [La2@C2n]-: Species for Stabilizing C2n (2n = 92–96)
besides La2C2@C2n
Recent reports pointed out that the formal La2C2n (2n = 92–106) series can exist stably as carbide cluster
metallofullerenes La2C2@C2n-2 with their successful crystallographic characterization. We suggested thatthe corresponding dimetallofullerenes La2@C2n possessing the lowest potential energies are also plausible
candidates because of their favorability in statistical thermodynamics. This can be demonstrated on La2C94
and previously reported other La2C2n (2n = 92, 96–100) series by density functional theory calculations andstatistical mechanics analyses. It was found that these thermodynamically favorable La2@C2n isomers
turned out to be kinetically unstable radicals due to the presence of one unpaired electron on the carbon
cage, making them missing fullerenes and difficult to be captured in their pristine forms, except for theexperimentally obtained La2@D5(450)-C100 that has no unpaired electron. Such kinetic instability could be
modified by electron reduction (the products were denoted as [La2@C2n]-) or other similar exterior
functionalization with CF3 and benzyl radicals, resulting in La–La bonded and paramagnetic species
capable of being captured. On the basis of these approaches, carbon cages D3(85)-C92, Cs(120)-C94,
D2(186)-C96, and C2(157)-C96 are predicted to be feasibly captured as both pristine carbide cluster
metallofullerenes and electron reduced dimetallofullerenes derivatives.

2. Original Papers(1) T. Sugahara, J. –D. Guo, T. Sasamori, S. Nagase, and N. Tokitoh,"Reversible Addition of Terminal Alkenes to Digermynes"― 66 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Chem. Commun., 54, 519-522 (2018).
(2) Z. Slanina, F. Uhlík, S. Nagase, T. Akasaka, X. Lu, and L. Adamowicz,"Cyclic Water-Trimer Encapsulation into D2(22)-C84 Fullerene"
Chem. Phys. Lett., 695, 245-248 (2018).
(3) T. Sugahara, J. –D. Guo, T. Sasamori, S. Nagase, and N. Tokitoh,"Regioselective Cyclotrimerization of Terminal Alkynes Using a Digermyne"

Angew. Chem. Int. Ed., 57, 3499-3503 (2018).
(4) Q. –Z. Li, J. –J. Zheng, L. He, S. Nagase, and X. Zhao,"La-La Bonded Dimetallofullerenes [La2@C2n]-: Species for Stabilizing C2n (2n = 92-96) besides
La2C2@C2n"
Phys. Chem. Chem. Phys., 20, 14671-14678 (2018).
(5) T. Sugahara, J. –D. Guo, D. Hashizume, T. Sasamori, S. Nagase, and N. Tokitoh,"The Selective Formation of a 1,2-Disilabenzene from the Reaction of a Disilyne with
Phenylacetylene"

Dalton Trans., 47, 13318-13322 (2018).
(6) Y. Maeda, Y. Konno, M. Yamada, P. Zhao, X. Zhao, M. Ehara, and S. Nagase,"Control of Near Infrared Photoluminescence Properties of Single-Walled Carbon Nanotubes by
Functionalization with Dendrons"
Nanoscale, 10, 23012-23017 (2018).

3. Review(1) M. Yamada, T. Akasaka, and S. Nagase,"Salvaging Reactive Fullerenes from Soot by Exohedral Derivatization"
Angew. Chem. Int. Ed., 57, 13394-13405 (2018).

― 67 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

田中一義

FIFC リサーチフェロー
1. 今年度の研究の要約
有機金属錯体における水素貯蔵の可能性探索は、燃料電池の水素源確保に向けて重要である。この考えに沿って 2017 年度は PH3 を配位子とするメタロセン錯体 (M = TiIII, CrIII,
ScIII および VIII) における水素分子との反応と吸着について、遠距離および分散力補正を含めた DFT 計算(B97XD/aug-cc-pVDZ)解析に基づく理論的検討を行った。特に Kubas 錯体の形成と余剰の水素分子の吸着に着目して反応および吸着エンタルピーの算出を行い、それ ぞ れ の 金 属 錯 体 に お け る 水 素 吸 蔵 能 の 評 価 を 行 っ た 。 こ れ に よ り [Cp2TiIII(PH3)]+,[Cp2ScIII(PH3)]+ および[Cp2VIII(PH3)]+ については１分子当たり２個の水素分子吸着能が発現することを明らかにした。しかしこれらは重金属で分子量も大きい欠点もある。したがって 2018 年度には軽金属である Mg を用いて軽量化に向けた有機金属錯体分子を設計し、同時により多量の水素分子の吸着を実現することを目指した理論的検討を行った。
なおこの要約はトヨタ自動車と豊田中研との共同研究の一部であり、平成 31 年 3 月の日化春季年会で発表済みの部分である。また実験的な研究部分は省略した。
【始めに】 燃料電池を搭載した自動車(FCV)における水素ガス供給法としては、通常の航続距離等を考慮した場合 700 気圧程度に加圧充填した水素タンクを積載する必要がある。その安全性は一応担保されて市販の FCV 車種に搭載されているが、高圧に耐える容器の重量および体積軽減などさらに改善すべき点をいくつか含んでおり、これに向けた可能性を探ることが重要な課題となっている。
したがって有機金属錯体における水素分子貯蔵の可能性を明らかにすることは意味があると考えられる。
本研究では有機金属錯体への水素分子付加反応についての理論的解析を行っている。2017 年度には図 1 に示すような付加体（Kubas 錯体）1)において R をホスフィン(PH3)とし、M を TiIII, ScIII, CrIII
および VIII とするメタロセン錯体について水素分子吸着に関する解析を行い、吸着されうる水素分子数やその電子状態に関する解析を行ったが、これらにおける吸着水素分子数は２であった。M のR(a)Fig. 1

M

R

H
H

(b)

M

H
H

Two kinds of Kubas complexes: (a) horizontal Kubas complex, and (b) vertical Kubas

complex, where M stands for a transition metal of valence III state and R for an appropriate
ligand.

― 68 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

うちで CrIII については安定な解が得られなかった。
これに引き続いて 2018 年度には金属錯体分子の軽量化および吸着水素分子数の向上を目指して、
図 2 に示す３種類の Mg 有機分子錯体を設計し、これらの錯体における水素分子吸着に関する計算を行い、吸着しうる水素分子数やその電子状態に関する解析を行った。

Fig. 2Three kinds of organomagnesium complexes examined in this study.

【計算方法】 計算には Gaussian09 ソフトを使用し 2)、密度汎関数理論(DFT)に基づくB97XD 法を用いた。基底としては cc-pVDZ を使用した。具体的には図 2 に示す Mg 有機金属錯体の構造最適化を行い、これらに対する水素分子吸着の可能性、最大吸着数、吸着した状態の錯体の構造最適化、さらに吸着された水素分子の電子状態等に関する知見を得るための解析を行った。
【Mg-catecholate の解析結果】
水素分子が吸着される前のこの錯体の構造は図 3(a)のようで、この錯体には水素分子が結合する
ことなくすぐに吸着を開始して、最高で水素 6 分子が吸着されることが明らかとなった（図 3(b),(c)）。

H4

H3

H6

H1
H12

H10

Fig. 3

(a)

O1

H5

H2

H7 H8

H11

H9

(b)

(c)

Optimized structures of (a) Mg-catecholate complex and (b) that with six absorbed

H2 molecules.

In (c) is indicated the same with (b) from a different angle with indicationof adsorbed H2 molecules by red-broken ovals.
最初の水素分子吸着によるエンタルピー安定化は 19.09 kJ/mol（298.15 K, 1 atm; 以下同じ）、
第 2、
第 3 および第 4 の水素分子吸着によるエンタルピー安定化の増分はそれぞれ 17.00, 13.57, 10.43
kJ/mol であった。さらに第 6 の水素分子吸着による安定化の増分は、第 4 分子吸着からすれば 12.04
kJ/mol で１分子当たりの増分は 6.02 kJ/mol であった。このように吸着水素分子数が増えるほど、エ― 69 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

ンタルピー安定化の増分は漸減するが、少なくとも第 6 水素分子まで吸着されることが明らかとなった。なお Tsivion らは、Mg-catecholate に水素分子が３分子まで吸着されうることを報告している
3)。
この第 6 水素分子まで吸着した構造における H1-H2 距離は 0.762 Å（WBI = 0.986）で、孤立水素分子の結合距離 0.758 Å (WBI = 1.000)に比較して少し緩むものの、吸着された状態であることが分かる。Mg からの H1 と H2 への距離は 3.097 Å と 2.838 Å である。一方、H3-H4 および H5-H6 の結合距離は 0.767 Å (WBI = 0.959)および 0.768 Å (WBI = 0.957)で、同じく孤立水素分子からの変化はほと
んどなく、また Mg からの距離もかなり遠い（2.276～2.455 Å 程度）など、この錯体に吸着されていると見てよいことが分かる。したがって、これらの吸着水素分子は燃料電池の水素源として使用できる可能性があることになる。
【Mg-oxalate の解析結果】
水素分子が吸着される前のこの錯体の構造は図 4(a)のようで、この錯体でも水素分子が結合する
ことなくすぐに吸着を開始して、最高で水素 7 分子が吸着されうることが明らかとなった（図4(b),(c)）。

H6
H5
H3
H1

H4
H2

O1

C1

O2

Mg
H7

H8

C2

One more H2 moleculebehind the five-membered
ring

(a)
Fig. 4(c)(b)

Optimized structures of (a) Mg-oxalate complex and (b) that with seven absorbed

H2 molecules.

In (c) is indicated the same with (b) from a different angle with indicationof adsorbed H2 molecules by red-broken ovals.
Mg-oxalate では最初の水素分子吸着によるエンタルピー安定化は 21.33 kJ/mol、第 2、第 3 および第 4 の水素分子吸着によるエンタルピー安定化の増分はそれぞれ 18.94, 16.86, 13.82 kJ/mol であった。
さらに第 6 の水素分子吸着による安定化の増分は、第 4 分子吸着からすれば 7.11 kJ/mol で１分子当たりの増分は 3.56 kJ/mol であった。Oxalate の場合にはさらに 7 分子まで吸着されうることが明らかになり、第 6 分子吸着からの増分は 4.08 kJ/mol となった。このように吸着水素分子数が増えるほど、エンタルピー安定化の増分は漸減するが、少なくとも第 7 水素分子まで吸着されることが明らかとなった。
この第 7 水素分子まで吸着した構造における H1-H2 距離は 0.766 Å（WBI = 0.961）で、孤立水素― 70 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

分子の結合距離 0.758 Å (WBI = 1.000)に比較して少し緩むものの、吸着された状態であることが分かる。Mg からの H1 と H2 への距離は 2.277 Å と 2.379 Å である。一方、H3-H4 および H5-H6 の結合距離は 0.768 Å (WBI = 0.960)および 0.762 Å (WBI = 0.986)で、同じく孤立水素分子からの変化はほと
んどなく、また Mg からの距離もかなり遠い（2.277～2.379 Å 程度）など、この錯体に吸着されていると見てよいことが分かる。したがって安全を見ると、Mg-oxalate でも第 6 番目の吸着水素分子
までは燃料電池の水素源として使用できる可能性があることになる。
【Mg-ethanediolate の解析結果】
水素分子が吸着される前のこの錯体の構造は図 5 (a)のようで、この錯体には水素分子が結合することなくすぐに吸着を開始して、最高で水素 6 分子が吸着することが明らかとなった（図 5(b),(c)）。

H4

H3

H6
H1

H5
C1
O1

H2

C2

(b)

(a)
Fig. 5(c)

Optimized structures of (a) Mg-ethanediolate complex and (b) that with six absorbed

H2 molecules.

In (c) is indicated the same with (b) from a different angle with indicationof adsorbed H2 molecules by red-broken ovals.
Mg-ethanediolate では最初の水素分子吸着によるエンタルピー安定化は 16.55 kJ/mol、第 2、第 3および第 4 の水素分子吸着によるエンタルピー安定化の増分はそれぞれ 14.97, 14.31, 12.89 kJ/molであった。さらに第 6 の水素分子吸着による安定化の増分は、第 4 分子吸着からすれば 11.25 kJ/mol
で１分子当たりの増分は 5.63 kJ/mol であった。このように吸着水素分子数が増えるほど、catecholate
や oxalate と同様にエンタルピー安定化の増分は漸減するが、少なくとも第 6 水素分子まで吸着されると言える。
この第 6 水素分子まで吸着した構造における H1-H2 距離は 0.768 Å（WBI = 0.954）で、孤立水素分子の結合距離 0.758 Å (WBI = 1.000)に比較して少し緩むものの、吸着された状態であることが分かる。Mg からの H1 と H2 への距離は 2.283 Å と 2.467 Å である。一方、H3-H4 および H5-H6 の結合距離は 0.767 Å (WBI = 0.963)および 0.766 Å (WBI = 0.973)で、同じく孤立水素分子からの変化はほと
んどなく、また Mg からの距離もかなり遠い（2.268～2.467 Å 程度）など、この錯体に吸着されてい る と 見 て よ い こ と が 分 か る 。 し た が っ て catecholate の よ う に ベ ン ゼ ン 環 が な く 軽 量 な
Mg-ethanediolate でも第 6 番目の吸着水素分子までは燃料電池の水素源として使用できる可能性があることになる。

― 71 ―

Ⅳ

研究業績（2018）【まとめ】
以上の理論的解析から明らかになった知見は以下のようにまとめられる。
(1) Mg-catecholate, Mg-oxalate, Mg-ethanediolate ともに図 1 の Kubas 様の錯体は作らず、最初の水素分子からすぐに吸着状態に入る。今回の解析では少なくとも 6 分子まで吸着される（特に oxalate では 7 分子まで吸着される）。
(2) Mg-catecholate の水素分子吸着においては、水素 1 分子あたりの吸着安定化エネルギーと同エンタルピーの増分は以下のようである。
E = 25.83～11.39 kJ/mol, H = 19.09～6.02 kJ/mol(3) Mg-oxalate の水素分子吸着においては Mg 側に吸着するのがエネルギー的に有利で、水素１分子あたりの吸着安定化は
E = 28.06～8.10 kJ/mol, H = 21.33～4.08 kJ/mol(4) Mg-ethanediolate の水素分子吸着においては同じく Mg 側に吸着するのがエネルギー的に有利で、水素１分子あたりの吸着安定化は
E = 23.64～11.76 kJ/mol, H = 16.55～5.63 kJ/mol(5) 以上の結果からすると水素分子吸着にとってベンゼン環の有無、もっと言えば電子の有無は関係ないようにみえる。したがって低分子化しても水素分子吸着が担保されることが分かる。
(6) 以上の水素分子吸着ではいわゆる結合的な兆候は認められず、詳細なデータは省略したが吸着によって Mg-O 結合の分極が僅かに変化するのみであった。水素分子と Mg-catecholate, Mg-oxalate,Mg-ethanediolate 間の共有結は生成しておらず、電子の授受もほとんどない（１分子目の水素分子吸
着では、この水素分子からごくわずかな電子移動があるのみであり、水素分子の側にわずかな電子
移動が起こっているケースもあった）。
(7) このような水素分子の遠距離相互作用的な吸着はあるいは普遍的なものであり、むしろ 2017 年
度に解析した Kubas 錯体生成などの方が特殊なケースかも知れない。
以上の知見は燃料電池における水素源の開発にとって有用なものと期待できる。ここで解析した金属錯体の実際の使用法としては粉体状態での利用などを含めて今後考慮すべき点が多くあり、それらに関する検討も必要である。また同時に金属種や分子骨格のさらなる軽量化に向けても検討を広げる予定である。
【文献】 1) G. J. Kubas, Acc. Chem. Res., 21, 120-128 (1988).
et al., Gaussian Inc., Wallingford, CT (2009).

2) Gaussian 09, Revision D.01, M. J. Frisch3) E. Tsivion, S. P. Veccham, and M. Head-Gordon,

ChemPhysChem., 18, 184-188 (2017).

2. 著書
(1)
Kazuyoshi TANAKA and Hiroyuki FUENO,“Electronic Structure of Element-Block Material As4S6 with Cage Shape Toward
Soft Electride”― 72 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

in “New Polymeric Materials Based on Element-Blocks”, Ed. Yoshiki Chujo, Chap.
11, pp.189-197, Springer Singapore (2019).
3. 総説
(1)
田中一義
「化学つれづれ草 第十二回 論文不正」
化学 73, No. 4, 19 (2018).
(2)
田中一義「化学つれづれ草 第十三回 教育と研究」
化学 73, No. 5, 39 (2018).
(3)
田中一義「化学つれづれ草 第十四回 無用の用」
化学 73, No. 6, 20 (2018).
(4)
田中一義「化学つれづれ草 第十五回 フロンティア軌道理論」
化学 73, No. 7, 49 (2018).
(5)
田中一義「化学つれづれ草 第十六回 頭がよいということ？」
化学 73, No. 8, 41 (2018).
(6)
田中一義「化学つれづれ草 第十七回 面白そうな研究テーマ？」
化学 73, No. 9, 27 (2018).
(7)
田中一義「化学つれづれ草 第十八回 サイエンスと野暮」
化学 73, No. 10, 41 (2018).
(8)
田中一義「化学つれづれ草 第十九回 海外留学のすゝめ」
化学 73, No. 11, 40 (2018).
(9)
田中一義「化学つれづれ草 第二十回 ロアルド・ホフマンさん（前編）」
化学 73, No. 12, 37 (2018).
(10)
田中一義
「化学つれづれ草 第二十一回 ロアルド・ホフマンさん（後編）」
化学 74, No. 1, 25 (2019).
(11)
田中一義
「化学つれづれ草 第二十二回 伝統と効率」
化学 74, No. 2, 28 (2019).
(12)
田中一義
「化学つれづれ草 第二十三回 思い出の研究」― 73 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

(13)

(14)

化学 74, No. 3, 55 (2019).
田中一義「ロアルド・ホフマン博士に聞く 分野を超えて挑み続けるには」
現代化学 1 月号, 24-27 (2019).
田中一義（訳）「シミュレーションか理解か －量子化学分野だけにとどまらない緊張関係―
Roald Hoffmann」
現代化学 1 月号, 28-32 (2019).

4. 学会発表(1)
Kazuyoshi Tanaka, Hiroyuki Fueno, Mitsuru Matsumoto, Kiyoshi Yamazaki, andTakuji Kita,“Theoretical Examination on Absorption of Hydrogen Molecules to
Coordinatively Unsaturated Magnesium Complexes”
日本化学会第 99 春季年会(2019) 神戸 2019/3/16 1PA-045(2)
Mitsuru Matsumoto, Kiyoshi Yamazaki, Kazuyoshi Tanaka,and Takuji Kita,“Syntheses of Coordinatively Unsaturated Magnesium Compounds and Study on its
Hydrogen Storage Properties”
日本化学会第 99 春季年会(2019) 神戸 2019/3/16 1PA-046
5. その他(1)
田中一義「計算化学はどのように役立つか」京都グリーンケミカル・ネットワーク平成 30 年度人材育成事業、京都（京都市成長産業創造センター）2018/11/6 （講演番号なし）(2)
田中一義「量子化学に基づく元素ブロックの設計」第３回元素ブロック研究会、京都（京都大学桂キャンパス）2019/3/7 （講演番号４）(3)
田中一義「計算化学は物質科学に寄与できるか？」近畿大学サイエンス・シンポジウム「躍動する物質科学・脳科学の最前線」、東大阪（近畿大学東大阪本部キャンパス）2019/3/26 （講演番号６）― 74 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

４．シニアリサーチフェロー

Shigeyoshi Sakaki
Senior Research Fellow, Kenichi Fukui Memorial Research Group II
1. Summary of the research of 2018
The complex systems consisting of transition metal element(s), heavy main-group element(s), andorganic group(s) play important roles as metal enzymes, industrial catalysts, catalysts for fine organic
synthesis, photo-sensitizer, molecular switch, luminescence material and so on. Also, they are importantresearch target in physical chemistry and molecular science, because they exhibit a variety of new geometry,
new chemical bond, rich molecular property, rich reactivity, and useful catalysis. All these features arise fromtheir flexible electronic structures. In this regard, theoretical and computational studies of the electronic
structures of the complex systems are indispensable for correct understanding of various chemical issues,
finding new functions and prediction of new useful material.
Also, these complex systems are challenging research targets from the point of view oftheoretical/computational chemistry, because their electronic structures are not simple but complicated inmany cases. One good example is multi-nuclear transition metal complexes which need the application ofmulti-reference wave-function theory in theoretical calculation. Another example is significantly large
coupling of electronic structure with surrounding atmosphere such as solvation effects, molecular crystal
effects and so on. Infinite systems such as metal-organic-framework (MOF) is new challenging target
because of its flexible structure and various new functions.
Our group is theoretically investigating the complex systems bearing complicated electronic structurewith electronic structure theory. In 2018, we performed various theoretical studies, as follows: (i)Ni(I)-Hydride Catalyst for Hydrosilylation of Carbon Dioxide and Dihydrogen Generation: Theoretical
Prediction and Exploration of Full Catalytic Cycle, (ii) Theoretical Insight into Core−Shell Preference for
Bimetallic Pt‑M (M = Ru, Rh, Os, and Ir) Cluster and Its Electronic Structure, (iii) Rhodium Complexes
Bearing PAlP Pincer Ligands, (iv) Reversible Oxidative Addition/Reductive Elimination of a Si-H Bond with
Base-Stabilized Silylenes: A Theoretical Insight, (v) Mechanism of NO–CO reaction over highly dispersed
cuprous oxide on γ-alumina catalyst using a metal–support interfacial site in the presence of oxygen:similarities to and differences from biological systems, (vi) How To Perform Suzuki-Miyaura Reactions of
Nitroarene or Nitrations of Bromoarene Using a Pd0 Phosphine Complex: Theoretical Insight and Prediction,(vii) QM/MM Approach to Isomerization of Ruthenium(II) Sulfur Dioxide Complex in Crystal; Comparison
with Solution and Gas Phases, (viii) Theoretical Insight into Gate-Opening Adsorption Mechanism andSigmoidal Adsorption Iso therm into Porous Coordination Polymer, and so on. We wish to report some ofthem, below.
(i) Theoretical Insight into Core−Shell Preference for Bimetallic Pt‑M
(M = Ru, Rh, Os, and Ir) Cluster and Its Electronic Structure[2]PtmMn (M = Ru, Rh, Os, and Ir; m+n = 38 and 55) clusters are
systematically investigated using DFT calculations. In octahedral 38-atomcluster, core-shell structure M6@Pt32 with M6 core and Pt32 shell is stablefor Pt-Rh and Pt-Ir combinations but is not for Pt-Ru and Pt-Os
combinations. In 55-atom cluster, icosahedral M13@Pt42 structure is stable
for all Pt-M combinations, indicating that large cluster is more preferable tostabilizing the core-shell structure than small cluster. The difference incohesive energy (Ecoh) between M13 and Pt13 and the distortion energy― 75 ―

Scheme 1. Structure of
Pt-Ru core-shell particle
with Pt shell and its DOS.

Ⅳ

研究業績（2018）{Edis(M13)} of M13 are parallel to the segregation energy (Eseg), indicating that these are important factors forstabilizing M13@Pt42. One more crucially important factor is the interaction energy (Eint) between M13 coreand Pt42 shell, because Eint is parallel to Eseg and its absolute value is much larger than those of Edis(M13) andEdis(Pt42). The Eint depends on energy gap between LUMO of M13 core and HOMO of Pt42 shell, indicatingthat LUMO energy of M13 and HOMO energy of Pt42 are good properties for understanding and predicting
stability of core-shell structure. Pt atom is more positively charged in M13@Pt42 than in Pt55, and the HOMO
energy of M13@Pt42 is higher than that of Pt55. The presence of these two contrary factors for O2 binding
suggests that M13@Pt42 is not bad for O2 binding.
(ii) Reversible Oxidative Addition/Reductive Elimination of a Si-H Bond with Base-Stabilized
Silylenes[4]H
Although oxidative addition (O.A.) and
H
H
Ph
Ph
H
H
H
Si
(i) One-step reaction
+
N Si
N Si
Si H Ph
reductive elimination (R.E.) are exceedingly
Ph
Early Si -Si bond formation (TS)
PR
PR
Early Si -H bond formation (TS)
important processes in organometallic chemistry,
1b
2b
TS
TS
H
Ph
such processes are still extremely rare for main(ii) Stepwise reaction
N Si Si H Ph
I(XH) (X = P, N, C , C )Cgroup element species. Here we report aI(XSi) (X = P, N, C , C )C P HRtheoretical study on the reaction of3(PH)phosphine-stabilized silylenes with silanes which Scheme 2. Two kinds of reaction course of oxidative
addition and reductive elimination.
proceeds via reversible O.A./R.E. at room
temperature, as shown in Scheme 2. Of particular interest, this theoretical approach highlights the importantrole of the ligand, which can greatly
affect kinetics and energy balance ofthe reaction. Indeed, in contrast to thecase of free aminosilylenes, thereaction of ligand-supported silylenes
proceeds in an unsynchronized mannerand starts with the silylene→silane-1chargetransfer(CT).
Suitably Figure 1. Gibbs energy profile (kcal mol ) in one step andelectron-donating ligands such as stepwise oxidative additions
phosphines or N-heterocyclic carbenes,
enhancing the CT at the transition state (TS), significantly decrease the Gibbs activation energy and theexergonic nature of the reaction (Figure 1), which promote the O.A./R.E. processes. In the same way, silanes
with electron-withdrawing groups also favor the CT and thus stabilize the TS. It was also computationallypredicted that phosphine-stabilized silylenes should be able to activate the C-Si bond oftrimethoxy(ethynyl)silane (HC≡C-Si(OMe)3) and that the reaction should proceed in a reversible manner
under mild conditions.
1

1

2

1

2

1

2

2

1

2

1

2

Si-Si

Si-H

1

Rea_IntPH

1

N

P

2

2

2

IntPH_Prd

2

2

P

N

P

N

2

(iii) How To Perform Suzuki-Miyaura Reactions of Nitroarene or Nitrations of Bromoarene Using a
Pd0 Phosphine Complex[7]Pd0(BrettPhos) 1 was experimentally applied to Suzuki-Miyaura reaction of nitroarenes which occurs
through oxidative addition of nitroarene (ArNO2) to Pd0. On the other hand, Pd0(tBu-BrettPhos) 2 wasexperimentally applied to nitration of bromoarenes which occurs through reductive elimination of nitroarene(Scheme 3). DFT calculations disclosed that oxidative addition of 4-nitroanisole to 1 was exergonic but that― 76 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

to 2 was endergonic, indicating that 1 is useful foroxidative addition of Ar-NO2 bond but 2 is useful for
reductive elimination of Ar-NO2 bond. This difference
in reactivity between 1 and 2 is explained in terms thatbulky tBu groups on tBu-BrettPhos destabilize PdII Scheme 3. Oxidative addition and reductive
elimination of Ph-NO2 bond on Pd0 complex
complex PdII(Ar)(NO2)(tBu-BrettPhos) due to large
steric repulsion between Ar and tBu-BrettPhos but lessbulky cyclohexyl groups on BrettPhos do not. It is theoretically predicted here that NMe2-substituted
BrettPhos is better for Ar-NO2 bond cleavage than BrettPhos but xyl-BrettPhos is good for Ar-NO2
formation like tBu-BrettPhos, where NMe2 and 2,6-dimethylphenyl groups are introduced to BrettPhos
instead of isopropyl and cyclohexyl groups, respectively.
(iv) QM/MM Approach to Isomerization of Ruthenium(II) Sulfur Dioxide Complex in Crystal;Comparison with Solution and Gas Phases[8]The theoretical study of chemical reactions in molecular crystals is a challenging research target. To
optimize the transition state in a crystal, we have improved the crystal model and modified the quantum
mechanics/molecular mechanics (QM/MM) method based on the periodic MM crystal model. We applied
this method to the ruthenium(II) sulfur dioxide complex [RuII(NH3)4(SO2)Py]2+ 1Py which is potentially
useful for optical data storage systems in crystal because this Ru complex has two isolable metastablestructures, η1-O-bound MS1 and η2-S,O-bound MS2, in addition to η1-S-bound ground state GS in crystal.
MS2 and MS1 are formed from GS by photoirradiation at low temperature (10−100 K) and thermal
isomerization occurs from MS2 to MS1 and from MS2 to GS by raising the temperature (Scheme 4). For
comparison, the thermal isomerization of [RuII(NH3)4(SO2)L]n+ (L = Cl−, W (water), and Py) wasinvestigated in gas and aqueous phases, where thethree-regions 3D reference site interaction model
self-consistent field (RISM-SCF) method was
employed to incorporate solvation effects in the
aqueous phase. In the gas phase, MS2 is more stable
than MS1 for L = Cl− but less stable for L = W and Scheme 4. Photo and thermal isomerization of
Py. Thermal isomerization occurs with similar Ru(II) SO2 complex.
changes in geometry and charge distribution among
L = Cl−, W, and Py, whereas the energy profile of L =Cl− differs very much from those of L = W and Py.
In the aqueous phase, MS1 becomes much lessstable than MS2 and the RuII complex becomes
lower in energy following the order MS1 > MS2 >GS for L = Cl−, W, and Py because of the small
solvation free energy for MS1. In crystal, 1Py also
becomes lower in energy following the order MS1 >MS2 > GS. The MS1 → MS2 isomerization occurs Scheme
5.
SchematicalpresentationofisomerizationofRu(II)
SO
complexingas,
2with much smaller activation energy than the MS2
solution, and crystal phases→ GS in crystal phase, which is consistent with theexperimental observations. In crystal, the short-range
steric repulsion between the SO2 of the target QM molecule and the neighboring Ru complex and the― 77 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

long-range ES interaction between the target molecule and the MM crystal play crucially important roles indetermining the relative stabilities of MS1 and MS2 and the energy barrier of the thermal isomerization.
(v) Theoretical Insight into Gate-Opening Adsorption Mechanism and Sigmoidal Adsorption Iso therm
into Porous Coordination Polymer[9]Gate-opening adsorption mechanism and sigmoidal adsorption isotherm were theoreticallyinvestigated taking CO2 adsorption into porous coordination polymers, [Fe(ppt)2]n (PCP-N, Hppt =3-(2-pyrazinyl)-5-(4-pyridyl)-1,2,4-triazole)and[Fe(dpt)2]n(PCP-C,
Hdpt=
3-(2-pyridinyl)-5-(4-pyridyl)-1,2,4-triazole) as example (Scheme 6),
where hybrid method consisting of dispersion-corrected DFT for infinite
PCP and post-Hartree-Fock (SCS-MP2 and CCSD(T)) method for clustermodel was employed. PCP-N has site I (one-dimensional channel), site
II (small aperture to the site I), and site III (small pore) useful for CO2
adsorption. CO2 adsorption at site I occurs one by one with Langmuiradsorption isotherm. CO2 adsorption at sites II and III occurs throughScheme 6. Fe(II)-based twogate-opening adsorption mechanism, because crystal deformation energy
PCPs, flexible PCP-N and rigid(EDEF) at these sites is induced largely by the first CO2 adsorption but PCP-N
induced much less by the subsequent CO2 adsorption. Interestingly,
nine CO2 molecules are adsorbed simultaneously at these sites
because large EDEF cannot be overcome by adsorption of one CO2
molecule but can be by simultaneous adsorption of nine CO2
molecules. For such CO2 adsorption, Langmuir-Freundlich
sigmoidal adsorption isotherm was derived from equilibrium
equation for CO2 adsorption (Figure 2). Very complicated CO2
adsorption isotherm, experimentally observed, is reproduced by
combination of Langmuir and Langmuir-Freundlich adsorption
isotherms. In PCP-C, CO2 adsorption occurs only at site I with
Langmuir adsorption isotherm. Sites II and III of PCP-C cannot be
used for CO2 adsorption because very large EDEF cannot be
overcome by simultaneous adsorption of nine CO2 molecules.
Factors necessary for gate-opening adsorption mechanism are
discussed based on the basis of differences between PCP-N and
PCP-C.

Figure 2. Sigmoidal LangmuirFreundlich-type (a) and non-sigmoidal
Langmuir type (b) CO2 adsorption
isotherm

2. Original Papers(1) Vijay Singh, Shigeyoshi Sakaki, Milind M. Deshmukh,“Ni(I)-Hydride Catalyst for Hydrosilylation of Carbon Dioxide and Dihydrogen Generation: Theoretical
Prediction and Exploration of Full Catalytic Cycle”,
Organometallics, 37, 1258-1270 (2018).
(2) Jing Lu, Kazuya Ishimura, and Shigeyoshi Sakaki,“Theoretical Insight into Core−Shell Preference for Bimetallic Pt‑M (M = Ru, Rh, Os, and Ir) Cluster
and Its Electronic Structure”,
J. Phys. Chem. C 122, 9081−9090 (2018).
(3) Naofumi Hara, Teruhiko Saito, Kazuhiko Semba, Nishamol Kuriakose, Hong Zheng, Shigeyoshi
Sakaki, and Yoshiaki Nakao,“Rhodium Complexes Bearing PAlP Pincer Ligands”,― 78 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

J. Am. Chem. Soc., 140, 7070−7073 (2018).
(4) Masayuku Nakagaki, Antoine Baceiredo, Tsuyoshi Kato, and Shigeyoshi Sakaki,“Reversible Oxidative Addition/Reductive Elimination of a Si-H Bond with Base-Stabilized Silylenes: A
Theoretical Insight”,
Chem. Eur. J., 24, 11377 – 11385 (2018).
(5) Tomohiro Higashino, Atsushi Kumagai, Shigeyoshi Sakaki and Hiroshi Imahori,“Reversible -system switching of thiophene-fused thiahexaphyrins by solvent and oxidation/reduction”,
Chem. Sci., 9, 7528 (2018).
(6) Ryoichi Fukuda, Shogo Sakai, Nozomi Takagi, Masafuyu Matsui, Masahiro Ehara, Saburo Hosokawa,
Tsunehiro Tanaka and Shigeyoshi Sakaki,“Mechanism of NO–CO reaction over highly dispersed cuprous oxide on γ-alumina catalyst using a
metal–support interfacial site in the presence of oxygen: similarities to and differences from biologicalsystems”,
Catal. Sci. Technol., 8, 3833–3845 (2018).
(7) Rong-Lin Zhong, Masahiro Nagaoka, Yoshiaki Nakao, and Shigeyoshi Sakaki,“How To Perform Suzuki-Miyaura Reactions of Nitroarene or Nitrations of Bromoarene Using a Pd0
Phosphine Complex: Theoretical Insight and Prediction”,
Organometallics, 37, 3480−3487 (2018).
(8) Shinji Aono and Shigeyoshi Sakaki,“QM/MM Approach to Isomerization of Ruthenium(II) Sulfur Dioxide Complex in Crystal; Comarison
with Solution and Gas Phases”,
J. Phys. Chem. C., 122, 20701−20716 (2018).
(9) Jia-Jia Zheng, Shinpei Kusaka, Ryotaro Matsuda, Susumu Kitagawa, and Shigeyoshi Sakaki,“Theoretical Insight into Gate-Opening Adsorption Mechanism and Sigmoidal Adsorption Iso therm into
Porous Coordination Polymer”,
J. Am. Chem. Soc., 140, 13958−13969 (2018).
3. Presentation at academic conferences(1) S. Sakaki,
Theoretical Approach toward d-Electron System: From Molecular Catalysts to Molecular Crystals
and MOFs,
The 7-th Japan-Czech-Slovakia Joint Symposium for Theoretical and Computational Chemistry,
Prague, May 21-24, 2018.
(2) S. Aono, S. Sakaki
QM/MM study of thermal isomerization of Ru(II) sulfur dioxide complex in crystal; comparison
with gas and solution phases
16th International Congress of Quantum Chemistry, June 18-23, 2018, Menton, France.
(3) M. Nakagaki, S. Sakai,Electronic Structure and Bonding Nature of Trinuclear Cr(II) Complex: Remarkably Small Cr-Cr
Bond Order and Large Spin Polarization
16th International Congress of Quantum Chemistry, June 18-23, 2018, Menton, France.

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研究業績（2018）

５．リサーチリーダー

Kazuo Takatsuka
Research Leader

Summary of the research of the year
The main objective of our research here in FIFC is developing a basic framework of theoreticalchemistry, which we call the theory of nonadiabatic electron wavepacket dynamics, or time-domain
quantum chemistry, to explore new realm of theoretical chemistry beyond the framework of the
Born-Oppenheimer approximation. Outcomes of such theoretical developments in the academic
year of 2018 include; (1) Theoretical analyses on nonadiabatic electron-nuclear dynamics in termsof their fluxes (currents) in molecules [3,4]. Analysis of electron current in molecules is extremely
powerful and vivid view of real-time dynamics of chemical reactions. (2) Nature of chemical bonds
having densely quasi-degenerate electronic states, which undergoes very frequent nonadiabatic
transitions among many adiabatic state, which is thereby called chemistry without notion ofpotential energy surface [5]. This is a theory of nature of chemical bond in second or third
generation, which was never considered before by Pauling, Ruedenberg, Fukui and other great
quantum chemists. (3) Coupled proton and electron-wavepacket transfer (CPEWT) in the system ofwater splitting by Mn oxides both in photo-excited and ground states. We have been finding several
basic chemical principles involved in the series of reactions, beginning from charge-separation
dynamics to oxygen molecule generation therefrom [6]. (4) Various theoretical attempts to extend
the beyond-Born-Oppenheimer theoretical scheme have been made, with a particular example being
development of a formalism of nuclear and electronic simultaneous full-quantum dynamics [1]. We
will proceed to this aspect more technically. (5) In this year I have started a theoretical project with
Dr. Hanasaki about relativistic theory of nonadiabatic electron dynamics in intense laser fields. Twovery long papers are already published in C. Chem. Phys. A and Phys. Rev. A as of November 2019.
Thus our research group has been making a progress in very characteristic yet fundamental field of
theoretical chemistry.
(i) Nonadiabatic nuclear and electronic quantum wavepacket dynamics [1]In this study, the path-branching theory as a nonadiabatic electron wavepacket theory (Yonehara
et al., 2012), in which nonadiabatic electron wavepackets are propagated in time along branching
nuclear paths, has been extended so that Gaussian nuclear wavepackets are to be evolved in timealong the variational quantum paths, which are determined consistently with the electron dynamics.
ii) Ab-initio calculation of femtosecond-time-resolved photoelectron spectra of NO2 after
excitation to the A-band [2]We have presented calculations of time-dependent photoelectron spectra of NO2 after excitation to― 80 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

the A-band for comparison with extreme-ultraviolet (XUV) time-resolved photoelectron
spectroscopy. We have calculated potential energy surfaces of the two lowest-lying coupled 2A0
states obtained from multi-reference configuration-interaction calculations to propagate thephoto-excited wave packet using a split-step-operator method. The propagation includes thenonadiabatic coupling of the potential surfaces as well as the explicit interaction with the pumppulse centered at 3.1 eV (400 nm). A semiclassical approach to calculate the time-dependent
photoelectron spectrum arising from the ionization to the eight energetically lowest-lying states of
the cation allows us to reproduce the static experimental spectrum up to a binding energy of 16 eVand enables direct comparisons with XUV time-resolved photoelectron spectroscopy. This work is a
result of collaboration with Professor Hans Wörner and his group at ETH.
iii) Electronic and nuclear flux analysis on nonadiabatic electron transfer reaction: A view
from single-configuration adiabatic Born-Oppenheimer representation [3]A detailed flux analysis on nonadiabatically coupled electronic and nuclear dynamics in theintramolecular electron transfer of LiF has been investigated. Full quantum dynamics both ofelectrons and nuclei within two-state model has uncovered interesting features of the individual
fluxes (current of probability density) and correlation between them. In particular, a spatiotemporaloscillatory pattern of electronic flux has been revealed, which reflects the coherence coming fromspatiotemporal differential overlap between nuclear wavepackets running on covalent and ionic
potential curves. In this regard, a theoretical analogy between the nonadiabatic transitions and the
Rabi oscillation is surveyed. We also present in this paper a flux–flux correlation between the
nuclear and electronic motions, which quantifies the extent of deviation of the actual electronic andnuclear coupled dynamics from the Born–Oppenheimer adiabatic limit, which is composed only ofa single product of the adiabatic electronic and nuclear wavefunctions.
iv) Electronic and nuclear fluxes induced by quantum interference in the adiabatic andnonadiabatic dynamics in the Born-Huang representation [4]This work is the second part, the first one being the above item (iii), of our series of study on anelectronic and nuclear flux analysis for nonadiabatic dynamics. The corresponding adiabatic
counterpart, both of the wavefunctions of which are represented in the Born-Huang expansion. It is
well known that the electronic-nuclear configurations (terms) in the expansion of the total
wavefunction interfere each other through the nonadiabatic interactions and give birth to electronic
and nuclear fluxes. Interestingly, even in the adiabatic dynamics without such nonadiabaticinteractions, a wavefunction composed of more than one adiabatic state can undergo interference
among the components and give the electronic and nuclear fluxes. That is, the individual pieces of
the wavepacket components associated with the electronic wavefunctions in the adiabatic
representation can propagate in time independently with no nonadiabatic interaction, and yet they
can interfere among themselves to generate the specific types of electronic and nuclear fluxes. We
refer to the dynamics of this class of total wavefunction as multiple-configuration adiabatic― 81 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Born-Huang dynamics. A systematic way to distinguish the electronic and nuclear fluxes arisingfrom nonadiabatic and the corresponding adiabatic dynamics is discussed, which leads to the deeper
insight about the nonadiabatic dynamics and quantum interference in molecular processes. The
so-called adiabatic flux has been also discussed.
v) Chemical bonding and nonadiabatic electron wavepacket dynamics in densely
quasi-degenerate excited state manifold of boron clusters [5]Formation of chemical bonds is theoretically discerned by the presence of static nuclear
configuration on a potential energy surface given within the Born–Oppenheimer framework. We
here have studied dynamical chemical bonding for molecules residing in the electronic excitedstates that are in a densely quasi-degenerate electronic state manifold and thereby keep undergoing
extremely frequent nonadiabatic transitions. For this type of the states, the notion of global potential
energy surfaces based on the adiabatic representation loses the usual sense. Nonetheless, chemicalbonding exists and associated chemical reactions certainly proceed, for which we call chemistry
without potential surfaces. As such, we investigate the highly excited states of boron clusters, whichhave extraordinarily long lifetimes with neither ionization nor dissociation. The dynamical chemicalbonds keep rearranging themselves without converging to a static structure, the vivid electron
dynamics of which is tracked by means of the nonadiabatic electron wavepacket dynamics theory.
To characterize the dynamical bonding theoretically, we have proposed the notion of
hyper-resonance.

vi) On the Elementary Chemical Mechanisms of Directional Proton Transfers: A
Nonadiabatic Electron-Wavepacket Dynamics Study [6]We have proposed a set of chemical reaction mechanisms of unidirectional proton transfers, which
may possibly work as an elementary process in chemical and biological systems. Being
theoretically derived based on our series of studies on charge separation dynamics in water splitting
by Mn oxides, the present mechanisms have been constructed after careful exploration over theaccumulated biological studies on cytochrome c oxidase (CcO) and bacteriorhodopsin. In particular,
we have focused on the biochemical findings in the literature that unidirectional transfers ofapproximately two protons are driven by one electron passage through the reaction center (binuclear
center) in CcO, whereas no such dissipative electron transfer is believed to be demanded in the
proton transport in bacteriorhodopsin. The proposed basic mechanisms of unidirectional protontransfers were further reduced to two elementary dynamical processes, namely, what we call the
coupled proton and electron-wavepacket transfer (CPEWT) and the inverse CPEWT. To show thatthe proposed mechanisms can indeed be materialized in a molecular level, we constructed model
systems with possible molecules that are rather familiar in biological chemistry, for which we have
performed the ab initio calculations of full-dimensional nonadiabatic electron-wavepacket dynamics
coupled with all nuclear motions including proton transfers.

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Ⅳ

研究業績（2018）

2. Original papers[1] Nonadiabatic nuclear and electronic quantum wavepacket dynamics
Kazuo Takatsuka， Chem． Phys． 515， 52-59 (2018)．
https://doi．org/10．1016/j．chemphys．2018．07．006[2] Ab-initio calculation of femtosecond-time-resolved photoelectron spectra of NO2 after excitation
to the A-band
Andres Tehlar， Aaron von Conta，Yasuki Arasaki， Kazuo Takatsuka， and Hans Jakob
Woerner， J． Chem． Phys． 149， 034307 (2018)． (13 pages)
https://doi．org/10．1063/1．5029365[3] Electronic and nuclear flux analysis on nonadiabatic electron transfer reaction: A view fromsingle-configuration adiabatic Born-Oppenheimer representation
Rei Matsuzaki and Kazuo Takatsuka，J．Comput．Chem．(Morokuma memorial issue)，
40 148-163 (2019)． DOI: http://dx．doi．org/10．1002/jcc．25557[4] Electronic and nuclear fluxes induced by quantum interference in the adiabatic and nonadiabatic
dynamics in the Born-Huang representation．
Rei Matsuzaki and Kazuo Takatsuka， J． Chem． Phys． 150， 014103 (2019)． (22 pages)
DOI: https://doi．org/10．1063/1．5066571[5] Chemical bonding and nonadiabatic electron wavepacket dynamics in densely quasi-degenerate
excited state manifold of boron clusters．
Yasuki Arasaki and Kazuo Takatsuka， accepted for publication， J． Chem． Phys． 150，
114101 (18 pages) (2019)
DOI: https://doi．org/10．1063/1．5094149[6] On the Elementary Chemical Mechanisms of Directional Proton Transfers: A Nonadiabatic
Electron-Wavepacket Dynamics Study．
Kentaro Yamamoto and Kazuo Takatsuka， J． Phys． Chem. A 123, 4125-4138
3. Presentation at academic conferences［国際研究集会］“Recent Progress in Nonadiabatic Electron Wavepacket Dynamics”― 83 ―

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研究業績（2018）

Kazuo Takatsuka，Mini-workshop on nonadiabatic chemistry，Peking Universtity， May 19-20， 2018
“Nonadiabatic phenomena: From wavepacket bifurcation to machinery behind biochemical
dynamics”
Kazuo Takatsuka，International Conference on Nonadiabatic Dynamics (ICND 2018)21-23， 2018 at Peking University Shenzhen Graduate School， China［国内研究集会］“Jahn-Teller， Hellmann-Feynman， 多次元非断熱動力学”
高塚和夫 理論化学討論会，岡崎，2018．5．15-17“Hyper-resonance あるいは動的化学結合； 新しい化学結合様態”
新崎康樹，高塚和夫 分子科学討論会，福岡(福岡国際会議場)，9．10-9．13/2018“非断熱過程における電子と原子核のフラックス”
松崎 黎，高塚 和夫 第２１回 理論化学討論会
ンフェレンスセンター

２０１８年５月１５日，岡崎コ"一方向的なプロトン移動の化学的な機構について: 非断熱電子動力学による研究",山本憲太郎，高塚和夫 第 16 回京都大学福井謙一記念研究センターシンポジウム,
京都 2019/2/8 P15．
"生物系に見られる一方向的なプロトンおよび電子移動の化学的な機構について"
山本憲太郎，高塚和夫 第 12 回分子科学討論会, 福岡 2018/9/10-13 2D19．
"電子の往復運動に駆動されるプロトンポンプの化学的な機構について: 非断熱電子動力学による解析"山本憲太郎，高塚和夫 第 21 回理論化学討論会, 岡崎 2018/5/15-17 3L01．

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研究業績（2018）

６．研究員

Kazuo Kitaura
Research Fellow
1. Summary of the research of the year
Pair Interaction Energy Decomposition Analysis For Density Functional Theory
Pair interaction energy decomposition analysis in the fragment molecular orbital (FMO) method is
extended to treat density functional theory (DFT). Energy components obtained from the DFT levels arecompared to the values obtained with Hartree-Fock, second order Møller-Plesset (MP2) and coupled cluster
methods.
In the FMO method1), the total energy of entire system E is computed using energies of fragments
and fragment pairs,
N

N

I

I J

E   EI   EIJ

(1)

where N, EI' and ΔEIJ are the number of fragments, the internal energy of monomer I, and the interactionenergy between fragments I and J(Pair Interaction Energy; PIE), respectively. PIEDA2) is a method to divide
PIE into components, according to an energy decomposition method for molecular interactions4);
intermolecular interaction energy at the Hartree-Fock level is decomposed into electrostatic(ES),exchange-repulsion(EX), polarization(PL), and charge-transfer+mix(higher order coupling energy)(CT-MIX).
The computation of PL is optional in PIEDA. Correlation energy contribution(DI) is calculated separately.
Solvation energy contribution(SOLV)5) can be evaluated using polarizable continuum solvent model(PCM).
PIE is represented as a sum of these components,

EIJ  EIJES  EIJEX  EIJCT  mix  EIJDI  EIJSOLV(2)

CT+MIX energy in DFT is defined as,

E IJCT  MIX  E IJ  E IJES  E IJEX  E IJc  E IJSOLV(3)

where EIJc is pair correlation energy defined as,

E IJc  E IJc  E Ic  E Jc

( 4)

where Ec is correlation energy in DFT.6)
Correspondence between pair interaction energy components for several electronic structure theories issummarized in Table 1.

― 85 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Table 1. Correspondence between pair interaction energy (PIE) contributions.

PIEDA calculations were performed for(H2O)n (n=3,4,8) at RHF, DFT, MP2 andCCSD(T) levels (Figure 1). The basis functionused is aug-cc-pVTZ. The DFT functionals,
PBE, B3LYP, CAM-B3LYP, and M11 were used.
All FMO calculations were performed with
GMAESS7).
Figure 8 shows the

Figure 1. Structures of water clusters. Pair interactionenergies are shown in kcal/mol at the CCSD(T)/aug-cc-pVTZ level.

bondTable 1. Averaged interaction energies for hydrogen bonds(kcal/mol) in (H2O)8, and their components: electrostatic E ES ,energies in (H2O)8. Since

exchange-repulsion E EX , charge transfer + mix terms E CT MIX ,eighthydrogenthe structure is not a perfectcubic,hydrogenbondcorrelation E c andsolvent screening E SOLV energiesa.

energies are just a little
different. Table 2 shows theaveragedinteractionenergies per hydrogen bond

E and their components(results of n = 3, 4 are nota

The aug-cc-pVTZ basis set used.

shown). The electrostatic
component (ES) is quite similar for all methods (about -10 kcal/mol). The exchange-repulsion(EX) energy of 8-10
kcal/mol shows more variation than ES. DFT has a larger EX than RHF, by 1-2 kcal/mol. The charge transfer andmix component (CT+MIX) is from -1.6 to -3.0 kcal/mol for RHF and DFT. The DFT correlation energies (c) arebetween -1.6 to -2.5 kcal/ mol. The averaged correlation energies per hydrogen bond at MP2 and CCSD (T)are -1.97 and -2.08 kcal/mol, respectively (not shown). The solvation energy component (SOLV) are almost
the same for all the theories (-0.44 to -0.49 kcal / mol).
PIEDA results depend on electronic structure theory and basis set used. In a comparison of molecular― 86 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

interactions between a series of molecular systems, the same theory and basis set should be employed. In thisstudy, various theories were compared and their characteristics were clarified.
Reference 1) Kitaura, K.; Ikeo, E.; Asada, T.; Nakano, T.; Uebayasi, M. , Chem. Phys. Lett. 1999, 313,

701–706. 2) Fedorov, D. G.; Kitaura, K., J. Comput. Chem. 2007, 28, 222–237. 3) Alexeev, Y.; Mazanetz, M.
P.;Ichihara, O.; Fedorov, D. G. , Curr. Top. Med. Chem. 2012, 12, 2013–2033. 4) Kitaura, K.; Morokuma,

K., Int. J. Quant. Chem. 1976, 10, 325–340. 5) Fedorov, D. G.; Kitaura, K., J. Phys. Chem. A 2012, 116,
704–719. 6) Parrish, R. M.; Parker, T. M.; Sherrill, C. D., J. Chem. Theory Comput. 2014, 10, 4417–4431. 7)
Fedorov, D. G.,

WIREs: Comp. Mol. Sc., WIREs, 2017, 7, e1322.

2. Original papers(1) Fedorov, Dmitri G.; Kitaura,Kazuo"Pair Interaction Energy Decomposition
Analysis for Density Functional Theory and Density-Functional Tight-Binding with an
Evaluation of Energy Fluctuations in Molecular Dynamics
J. Phys. Chem. A 122, 1781-1795(2018)― 87 ―

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研究業績（2018）

７．博士研究員

Mitsusuke Tarama
Special Postdoctoral Researcher
1. Summary of the research of the year (3-5 pages, includes appropriate figures and tables)
Mechanochemical model of crawling cells
Active matter refers to objects that exhibit spontaneous motion, which results from the force that theygenerate by consuming potential energy, e.g. chemical energy. Such force should vanish in total due to the lawof action and reaction. In order to achieve active motion, such as spontaneous translational motion, under theforce-free condition, active matter should break corresponding symmetry. For active matter that swims in a
low Reynolds number fluid, this fact is known as Purcell’s scallop theorem. One simple model to test how
microswimmers can achieve a net migration is a model swimmer that is composed of three particles connected
linearly by cyclically stretching bonds.
Most biological systems are examples of active matter. The simplest unit of living system is a cell, which
already shows a variety of complicated dynamics. In the case of cell migration, we can classify cells into twogroups; one is swimming cells such as bacteria that swim in a fluidic environment. The other group is crawlingcells, which migrate by adhering to a substrate. The basic mechanism of cell crawling motion consists of four
processes (Fig. 1):① Protrusion of the leading edge due to actin polymerization② Adhesion of the leading edge to the substrate③ De-adhesion of the trailing edge from the substrate④ Contraction of the trailing edge due to the actomyosin contraction
In our previous study [M. Tarama and R. Yamamoto, JPSJ 2018], we introduced a simple model of acrawling cell that is composed of two particles (subcellular elements) connected by a viscoelastic spring. The
spring also possesses a linear actuator that cyclically elongates the cell, representing the protrusion and thecontraction. The cell can also change the characteristics of the substrate adhesion of the two elements,
corresponding to the adhesion and de-adhesion processes. We assumed a perfect cyclic actuator elongation ofsinusoidal form and a two-state transition of the substrate interaction between the adhered stick state and thede-adhered slip state. We also assume that the frequencies of these intracellular activities are the same forsimplicity, but the phase of the substrate adhesion is shifted by a given constant. This phase shift can bedifferent for the two elements since they represent different position of the cell. In fact, these two phase shifts④ Contractionof the Trailing Edge
③ Deadhesion
at the Trailing Edge

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F-actin❌

n u c le u s

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substrate

Fig. 1① Protrusionof the Leading Edge

actomyosin

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❌

focal adhesion② Adhesionof the Leading Edge

❌ ❌

❌ ❌❌❌

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membrane

The four basic processes of cell crawling mechanism.
― 88 ―

Ⅳ

Fig. 2

研究業績（2018）

Schematics of the mechanochemical model.

are the key parameters. If they are in phase, the cell undergoes symmetric oscillation with its centre-of-mass
position stationary. Since we assumed perfect intracellular activities, if the two phase shifts are in anti-phase,the model cell can exhibit the most efficient migration. However, things are not that simple; even for the antiphase case, in the worst case, the model cell cannot achieve a net migration if it undergoes reciprocating motion.
Therefore, the cellular scale regulation of the four processes is important for efficient crawling.
However, the two-element (dumbbell) model is intrinsically one dimensional, although real cells are
three dimensions. Then, we need to scale up the model. Here, we try to extend the model to two dimensions
considering a cell crawling on a flat substrate. The extension is simply achieved by representing a single cellby many elements connected by viscoelastic springs including linear actuators, as depicted in Fig. 2. In thisnetwork model, the substrate adhesion characteristic of each element again changes in time. The time evolution
equation of the element i is given byζ� �t� v� + � ��v� − v� � = �
� �Ω�

� �Ω�

κ
�
𝑟𝑟 � � − l� − l�� �t� }l� �� ��Here, the inertia term is omitted since the typical size of cells are tens of microns. However, unlike thedumbbell model, if there are many elements, it is not feasible to control all the phases, i.e., the time evolutionof the actuator elongation and the substrate interaction of all the elements, “by hand”. Therefore, we need toinclude a mechanism that regulates the elongation of the bonds and substrate adhesion characteristic of allelements. Here, we consider intracellular chemical reactions. For simplicity, we employ the reaction-diffusion
equations proposed by Sawai and his coworkers that models the intracellular PIP2 and PIP3 chemical wave
observed on the membrane of Dictyostelium cells:∂𝑈𝑈�
α𝑈𝑈� 𝑉𝑉��β𝑈𝑈� 𝑉𝑉�= 𝐷𝐷� ∇� 𝑈𝑈� −++ S − γ𝑈𝑈��∂𝑡𝑡
𝐾𝐾� + ⟨𝑉𝑉 ⟩ 𝐾𝐾� + ⟨𝑈𝑈⟩
α𝑈𝑈� 𝑉𝑉��β𝑈𝑈� 𝑉𝑉�
∂𝑉𝑉�= 𝐷𝐷� ∇� 𝑉𝑉� +−− μ𝑉𝑉�
�∂𝑡𝑡
𝐾𝐾� + ⟨𝑉𝑉 ⟩ 𝐾𝐾� + ⟨𝑈𝑈⟩

where Ui and Vi represent PIP2 and PIP3 concentration on the element i, and <x> stands for the mean value ofx over the entire cell.

Now we couple the mechanical model and the chemical reaction-diffusion model. In order to do that,
we change the actuator elongation l�� �𝑡𝑡� and the substrate adhesion characteristics ζ� �𝑡𝑡� depending on theintracellular chemical concentrations (Ui, Vi). Since the PIP3 accumulation coincides with the actin
accumulation, we assume the elongation occurs depending on the PIP3 concentration:l�� �𝑡𝑡� = �l 𝑡𝑡�����𝑉𝑉�� �𝑡𝑡��

where 𝑉𝑉�� �𝑡𝑡� = �𝑉𝑉� �𝑡𝑡� + 𝑉𝑉� �𝑡𝑡�� /2. On the other hand, we assume that the substrate adhesion characteristics― 89 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

show transition between the adhered stick state ζstick and de-adhered slip state ζslip :
where

τ�

𝑑𝑑𝑑�
= 𝑔𝑔� �ζ� � − 𝐴𝐴� 𝑔𝑔� �𝑣𝑣� � − �1 − 𝐴𝐴� �𝑔𝑔� �𝑉𝑉� �
𝑑𝑑𝑑𝑑

ζ − ζslip1ζ − ζstick1� � − 𝑑𝑑��� ��𝑔𝑔� �ζ} = − 𝑑𝑑��� �
2
2
ϵ�
ϵ�

However, it is not well-understood what controls the adhesion characteristics. Here we consider two controllingmechanisms; One is mechanical cue, for which we consider dependence on the local velocity:𝑔𝑔� �𝑣𝑣� =�𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 ∗ ��
1
−
∗
�
2
1 + �𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 �which prefers the adhered stick state when the velocity is below the critical value v < v*, whereas the deadhered slip state is preferable for v > v*. The other cue is chemical one. However, the regulating chemistry of
the substrate adhesion is far less understood. Therefore, here, we assume the dependence on the PIP3
concentration, just as the actuator elongation:𝑔𝑔� �𝑉𝑉 � =1𝑑𝑑����σ� �𝑉𝑉 𝑉 𝑉𝑉 ∗ ��
2

However, it is not clear if the PIP3 concentration enhances the stick state or the slip state, which are realized
by the sign of the coefficient σ� (the stick state is preferable for high PIP3 concentration if σ� < 0, while
the slip state is more likely for high PIP3 concentration if σ� > 0).

Therefore, we tested both positive and negative σ� . Interestingly, we obtained qualitatively opposite

results as in Fig. 3. If σ� > 0, the cell migrates in the opposite direction to the chemical wave (Fig. 3(a)),
whereas it crawls in the same direction if σ� < 0 (Fig. 3(b)).

Fig. 3Cell crawling for (a) positive and (b) negative 𝜎𝜎� .
― 90 ―

Ⅳ

Fig. 4

研究業績（2018）(a) Trajectory of the centre-of-mass position of randomly crawling cell and (b) the time series of

its snapshots. (c) Trajectory of the centre-of-mass position for the cell that switches between randommigration and spinning motion and (d) the time series of the snapshots of spinning cell.
Moreover, under the existence of
intracellular chemical randomness, the cell
crawls randomly in a two-dimensional
space (Figs. 4(a) and 4(b)). Depending on
the parameters, in addition to the randomtranslational motion, it also exhibits
spinning motion as depicted in Figs. 4 (c)and 4(d).
Finally, we also measure the traction
force that the cell exerts on the substrate. To
analyse it, we calculate the multipole
expansion of the traction force. The traction
force monopole is vanishing as in Fig. 5(a),which confirms the force-free condition.
On

the

other

hand,

the

diagonal

components of the traction force dipole are
oscillating between the positive andnegative values as in Fig. 5(a), whichcorrespond to the extensile and contractile

Fig. 5traction force, respectively. However, inand 𝑀𝑀� ), and the diagonal ( 𝑀𝑀��most experiments, the traction force of
crawling cells is measured to be contractile,which our current model fails to reproduce.

���(a) Time series of the traction force monopole (𝑀𝑀�

���

���

���

���

���

and 𝑀𝑀�� ) and off-

diagonal components (𝑀𝑀�� and 𝑀𝑀�� ) of the traction force
dipole. (b) Time evolution of the major components of the
���

���

traction force dipole 𝑀𝑀�� and quadrupole 𝑀𝑀��� .
― 91 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Still, the off-diagonal components of the traction force dipoles coincide with each other as in Fig. 5(a), whichis consistent with the experimental result by Tanimoto and Sano. What this means is that the model cell istorque free, since the torque monopole is equaled to the difference of the two off-diagonal components of the
traction force dipole. Finally, Tanimoto and Sano measured the trajectory of the major components of the
traction force dipole and quadrupole, which results in the counterclockwise rotation. We, thus, also measured
the same force curve. Then, interestingly, we also obtained the same counterclockwise rotation as in Fig. 5(b),although its meaning is not clear yet.
In summary, we constructed mechanochemical model for crawling cells based on the subcellularelements connected by the network of the viscoelastic springs. The mechanical model includes two
intracellular activities, the actuator elongation and the stick-slip transition of the substrate adhesiveness. Since
the force that the cell generates is represented by the actuator elongation, it acts symmetrically to the pairs of
the subcellular elements. Therefore, the model apparently satisfies the force-free condition. The mechanicalmodel is coupled to intracellular chemistry, which is modelled by the reaction-diffusion equations of thephosphorylation and de-phosphorylation of PIP2 and PIP3; the actuator elongation and the stick-slip transitionof the substrate adhesion characteristics depend on the intracellular PIP3 concentration. The dependence of thesubstrate characteristics on the PIP3 concentration, i.e., if the adhered stick state or the de-adhered slip state ispreferred for high PIP3 concentration, qualitatively changes the cell migration. If the slip state is preferred forthe high PIP3 concentration, the cell migrates in the opposite direction to the intracellular chemical wave. On
the other hand, if the stick state is preferable for high PIP3 concentration, the cell crawls in the same direction
as the intracellular chemical wave. Finally, we also measured the traction force multipoles to compare with theexperimental observation. Then, although our model failed to reproduce the only contractile traction force
dipoles, it confirms the force-free migration and the torque-free spinning motion. In addition, we obtained
counterclockwise force curve in the space of the major components of the traction force dipole and quadrupole,
which consists with the experimental observation.
Of course, our mechanochemical model is a course-grained model and the chemical reaction of the realcells are more complicated and may differ depending on the condition and for different cell types. In this sense,
the employed intracellular chemical reaction is just one example. Thus, we believe our current model can give
one standard mechanochemical model that can be applied to many other conditions and cell types by replacing
the intracellular chemistry to the appropriate ones for each specific system.

2. Books(1) Mitsusuke Tarama,“Nonlinear Dynamics of Active Deformable Particles”
Chapter 12 of "Self-organized Motion: Physicochemical Design based on Nonlinear Dynamics"(S. Nakata, V. Pimienta, I. Lagzi, H. Kitahata, N. J. Suematsu, eds.)
The Royal Society of Chemistry e-book (2019).

― 92 ―

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研究業績（2018）

3. Presentation at academic conferences(1) Mitsusuke Tarama and Ryoichi Yamamoto
Mechanics of cell crawling by means of force-free cyclic motion
Designer Soft Matter 2018, PARKROYAL Hotel on Beach Road, Singapore, 6-8 Jun., 2018.
(2) Mitsusuke Tarama and Ryoichi Yamamoto
Mechanics of cell crawling under force-free condition
27th International Liquid Crystal Conference (ILCC2018), Kyoto International Conference Center,
Kyoto, 22-27 (27) Jul., 2018.
(3) Mitsusuke Tarama and Ryoichi Yamamoto
Modeling of cell crawling by means of force-free intracellular motion
International Conference on Advances of Emergent orders in Fluctuations (APEF2018), Ito
International Research Center Symposium, The University of Tokyo, Tokyo, 12-15 (14-15) Nov.,
2018.
(4) 多羅間充輔
Cell crawling on elastic substrate
札幌非線形現象研究会 2018, 北海道大学 電子科学研究所, 27-29 (29) Aug., 2018.
(5) Mitsusuke Tarama、Ryoichi Yamamoto
Mechanics of cell crawling with force-free cyclic motion
A Satellite Symposium to celebrate Prof. Kenichi Fukui's 100th birthday, FIFC, Kyoto University,
13 Oct., 2018.
(6) Mitsusuke Tarama、Ryoichi Yamamoto
Mechanochemical modeling of crawling cells
Active Matter Workshop 2019, Meiji University, 10-11 (10) Jan., 2019 (oral).
(7) Mitsusuke Tarama、Kenji Mori, and Ryoichi Yamamoto
Modelling crawling cells: From simple mechanical model to mechano-chemical model
第 16 回京都大学福井謙一記念研究センターシンポジウム, 京都大学

福井謙一記念研究センター, 8 Feb., 2019.

4. Others(1) Mitsusuke Tarama, Kenji Mori, Ryoichi Yamamoto
Mechano-chemical subcellular-element model of crawling cells
Seminar in Sawai Lab, Univ. of Tokyo, 18 Sep, 2018.
(2) Mitsusuke Tarama
Mechanics of cell crawling by means of force-free cyclic motion
BDR Seminar in Kobe, RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research, 25 May, 2018.

― 93 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Masato Itami
Program-Specific Researcher
1. Summary of the research of the year
Stochastic order parameter dynamics for phase coexistence in heat conduction
Phase coexistence, such as liquid-gas coexistence, is ubiquitous in nature. As the most idealized situation,phase coexistence under equilibrium conditions has been studied. For example, the liquid-gas coexistence
temperature is determined by equality of the chemical potential of liquid and gas at constant pressure. The
pressure dependence of the coexistence temperature is related to the latent heat and the volume jump at thetransition point, which is known as the Clausius–Clapeyron equation. These are important consequences ofthermodynamics.
In addition to equilibrium systems, phase coexistence gives rise to a rich variety of phenomena out of
equilibrium such as flow boiling heat transfer, pattern formation in crystal growth, and motility-induced phaseseparation. Moreover, as an interesting phenomenon, it has been reported that heat flows from a colder side toa hotter side in a transient regime for continuous heating. One may expect that a deterministic hydrodynamic
equation incorporating interface thermodynamics, which is referred to as generalized hydrodynamics ordynamical van der Walls theory, could describe such dynamical phenomena. The first message of the present
study is that contrary to this expectation, stochastic dynamics is inevitable if one wants to quantitatively predict
thermodynamic properties even in steady heat conduction.
We discuss the reason why deterministic equations are not appropriate for phase coexistence in heat
conduction. In general, a deterministic macroscopic equation emerges from a microscopic description as aresult of the law of large numbers, which is applied to systems with the separation of two scales: a microscopic
length ℓ, such as the size of atoms, and the system size 𝐿𝐿. By introducing the ratio of the two scales asℓ𝜂𝜂 𝜂 ,𝐿𝐿

�1�

we express the separation of the scales as 𝜂𝜂 𝜂 𝜂, which corresponds to the thermodynamic limit in equilibrium

statistical mechanics. A deterministic description of the time evolution is obtained in an appropriate limit
involving the scale separation 𝜂𝜂 𝜂 𝜂, while small fluctuations come into the description when 𝜂𝜂 is small but

finite. With this in mind, we study the simplest case, which is phase coexistence in steady heat conduction nearequilibrium. We assume that the system is divided into two phases by a macroscopic planer interface acrosswhich the heat flows in a simple cuboid geometry. More microscopically, the interface is identified as adeformed surface of an intrinsic width 𝑤𝑤 which is at most 10�� cm. This width 𝑤𝑤 is of the same order as

the microscopic length ℓ, and the deformation of the surface is described by a capillary wave theory or

fluctuation theory. By averaging density profiles in the equilibrium ensemble, one has an effective interface of

the width w��� which is estimated as w��� ≃ ℓ�log�L/ℓ�for three-dimensional systems. We note here that𝑤𝑤��� /𝐿𝐿 𝐿𝐿 in the limit η →0. That is, the interface in the deterministic hydrodynamic equation is a singular― 94 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

surface where the interface motion may not be properly defined. When we keep the finiteness of the interface
width in the dynamics, the noise intensity also remains finite. Therefore, the limit η → 0 should be taken afterthermodynamic quantities are determined in stochastic dynamics with small but finite η.

The description with small but finite η is formulated as follows. We define mesoscopic quantities by

the average over a region of a length scale Λ satisfyingℓ ≪ Λ ≪ 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿���

so as to apply local thermodynamics to the region. For simplicity in the later argument, we set Λ � 𝐿𝐿�η forsmall η. One may take a different exponent satisfying (2), such as Λ � 𝐿𝐿η� with 0𝐿 � 𝑎𝑎 � 𝐿�. The final

result is independent of the choice of 𝑎𝑎 in the limit η → 0. In this mesoscopic description, the interface widthof the spatially averaged configuration is approximately Λ. We call this interface a mesoscopic interface.

In this description, the effective noise intensity for mesoscopic fluctuations vanishes in the limit 𝜂𝜂 𝜂𝜂,while the interface motion, which is the slowest process in equilibration, ceases in the limit 𝜂𝜂 𝜂𝜂. In thissense, the weakness of the noise is connected to the slowness of the motion. This non-trivial combination may
yield a surprising phenomenon. In this study, we formulate such a noise effect for phase coexistence in heat
conduction.
Among many first-order transitions, we specifically study the order-disorder transition associated with
the 𝑍𝑍� symmetry breaking. This is clearly the simplest case of the symmetry breaking, and it is easily

generalized to other complicated symmetry breakings, such as the nematic-isotropic transition in liquid crystals,
which may be relevant in experiments. Although the liquid-gas transition may be most popular in the firstorder transition, we study this phenomenon in another study.
For the order-disorder transition associated with the 𝑍𝑍� symmetry, one may recall a Ginzburg-Landau

equation that includes the interface thermodynamics as a gradient term. However, because this model describes
the order parameter dynamics with the isothermal condition, it cannot be used for heat conduction systems.
We must at least consider a coupled equation of the order parameter density field and the energy density field.
Such a model was proposed as a phase field model that describes crystal growth. From this direction of research,
one may interpret the stochastic model as a phase field model with noise.
When we consider a stochastic model as a generalization of the Ginzburg-Landau model, it is best to use
the concept of the Onsager theory as follows. First, we specify a set of dynamical variables. Then, under theassumption of local thermodynamics, we consider the minimum form of dissipation and noise with the detailedbalance condition at equilibrium. Concretely, the variables are the order parameter density field 𝑚𝑚, associatedmomentum density field 𝑣𝑣, and energy density field ϕ. Starting from the Ginzburg-Landau free energy, we
obtain the entropy density 𝑠𝑠 as a function of the internal energy density 𝑢𝑢 and 𝑚𝑚. By using the relation
among ϕ, 𝑢𝑢, 𝑣𝑣, and ∇𝑚𝑚, we obtain equations for �𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚� following the Onsager theory with the entropy

functional. The equations are essentially equivalent to the so-called Model C.

In this manner, a formal expression of the stochastic model is immediately obtained. However, due tothe multiplicative nature of the noise, the formal model exhibits a singular behavior. Therefore, we must
perform a careful analysis of the stochastic process by appropriately choosing the short-length cut-off of thenoise. It should be noted that the singularity is specific to the dynamics of non-conserved quantities and that it
does not appear in the standard fluctuating hydrodynamics. By a theoretical argument using the separation of― 95 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

scales, we obtain a consistent stochastic model. We do not find references that mention this remark, but this is
not surprising even if it was well-recognized by specialists in the 1970's.
The theory for stochastic models related to thermodynamics has developed significantly over the lasttwo decades. This mainly comes from the discovery of simple and universal relations: the fluctuation theorem
and Jarzynski equality. Even for the theoretical calculation of quantities, these formulas can simplify thederivation of macroscopic evolution such as the Navier–Stokes equation and the order parameter dynamics ofcoupled oscillators. In the present problem, we start by deriving the stationary distribution for the system outof equilibrium. It has been known that the stationary distribution is formally expressed in terms of the time
integration of the excess entropy production rate. We attempt to derive a potential function of the interface
position for the phase coexistence in the heat conduction by contracting the stationary distribution ofconfigurations. When we obtain the potential function, the most probable position of the interface is determined
as an extremal point of the potential. This is simply a variational principle. We may say that our theoreticalchallenge is the derivation of such a new variational principle.
This problem is too difficult to solve for a general setup. Because the expectation value of athermodynamic quantity is determined from the time correlation between this quantity and the excess entropy
production, derivation of the potential function requires analysis of such time-dependent statistical quantities,
which is a difficult task. Here comes a key concept of this study. We consider a special boundary condition,
where the constant energy flux is assumed at boundaries so that the energy of the system is conserved. We
refer to this as the non-equilibrium adiabatic condition. In equilibrium cases, this boundary condition is thestandard adiabatic condition, where the total energy is conserved in the time evolution without an external
operation. The variational principle for determining thermodynamic properties here is well-established as the
maximal principle of the total entropy. Thus, for the non-equilibrium adiabatic condition in the linear response
regime, we can develop a perturbation theory for extending this variational principle.
Towards the derivation of the variational principle, we calculate the time integration of excess entropy
production rate for the configuration with a single interface. Explicitly, we consider the relaxation to theequilibrium state from this configuration. In the ordered and disordered regions, because the process may bedescribed by the deterministic equation, we can solve it for small η. We can then estimate this contribution to
the excess entropy production. Physically, the latent heat is generated at the moving interface in the relaxation
process. This heat diffuses into both regions, and as the result, the entropy production is observed. Moreover,a macroscopic temperature gap appears in the moving interface, as observed in experiments. This is anothersource of entropy production. We estimate this contribution with some approximation.
By using these results for the particular setup, we derive a potential function of the interface position in
the limit η → 0. That is, the interface position is uniquely determined by the variational principle for the phasecoexistence in heat conduction. The variational function is a modified entropy of the steady state profile for agiven interface position, where the modified entropy contains a correction term expressed in terms of the excess

entropy, which is produced in slow interface motion. It should be noted that the expectation value of athermodynamic quantity would be independent of boundary conditions if the energy flux and energy are
specified. We thus expect that our result is available even for cases where two heat baths contact at boundaries,
which is a standard setup for heat conduction.

― 96 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

From a theoretical viewpoint, the variational principle for determining thermodynamic properties out of
equilibrium has never been considered in previous studies. For example, it has been known that the minimum
entropy production principle may characterize the steady state in the linear response regime. However, in themost general form, the variational principle is formulated for determining the statistical ensemble in the linear
response regime as that minimizes the entropy production as a function of probability density. Although one
may expect that the variational principle for thermodynamic properties is obtained from the variational
principle for the statistical ensemble, this remains too formal to calculate thermodynamic values explicitly. As
another example of recent activities in the variational principle, we recall those coming from the large deviation
theory. In these theories, the main concern is fluctuation properties, while thermodynamic values are assumed
to be obtained immediately.
The most important physical result in our theory is that the interface temperature θ deviates from theequilibrium transition temperature 𝑇𝑇� . That is, a super-heated ordered state or a super-cooled disordered state

stably appears locally near the interface. It should be noted that this phenomenon was predicted by an extended
framework of thermodynamics for heat conduction systems, which we call global thermodynamics [N.

Nakagawa and S. Sasa, Liquid-gas transitions in steady heat conduction, Phys. Rev. Lett. 119, 260602, (2017)].
Remarkably, despite the difference of theoretical frameworks, our result on θ � 𝑇𝑇� qualitatively agrees withthe prediction of this thermodynamic framework up to a multiplicative numerical constant.

Here, we briefly introduce the global thermodynamics. The theory describes spatially inhomogeneous

systems by a few global quantities, such as the global temperature, which is defined such that the fundamental
relation in thermodynamics is satisfied. This idea is simple and natural but has never been considered inprevious studies seeking an extended framework of thermodynamics. More importantly, this framework
naturally leads to a quantitative prediction of the interface temperature different from 𝑇𝑇� . Therefore,
experiments can judge the validity of the fundamental hypothesis on which global thermodynamics is built.

The deviation of the interface temperature θ from 𝑇𝑇� leads us to reconsider the local equilibrium state.

We may assume that thermodynamic relations hold locally in each phase, while it is not obvious how to connect

the local equilibrium states at the interface. No deviation of the interface temperature from 𝑇𝑇� can beconcluded from the assumption of the continuity of the local free energy density (or the local chemical potential
for liquid-gas transitions). This assumption seems reasonable and indeed was adopted as one of the basic
equations for non-equilibrium thermodynamics for systems with interfaces. From our viewpoint, thisassumption can be derived from the deterministic order parameter equation with the interface thermodynamics.
However, the deterministic equation is not justified, as we have already discussed. Therefore, we do not assume
the continuity of the local free energy density for connecting the local equilibrium states at the interface. We
also discuss previous studies on molecular dynamic simulations.
This is joint work with Shin-ichi Sasa, Naoko Nakagawa, and Yohei Nakayama [arXiv:1908.03029].

2. Original Papers(1) Masato Itami and Shin-ichi Sasa
“Singular behaviour of time-averaged stress fluctuations on surfaces”
J. Stat. Mech. 2018, 123210 (2018).

― 97 ―

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研究業績（2018）

3. Presentation at academic conferences(1) Masato Itami and Shin-ichi Sasa
“Singular behavior of time-averaged stress fluctuations on surfaces”
Advances in Physics of Emergent orders in Fluctuations, Tokyo, Japan, 12–15 November
2018 (poster)(2) 伊丹將人、佐々真一「流体中で固定壁に働く熱誘起力」
日本物理学会第74回年次大会、九州大学、2019年3月14-17日（口頭）4. Others(1) Masato Itami“Singular behavior of time-averaged stress fluctuations on surfaces”
The 16th Fukui Center Seminar, Kyoto, 20 November 2018 (oral)(2) Masato Itami and Shin-ichi Sasa
“Singular behaviour of time-averaged stress fluctuations on surfaces”
The 16th symposium of Fukui Institute for Fundamental Chemistry, Kyoto, 8 February
2019 (poster)― 98 ―

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研究業績（2018）

Shunsuke Yabunaka
FIFC Fellow
1. Summary of the research of the year
Breakdown of the standard large analysis in the O(N) model: The role of cusps in the fixed
point potentials
The large-N expansion plays a fundamental role in quantum and statistical field theory. We showed on theexample of the O(N) model that at infinity N, its traditional implementation misses in all dimensions below
four some fixed points of the renormalization group. These new fixed points show singularities at in theireffective potential that become a boundary layer at finite N as shown in Fig. 1. We showed that they have aphysical impact on the multicritcal physics of the O(N) model at finite N. We also showed that themechanism at play holds also for the O (N)* O (2) model and is thus probably generic.

Fig. 1 The derivative of the effective potential for a nonperturbative FP called C_2 for different valuesof N and the Wilson-Fisher FP for N=100 in d=3.2
Drag Coefficient of a Rigid Spherical Particle in a Near-Critical Binary Fluid Mixture beyond
the Regime of the Gaussian Model
The drag coefficient of a rigid spherical particle deviates from the Stokes law when it is put into a near-criticalfluid mixture in the homogeneous phase with the critical composition. The deviation is experimentally shownto depend approximately linearly on the correlation length far from the particle, and is suggested to be causedby the preferential attraction between one component and the particle surface. In contrast, the dependence wasshown to be much steeper in the previous theoretical studies based on the Gaussian free-energy density. In thevicinity of the particle, especially when the adsorption of the preferred component makes the composition
strongly off-critical, the correlation length becomes very small as compared with the bulk correlation length.

― 99 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

This spacial inhomogeneity, not considered in the previous theoretical studies, can influence the dependenceof the drag coefficient on the bulk correlation length. To examine this possibility, we here apply the local
renormalized functional theory, which was previously proposed to explain the interaction of walls immersed
in a (near-) critical binary fluid mixture, describing the preferential attraction in terms of the surface field. The
free-energy density in this theory, coarse-grained up to the local correlation length, has much complicateddependence on the order parameter, as compared with the Gaussian free-energy density. Still, a concise
expression of the drag coefficient, which was derived in one of the previous theoretical studies, turns out to beavailable in the present formulation. We show that, as the bulk correlation length becomes larger, thedependence of the drag coefficient on the bulk correlation length becomes distinctly gradual and close to thelinear dependence.

a

0
0

d

a

Fig. 2 The logarithmic plot of the deviation of the drag coefficient from the Stokes’ law as a functionof the bulk correlation length for various values of the adsorption parameter on the particle surface. Lines
represent the slopes of one and four.

2. Original papers(1) Shunsuke Yabunaka and Delamotte Bertrand“Why Might the Standard Large N Analysis Fail in the O(N) Model: The Role of Cusps
in Fixed Point Potentials”
Phys. Rev. Lett. 121, 231601(2018).

― 100 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

3. Presentation at academic conferences(1) Shunsuke Yabunaka and Akira Onuki“Electric double layer composed of an antagonistic salt in an aqueous mixture: Local charge
separation and surface phase transition”
Soft Matter Physics: from the perspective of the essential heterogeneity Fukuoka, Dec.
10-12, 2018
4. Others(1) Shunsuke Yabunaka“Surprises in O(N) Models: Nonperturbative Fixed Points, Large N Limits, andMulticriticality”
Keio University, Yokohama, August 3, 2018(2) Shunsuke Yabunaka“Cell growth, division, and death in cohesive tissues: A thermodynamic approach” 九大前多研セミナー, Fukuoka, May 17, 2018.
(3) Shunsuke Yabunaka“細胞組織における細胞増殖、極性、変形の連続体記述” UBI seminar (20th), Tokyo,
May 7, 2018.

― 101 ―

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研究業績（2018）

Simon K. Schnyder
FIFC Fellow
1. Summary of the research of the year
Structure factors in a two-dimensional binary colloidal hard sphere system
Most materials of practical interest consist of more than a single component, yet elucidating the physicalbehaviour of multicomponent systems is challenging. Nevertheless, these systems, which include metallic
alloys, polymer blends and glasses are important for a range of applications, making this detailed understanding
crucial for the development of more sophisticated materials. Here, a key difficulty is that multicomponent
systems often display markedly different properties from those of their pure components, with precise detailsof the interactions and cross-correlations between species leading to a range of subtle effects. The simplest
multicomponent system to consider is a binary mixture, i.e. a system consisting of only two components.
However, even these ‘simple’ binary mixtures already display a rich range of physical behaviour beyond thatseen in a single component system. This includes different phase transitions, such as fluid–solid phaseseparation, and glass formation, with binary solids forming alloys or glasses depending upon the structuralorder of the individual particles. Even in a single fluid phase the correlation functions display a much richer
behaviour than a one-component system, as the unique wavelength of oscillation in a mixture can either be set
by the size of the smaller or the large particles of a mixture. The transition from one to the other lengthscale iscalled structural crossover, which can be observed not only in bulk correlation functions but also in several
inhomogeneous distributions. Structural crossover has been observed experimentally in binary colloidal fluids
and ionic liquid–solvent mixtures.

Figure 1. (a) State diagram indicating the different colloidal systems studied. The in-plane geometry of the (b) SSR
and (c) LSR systems. Panels (d) to (f ) show experimental images of the (d) monodisperse system with σ = 4.04μm,(e) the SSR system (γ = 1.45) and (f ) the LSR system (γ = 2.19) at φt ≈ 0.6.

The simplest interacting binary system is that of a mixture of large and small hard spheres with diameters σl,s.
The behaviour of binary hard spheres is governed by the total packing fraction, φt = φl + φs, with φl,s thepacking fractions of the large and small hard spheres, the composition q = φl/φt and the size ratio γ = σl/σs.
However, for binary hard sphere mixtures at relatively large size ratios, non-additivity effects can give rise tocomplex behaviour, as is evident from the vast amount of theoretical and simulation studies. Experimentally,― 102 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

hard sphere model systems can be realised using colloids, and previous work on three-dimensional (3D) binary
colloidal hard sphere systems has included studies of phase separation, crystallisation and glass formation. In
2D, the situation is markedly different with the phase behaviour of monodisperse hard disks only recently
having been established in simulations and in experiments on 2D colloidal hard spheres. In these experiments
the colloidal hard spheres are confined to a monolayer and can – in the plane of the centres of the spheres – beconsidered as an excellent experimental hard disk system. For hard disks in particular, the increased complexity
in the behaviour of binary mixtures is nicely illustrated by the fact that the melting behaviour of monodisperse
hard disks qualitatively changes with the addition of a second component.
While a comprehensive study of the radial distribution functions in both single component and binary harddisk systems was reported previously, its counterpart in Fourier space, the (partial) static structure factor Sij(k),has received much less attention, despite the fact that there is a direct link between the zero-wavevector (k →0) limit of the static structure factor and thermodynamic quantities. For monodisperse systems, for example,
this link directly leads to the isothermal compressibility, χT, which quantifies macroscopic fluctuations in thenumber of particles. For binary systems determining the isothermal compressibility is much more challenging.
In fact, a full description of a binary mixture requires the knowledge of multiple thermodynamic quantities
that follow from specific linear combinations of the partial static structure factors, known as Bhatia–Thornton
structure factors.

Figure 3. (a) The static structure factors, S(k), for the monodisperse, σ = 2.79 μm, system for a range of packing
fractions. The symbols denote data from experiments, while lines correspond to the theoretical structure factor
based on DFT. Inset is the small k limit of S(k) for the same system where points at k = 0 are those determined byan analysis of number fluctuations. (b) A comparison of the theoretical expression for the 1/S(k → 0) limit with theexperimentally determined limit from an analysis of number fluctuations for both monodisperse systems with σ =2.79 and 4.04 μm.

The isothermal compressibility for binary mixtures is analogous to that for single component systems; however,as the k → 0 limits of the Bhatia–Thornton structure factors are all interdependent, χT for mixtures cannot be
obtained from the limit of a single static structure factor. As such, the determination of χT for mixtures requiresthat multiple limits are obtained to a high degree of accuracy. The thermodynamic factor ��, which follows
from Scc(0) and is directly related to the second derivative of the molar Gibbs free energy, plays a key role in― 103 ―

Ⅳ

研究業績（2018）transport processes like mutual diffusion or interdiffusion as the variation of the thermodynamic factor is
directly linked to the nature of the concentration fluctuations. Importantly, the thermodynamic factor accounts
for the tendency of concentration fluctuations to relax over large length scales and these concentration
fluctuations are indicative of the overall stability of the mixture. For example, the long-range concentration
fluctuations characteristic of a phase separating system close to the critical point thus lead to a large Scc(0) anda correspondingly small Φ. For binary systems that tend to order rather than phase separate, the opposite
behaviour is seen and the thermodynamic factor becomes large. Once Φ is known, the dilatation factor, δ,which describes the relationship between system size and composition, follows from Snc(0) and thecompressibility χT then results from Snn(0).

Figure 5. (a) A comparison between theory (lines) and experiments (symbols) of the partial structure factors Sss(k),Sls(k) and Sll(k) for the SSR with φt =0.54. The results agree qualitatively; but, due to the high concentration of thesmall disks there are clear deviations between theory and experiments found in Sss(k). This deviation can also befound in the Bhatia–Thornton structure factors, as shown in (b).

We analyse in detail the static structure factors for quasi-2D monodisperse and binary colloidal hard spheres
and compare these to those calculated using density functional theory (DFT). We determine the k → 0 limitsof the structure factors from the analysis of the number and concentration fluctuations. For the compressibilityof monodisperse systems, we find good agreement between results of the fluctuation analysis, DFT and thepreviously determined equation of state. We next consider the Bhatia–Thornton structure factors as a functionof the total packing fraction for binary systems at two different size ratios. We again find that an analysis of
the relevant fluctuations provides a good estimate for the S(k → 0) limit for these mixtures, allowing us toobtain the key thermodynamic quantities, such as the variation of the isothermal compressibility, the dilatation
factor and the thermodynamic factor as a function of the total packing fraction.

― 104 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Figure 6. (a) The thermodynamic factor �as a function of total packing fraction φt for both binary colloidal fluids.
(b, c) The dilatation factors δ as a function of total packing fraction for the SSR (b) and LSR (c) systems. Solidlines show the linear fit to the data used to approximate δ and dashed lines show the prediction. (d) The isothermal
compressibility expressed as 1/ρkBTχT for the colloidal binary systems at LSR and SSR as a function of φt. The
dashed lines show the predictions for the equation of state from scaled particle theory.

2. Original papers(1) A. L. Thorneywork, S. K. Schnyder, D. G. A. L. Aarts, J. Horbach, R. Roth, and R. P. A.
Dullens“Structure factors in a two-dimensional binary colloidal hard sphere system”,
Molecular Physics, 116:21-22, 3245-3257 (2018)
3. Presentations at academic conferences(1) S. K. Schnyder, J. J. Molina, and R. Yamamoto,“Control of cell colony growth by contact inhibition”,
Active Matter Workshop 2019, Meiji University, Tokyo, Japan (11/01/2019).
(2) S. K. Schnyder, J. J. Molina, and R. Yamamoto,“Collective motion of cells on a substrate”,
International Conference on Advances in Physics of Emergent orders in Fluctuations (APEF),
Tokyo, Japan (12-13/11/2018).
(3) S. K. Schnyder, J. J. Molina, and R. Yamamoto,“Collective motion of cells on a substrate”,― 105 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Fukui 2018 Satellite Symposium, Kyoto, Japan (13/10/2018).
(4) S. K. Schnyder, J. J. Molina, and R. Yamamoto,“Coherent migration and colony growth of cells on a substrate”,
Conference “Active and collective motion: from cells to organisms”, University of Warwick,
UK (16/07/2018).
(5) S. K. Schnyder, J. J. Molina, and R. Yamamoto,“Colony growth of cells on a substrate”,
8th World Congress of Biomechanics, Dublin, Ireland (09/07/2018).
(6) S.K. Schnyder and J. Horbach,“Anomalous transport in heterogenous media”,
Workshop on Rheology of disordered particles: suspensions, glassy and granular materials,
YITP, Kyoto University (19/06/2018).
4. Others(1) Seminar: S.K. Schnyder and J. Horbach,“Anomalous transport in heterogenous media”,
Group of Roel Dullens, Oxford University, UK (18/07/2018).
(2) Seminar: S. K. Schnyder, J. J. Molina, and R. Yamamoto,“Colony growth of cells on a substrate”,
Group of Chiu Fan Lee, Imperial College London, UK (06/07/2018).
(3) S. K. Schnyder, J. J. Molina, and R. Yamamoto,“Collective motion of cells on a substrate”,
The 16th Symposium of Fukui Institute for Fundamental Chemistry, Kyoto (08/02/2018).

― 106 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Satoshi Suzuki

1. Summary of the research of the year
小分子の励起状態ダイナミクスは分光法による観測が行えるようになってきており、光物理過程、
光化学過程について実験・理論の両面から興味が持たれている。我々は機能性色素の発光性について、円錐交差の構造を決定し、励起状態のポテンシャル面を議論することで理解できるのではないかと考え、研究を行なっている。凝集誘起発光(Aggregation induce emission: AIE)は、希薄溶液では非発光性の色素が凝集により発光性を持つようになる現象である。油滴、アモルファス、ポリマー中など、不規則な構造であっても発光を示すようになることから、特定の分子間相互作用で発光性を生じるのではなく、主にメカニカルな原因によって発光性を生じるということが示唆される。内部
転換の速度が周辺の環境により遅くなることにより蛍光量子収率が大きくなると考えられ、円錐交差がどの程度立体的な制約を受けるかを考えれば AIE の原理は理解できることになる。これまでにアルキルアミノアントラセンについての AIE の原理を解明し[1,2]、また、ONIOM 法により立体制
約の大きさを見積もる方法も提案した[3]。
テトラフェニルエチレン(TPE)とスチルベン類の AIE の原理について、テトラフェニルエチレンの
AIE の起源として、フェニル基の回転が重要だと言われている[4]。一方で、TPE の円錐交差は二重結合の回転に由来するという計算がされている[5]。それらを踏まえて、TPE 及び trans-スチルベンとその誘導体について円錐交差の構造を計算し、どのような構造変化が内部転換を促進するのかを考察する。二重結合の回転が内部転換を促進しているのだとすれば、AIE を示す trans-スチルベン誘導体も可能に違いない。実際、一部の trans-スチルベン誘導体は AIE を示す。そこで、TPE とスチ
ルベン誘導体のポテンシャルエネルギー面を比較し、AIE を示すもの、示さないものとで特徴を調査する。また、架橋や置換基の導入により構造、電子状態を制御することで分子設計ができるのではないかと考え、物性の予測を目指す。
エチレンの円錐交差として Twisted Pyramid 型, Hydrogen Migration 型のものが知られているので、その構造を出発として、TPE、trans-スチルベンの円錐交差の構造を最適化した。Becke Half&Half LYP
汎関数、6-31G(d)基底関数による Spin-Flip TDDFT により一重項基底状態と第一励起状態の間の円錐
交差を分岐面更新法により最適化した。電子状態計算と構造最適化には GAMESS を用いた。

まず、trans-スチルベンに対し、Twisted Pyramid 型, Hydrogen Migration 型の二種類の円錐交差を見つけることができた。SFTDDFT のレベルでは Twisted Pyramid 型の円錐交差の方が 2kJ/mol 低エネルギーであった。SFTDDFT はスピン固有関数を与えないので、多参照摂動法である MCQDPT による一点計算も行った。MCQDPT による計算でも Twisted Pyramid 型の円錐交差の方が Hydrogen Migration型よりも 13kJ/mol 低エネルギーであるため、Twisted Pyramid 型の円錐交差を経由して内部転換が起こると考えられる。TPE についても同様の Twisted Pyramid 型円錐交差が得られ(Fig.1.)、ここから内部転換が起こると考えられる。

― 107 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Fig. 1. TPE の円錐交差
Twisted Pyramid 型の円錐交差は架橋により妨げることが可能であるから、この円錐交差を構造ある
いは電子状態により制御することで発光性を制御できる可能性がある。そこで、以下の Fig.2 のような架橋スチルベン分子の円錐交差を考察した。Twisted Pyramid 型円錐交差は二重結合のねじれを必要とするため、剛直な鎖長の短い架橋分子では円錐交差は高くなると予想される。

Fig.2. 検討した架橋スチルベン
実際、得られた円錐交差を比較すると、五員環架橋の方が高エネルギーであることがわかった(Fig.3)。
現在、実験グループにより、架橋スチルベンを動作部位とする AIE 分子の合成準備が進められており、五員環架橋では液相でも強く発光し、七員環程度の緩い架橋では液相で発光しなくなることが確かめられた。理論的に提案された「架橋により Twisted Pyramid 型円錐交差をコントロールすることにより発光強度のコントロールする」という分子設計指針の有用性が確かめられたといえる。

Fig.3 検討した架橋スチルベンの potential energy surface と円錐交差の構造[1] S. Sasaki, S. Suzuki, W. M. C. Sameera, K. Igawa, K. Morokuma, G. Konishi J. Am. Chem. Soc., 138, 8194
(2016).
[2] S. Sasaki, S. Suzuki, K. Igawa, K. Morokuma, G. Konishi J. Org. Chem., 82, 6865 (2017).
[3] 鈴木，諸熊,第 19 回理論化学討論会, (2016).

― 108 ―

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研究業績（2018）[4] Z. Yang et al., J. Mater. Chem. C, 4,99,(2016)[5] K. Kokado, T. Machida, T. Iwasa, T. Taketsugu, K. Sada, J. Phys. Chem. C, 122, 245 (2018).

2. Original papers(1) S.Suzuki, S. Maeda, K. Morokuma
Exploration of Quenching Pathways of Multiluminescent Acenes Using the GRRM
Method with the SF-TDDFT Method
J. Phys. Chem. A, 119, 11479–11487 (2015)(2) S.Sasaki, S.Suzuki, W.M.C. Sameera, K. Igawa, K. Morokuma, G. Konishi,
Highly twisted N,N-dialkylamines as a design strategy to tune simple aromatichydrocarbons as steric environment-sensitive fluorophores
J. Am. Chem. Soc., 138, 8194-8206(3) S.Sasaki, S.Suzuki, K. Igawa, K. Morokuma, G. Konishi,“The K-Region in Pyrenes as a Key Position to Activate Aggregation-Induced Emission:
Effects of Introducing Highly Twisted N,N-Dimethylamines”
J. Org. Chem., 2017, 82 (13), pp 6865–6873
3. Presentation at academic conferences(1) “凝集誘起発光分子の原理解明と理論的分子設計”◯鈴木聡 諸熊奎治 分子科学討論会 2018

4. Others― 109 ―

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研究業績（2018）

Akhilesh Kumar Sharma
Postdoctoral Fellow
1. Summary of the Research of FY2018
1.1 Mechanism and Selectivity in PdSIPr-Catalyzed Ring-Opening and Cross-Coupling of
Aziridine-2-carboxylates with Arylboronic Acids: A Computational Study
The strained small ring compounds such as oxiranes, aziridine, are being utilized in organic synthesis forvariety of transformations. The aziridines are important synthons for formation of variety of N-containing
compounds of synthetic importance, such as amino-functionalized motifs. The organometalic catalysts
are effective for regioselective and stereospecific ring-opening of aziridines. The formed adducts after
ring-opening can be further functionalized or used to generate products with regio- or chemo- or stereoselectively.
Recently, we reported DFT study on the mechanism of Pd/SIPr-catalyzed enantiospecific andregioselective ring-opening and cross-coupling of 2-arylaziridines with arylboronic acids in collaboration
with experimental group of Y. Takeda. In a new study, Y. Takeda and coworkers have developed crosscoupling of aziridine-2-carboxylates with arylboronic acids, which lead to generation of -aryl aminoacids. In current study we have explored mechanism and origin of selectivity in this reaction throughDFT method.
To obtain insights on the mechanism and selectivity B3LYP-D3BJ functional was used. The PCM
implicit solvation model was employed. The SDD basis sets and associated effective core potentials wereapplied for Pd, the 6-31G(d) basis sets were employed for remaining atoms. Final potential energies ofstationary points were calculated using PCMToluene/B3LYP-D3/SDD(Pd),cc-pVTZ(other atoms). The bestexperimental catalyst NMe2IPr-Pd and (S)-substrate was used for the study (Scheme 1). The Free energy
profile is given in Figure 1.

Scheme 1. Stereospecific and regioselective coupling of aziridine-2-carboxylates with phenylboronic acid.
The first step involve regioselective and stereoinvertive aziridine ring opening and occurs with a
low barrier (6.6 kcal/mol, Figure 1). The water in reaction is important to stabilize the anionicintermediate I2 (by 3.4 kcalmol). Further water is helpful in the proton transfer through TS2, which isalmost barrierless. The formed intermediate I3 (without H2O) is only 0.4 kcal/mol above I3.2H2O. It
indicates that water molecules may not stabilize the neutral molecules. Then, coordination of the
PhB(OH)2 to I3 lead to formation of lower energy intermediate I4. After rearrangement in I4 throughTS3, transmetalation occurs through TS4 to give I5. Finally, reductive elimination takes place with abarrier of 19.2 kcal/mol (TS5), and the coupling product (R)-3 (P in Figure 2) is formed. The rate
determining step in the reaction is reductive elimination. The aziridine ring opening in SN2 fashion at the
carboxylic-carbon is responsible for enantioselectivity. The optimized TS for ring opening at methylene
carbon is 3.3 kcal/mol higher in energy, which explain the high regioselectivity in the reaction. Theenergy decomposition analysis (EDA) suggests that interaction between substrate and catalyst is the key
to regioselectivity. Further, the low yield with SIPr-ligand (instead of NMe2IPr-Pd) might be due to thehigher barrier for reductive elimination (Figure 1), which would lead to slow reaction with the SIPr-Pd0
catalyst and give a lower yield. From our calculations it is concluded that water is necessary for aziridine
ring opening step, which reduces the byproduct formation from zwitterionic intermediate I2 and the
reductive elimination is the rate limiting step.

― 110 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Ts
H

N

MeO2C

Ts
N H

H

NHC-Pd

H

MeO2C

0.8)
2.0)

NHC-Pd

-4.5)
-2.6)

-5.8)
-6.5)
H

NTs

O

O H

H

NH

H
MeO2C

MeO2C
NHC-PdOH-16.9)-20.0)(-7.9)

MeO2C

NH

H

NHC-Pd

NH

H
MeO2C

Ph
H
O B OHO
H

Ph

NHC-PdB
HO-20.4)-22.2)(-21.2)-22.8)(-8.4)

NHC-Pd

Ts

Ts

Ts

H
-7.1)
-8.1)

(0.0, 0.0)
NHC-Pd+Sub+
PhB(OH)2+2H2O

NHC = NMe2IPr
SIPr

O H

Ts

OH
OH

H
MeO2C

H

H

MeO2C
NHC-Pd-19.9)

O
H

H

H

O H

O

H

H

H

MeO2C
NHC-PdO
H

H-30.8)-29.9)-25.1)-25.0)

Ts
N H

O H

N(H)Ts

MeO2C

O H-36.9)-38.5)
N(H)Ts

H
Pd

OH

HO

B

+

B
O
H

OH

H

OH
OH

H
Ph

2H2O
+
B(OH)3+Ph

NHC Pd

MeO2C
NHC

Ph

NHC-Pd

-17.3)
Ts
N H

NH

MeO2C

-41.0)-40.6)
Ts

Ph-50.7, -50.7)

NH-50.0)-50.2)MeO2C
NHC-PdTsNH-66.1)-67.0)

Ph

Figure 1. Free energy profiles (kcal/mol) for the mechanism of the Cross-Coupling of Aziridine-2carboxylates with Arylboronic Acids.
1.2 Theoretical Study on the Mechanism of Fe-catalyzed C–H amination
Nitrogen containing molecules are ubiquitous in nature. Formation of many natural products,
pharmaceutical compounds and functional materials require formation of C–N bond. The C–N bondformation is generally performed through transition metal catalyzed amination reaction, which involve C–
X (X=halide) and C–H amination strategy. Since, C–H amination involve direct fictionalization and does
not require pre-synthesis of reactive group, this method is atom economic and highly preferred. Pdcatalyzed amination reactions are well developed. However, due to economic and environmental friendly
nature of Fe-Complexes, these are increasingly probed and used for variety of reactions. Fe-catalyzed
reactions are in developmental stage, and the mechanism of Fe-catalysis will be helpful for further
advancement. The group of M. Nakamura has been involved in development of Fe-catalyzed reactions.
Recently, C–H amination of biphenyl amine is being developed in their group (Scheme 2). The detailed
mechanistic understanding of reaction will be helpful in development and widening the scope of thisreaction.
N

MgBr
Ph

FeCl2

N
Ph

Ph Ph
Fe

N
N

Fe

Ph Ph
A

Ph
N
Ph

BrCH2CH2Br

NH

N

Scheme 2. Fe-catalyzed C–H amination of diaryl amine― 111 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

The reaction was studied using DFT methods (PCM/B3LYP-D3BJ/6-31G*) to obtain mechanistic
insights. First the active species involved in the reaction was explored. The transmetalation of FeCl2 will
give FeII-amide species. The FeII-amide species is known to exist in dimeric form and DFT results agreewith it. The geometry optimized at PCM/B3LYP-D3BJ/6-31G* method match well with crystal structure
in broken-symmetry singlet spin state. Hence, this method is used for further calculations. The ether isfound to coordinate to FeII-amide and coordination of two ether molecules lead to ~12 kcal/mol lower
energy complex. The FeII-amide dimers with two ethers molecules in high spin state and brokensymmetry singlet spin state are close in energy. Whereas, other spin states are very high in energy.
First the FeII-amide dimeric species react with dibromoethane. The reaction is found to occur in
stepwise manner. The dibromoethane reaction with one Fe of dimer leads to the formation of higher
energy FeIIIFeII species and bromoethane radical. In next step the radical react with second-Fe leading toformation of FeIIIFeIII species and ethene. The activation barrier for these steps is ~22 kcal/mol.
In next step the formed FeIIIFeIII species undergo rearrangement to form lower energy complex C(Figure 2). Similar to FeII-dimer, for FeIIIFeIII complex C, the high spin state and broken symmetry spinstate are close in energy and other spin states are >4 kcal/mol higher in energy.

Figure 2. Energies of FeIII intermediates at PCMDBE/B3LYP-D3BJ/6-31G* level of theory.
After formation of FeIII-dimer the next step is C–N coupling. Two different pathways were
explored for the reaction. Pathway A involve C–N coupling through SNAr type of mechanism whereas,
the pathway B involve first C–H activation followed by coupling. Preliminary results show that the SNAr
type of mechanism is favorable. Detailed analysis of these steps is currently in progress.

Scheme 3. Proposed pathways form C–N coupling from FeIII dimeric species.
The DFT study involving open shell dimeric metal complexes are very challenging; as it
involve many spin states and broken symmetry spin states. In the current study we haveinvestigated the different spin states and found that the reaction involves multiple spincrossings. We identified the lowest energy FeIII species. Further we found that reaction
proceed through SNAr type of mechanism.

― 112 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

2. Original papers
1. A. K. Sharma, W. M. C. Sameera, Y. Takeda, S. Minakata“A Computational Study on the Mechanism and Origin of the Reigioselectivity andStereospecificity in Pd/SIPr-Catalyzed Ring-Opening Cross-Coupling of 2-Arylaziridines with
Arylboronic Acids”
ACS Catal., 9, 4582-4592 (2019).
2. Y. Takeda, T. Matsuno, A. K. Sharma, W. M. C. Sameera, S. Minakata“Asymmetric Synthesis of β²‐Aryl Amino Acids through Pd‐Catalyzed Enantiospecific andRegioselective Ring‐Opening Suzuki‐Miyaura Arylation of Aziridine‐2‐carboxylates”
Chem. Eur. J., 25, 10226-10231 (2019).
3. M. Isegawa, A. K. Sharma“CO2 reduction by a Mn electrocatalyst in the presence of a Lewis acid: a DFT study on thereaction mechanism”
Sustainable Energy Fuels, 3, 1730-1738 (2019).
4. M. Isegawa, A.K. Sharma, S. Ogo, K. Morokuma,“Electron and Hydride Transfer in a Redox-Active NiFe Hydride Complex: A DFT Study”
ACS Catal., 8, 10419-10429 (2018).

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Ⅳ

研究業績（2018）

青野 信治
センターフェロー（榊研）
1. 今年度の研究の要約
今年度は金(I)-イソシアニド錯体によって構成される多型結晶の相対安定性および吸収・発光スペクトルの研究を行った。
【序】 金(I)-イソシアニド錯体は複数の単結晶構造を持ち、熱や光照射でなく機械的刺激によって相転移を起こし、各々の単結晶構造で異なる発光色を示す事から分子科学的にも、また材料化学的にも興味深い系である。 phenyl(phenyl-isocyanide) Gold(I)錯体 1 は、溶媒中から高速で結晶化させると単結晶構造 1b が、ゆっくり結晶化させると単結晶構造 1y が生成する事が実験的に報告されている（Scheme 1）1。1b では最小単位格子が２個の分子から構成されているのに対して、1y では１６個の分子（Scheme 1b において c 軸方向に更に３層が方向性を各々90 度変えて存在する。）から構成されている。特に 1b では PhNC 基と Ph
基の平面角が 70 度ほど捻じれた単量体から構成されるのに対し、1y では PhNC 基と Ph基がほぼ並行な単量体から構成されている。また 1b では隣り合う分子間の Au-Au 距離は
4.7～5.7Å と長く、PhNC 基と Ph 基は CH-相互作用しているのに対し、1y では隣り合う分
子間の Au-Au 距離は 3.2～3.7Å と短く、PhNC 基と Ph 基の CH-相互作用に加えて、PhNC
基の-相互作用も存在している。
吸収・発光スペクトルのピーク位置は、これらの単結晶構造の間で大きく異なり、吸収スペクトルにおいて 1y は 1b より
も 1.0 eV、発光スペクトルにおいて
1y は 1b よりも 0.3 eV 以上低エネル
ギー側へのシフトが観測されている 1。本研究では、QM/MM 法で結晶効果を考慮し、気相、溶液、結晶中での比較・検討を行い、この原因
Scheme 1: 金(I)-イソシアニド錯体の構造の究明を試みた。
【方法】構造最適化には B3LYP-D3 汎関数による DFT 法を用い、吸収エネルギーは B3LYP
汎関数による TDDFT 法で求め、発光エネルギーは B3LYP-D3 汎関数を用いた３重項-１重項のエネルギー差で求めた。Au の原子価電子には(2111111/411/2111/1)基底を用い、内殻電子は Stuttgart グループの ECP で置き換え、f 軌道の分極関数を１つ加えた。他の原子については 6-31++G**基底を用いた。CHCl3 中の溶媒効果は 3D-RISM 法、結晶効果は周期境界条件に基づく QM/MM 法によって考慮した 2。
本研究の QM/MM 法に基づく結晶中の構造決定は、次のように構築されている（Scheme2）。まず、基底状態結晶を点電荷と LJ パラメータを用いてモデル化した。ここで、対称操― 114 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

作と格子ベクトルによる並進操作を用いる事で全結晶部分を再構成できる領域を QM 領域に選び、計算された RESP 電荷を
MM 領域に再分布させる事で自己無撞着的に MM 領域の点電荷と構造を決めた 2。これによって得られた基底状態結晶中での吸収エネル
ギーを求めた。
基底状態結晶の MM モデルは固定 し た ま ま 、 式(1) の エ ネ ル ギ ーEcrystal が最少となるように反応中心部分の３重項状態の構造を決定し Scheme 2: QM/MM 法による結晶中３重項構造の決定て、発光エネルギーを求めた。
E crystal  E QM  E QM/MM   QM Hˆ gas  QM  E ES  E LJ 

(1)

本研究では、格子ベクトルと基底状態結晶の Au 原子の位置を実験結果に固定した。
またスペクトルに対する結晶内部と結晶表面の結果を調べるため、結晶内部で定めた構造について、スラブモデルを適用し、結晶表面での吸収・発光スペクトルを求めた。
【結果と考察】 基底状態の単量体では、Ph 基と PhNC 基の分子内平面角 に対する気相中のエネルギー、CHCl3 中の自由エネルギーは B3LYP-D3 汎関数を用いた DFT 計算レベルでほぼ一定であり、CCSD(T)計算レベルでも平面角＝度のねじれ構造が＝度の平行構造に比べて 0.5 kcal/mol だけ安定であるという結果から、常温では自由回転していると考えられる。（図１）

図１：分子内平面角 に対するエネルギー安定性
そこで、吸収スペクトルと平面角の関係性をみる為、＝、、、度の構造について TDDFT 計算を行った結果、Ph 基の軌道から PhNC 基の*軌道への LLCT 励起が最低励起状態となるが、その振動子強度は平面角に強く依存する事が分かった（図２）。また最低励起エネルギーは気相中で 3.2-3.3 eV、CHCl3 中で 3.7-3.8 eV と後者の方が 0.5 eV 高い。
また、第二ピークは Ph 基の軌道から PhNC 基の面内in*軌道への LLCT 励起であり、第一ピークが平面角=0 度で大きな強度を持つのに対して、第二ピークは平面角=90 度で大きな強度を持つ。この第二ピークについても、気相中で 4.2 eV、CHCl3 中で 4.6 eV と後者の― 115 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

方が 0.4 eV 高い。この溶媒中における励起エネルギーの増加は、錯体 1 の PhNC 基は中性であるのに対して Ph 基はアニオン性であるので、より強い CH-相互作用の溶媒和が Ph基に生じ、この溶媒和によって Ph 基の軌道が相対的に安定化するため、Ph 基の軌道から PhNC 基の*軌道への LLCT 励起などの励起エネルギーは CHCl3 中でより高くなる事が原因である。

図２：気相、液相の励起エネルギーと振動子強度
結晶中の 1b と 1y についても、四量体を QM 領域に選び、自己無撞着点電荷を用いた
QM/MM 計算によって構造を決定した。計算された単量体当りの結晶エネルギーは 1b よりも 1y の方が約 1 kcal/mol ほど安定であり、この傾向は実験において 1b から 1y への単結晶-単結晶相転移を不可逆的に起こす事が出来る事に合致する。また、得られた結晶構造における四量体について TDDFT 計算を行う事で吸収スペクトルを計算した（図３）。

図３：結晶中の励起エネルギーと振動子強度
1b で計算された 4.1 eV の第一ピークは Ph 基の軌道から PhNC 基の*軌道への分子内および分子間 LLCT 励起であり、気相中の分子内 LLCT 励起に比べて 0.8 eV ほど高く、また
4.5 eV の第二ピークは Ph 基の軌道から PhNC 基の面内in*軌道への LLCT 励起であり、起草中の分子内 LLCT 励起に比べて 0.3 eV ほど高い。これらの増加は、Ph 基が隣り合う２つの分子の PhNC 基と CH-相互作用している事が原因である。実際、CH-相互作用が１つ― 116 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

しかない結晶表面の場合は、特にこの前者の LLCT 励起は 3.7 eV に計算される。実験結果
では 3.9 eV に大きなピークがある他、3.5 eV にショルダーと 3.2 eV に小さな吸収が観測されているが、これらは各々、結晶内分子の Ph 基の軌道から PhNC 基の面内in*軌道への
LLCT 励起、結晶内分子の Ph 基の軌道から PhNC 基の*軌道への LLCT 励起、結晶表面の分子の Ph 基の軌道から PhNC 基の*軌道への LLCT 励起に対応すると帰属できる。
一方、1y での結晶中と結晶表面で計算された 3.2 eV、3.1 eV の第一ピークは Au の d 軌
道から PhNC 基の*軌道への MLCT 励起であり、実験値 2.9 eV のピークに対応している。
1y では隣り合う分子の Au-Au 距離が短いので、anti-bonding combination 型の d 軌道が生じ、そのエネルギーが相対的に高くなるため、-型 LLCT 励起よりも MLCT 励起が低く、1bの第一ピークとは異なる励起状態となる。1b から 1y への単結晶-単結晶相転移による吸収スペクトルのレッドシフトについて、実験値 1.0 eV に対して計算値 1.4 eV であり、傾向を再現している。
また、気相、CHCl3 中の単量体の３重項状態は、PhNC 基の-*局所的励起構造が求まった。この-*局所的励起は基底状態と電荷分布が大きく変化しておらず、発光エネルギーは気相、CHCl3 中ともに 2.72 eV であり、環境の影響を受けない。二量体も検証したが、-*
局所的励起よりも anti-bonding combination 型 Au の d 軌道から bonding combination 型 PhNC
基の*軌道への MLCT 励起構造が安定であった（図４）。-相互作用構造は、CH-相互作
用構造よりも気相中で 3 kcal/mol 安定であり、発光エネルギーも前者が 1.95 eV、後者が 2.45
eV となり、発光エネルギーは Au-Au 距離だけでなく、２つの PhNC 基の向きにも大きく依存する。

図４：MLCT 型３重項の２つの安定構造
1b では、周囲の分子の配向性のため MLCT 型３重項構造を二量体間で作る事ができず、
PhNC 基の-*局所的励起構造からの発光エネルギーが 2.72 eV に求まった。一方、1y では
MLCT 型３重項の CH-相互作用構造を二量体間で作り、両側の隣り合う二量体も近付く事で、その発光は 2.38 eV に求まった。これは実験値 2.19 eV に比べて高い結果になっているが、1b から 1y への単結晶-単結晶相転移による発光スペクトルのレッドシフトについて、実験値 0.34 eV に対して計算値 0.35 eV であり、良い一致を与えている。
更に 1 の PhNC にジメチル化を行った金(I)イソシアニド系では緑の発光色を示す 2g から黄色の発光色 2y へ単結晶-単結晶相転移を起こす事が知られている。これは 1b から 1y への単結晶-単結晶相転移とは発光色変化の逆の傾向であり、この 2g と 2y の間の相対安定性や吸収・発光スペクト
ルに違いについても同様の計算を行い、理論的な見識を広げた。[3]― 117 ―

Ⅳ

研究業績（2018）【引用文献】[1] H. Ito et al., Nat. Commun. 2013, 4, 2009; T. Seki, K. Sakurada, H. Ito, Angew. Chem. Int. Ed.
2013, 52, 12828.
[2] S. Aono and S. Sakaki, Chem. Phys. Lett. 2012, 544, 77.
[3] S.Aono, T. Seki, H. Ito, and S. Sakaki, J. Phys. Chem. C 2019, 123, 4773.
2. 論文（１）Shinji Aono, Tomohiro Seki, Hajime Ito, and Shigeyoshi Sakaki,“Dependence of Absorption and Emission Spectra on Polymorphs of Gold(I) Isocyanide
Complexes: QM/MM Approach”,
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C 123, 4773−4794, (2019).（査読有）DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b10602（２）Shinji Aono and Shigeyoshi Sakaki,”QM/MM Approach to Isomerization of Ruthenium(II) Sulfur Dioxide Complex in
Crystal; Comparison with Solution and Gas Phases”,
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C 122, 20701-20716, (2018).（査読有）DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b04774
3. 学会発表（１）青野信治, 榊茂好「自己無撞着点電荷 QM/MM 法による分子結晶の構造最適化」
第 12 回分子科学討論会, 福岡, 2018/09/10 1P110 ポスター

（２）Shinji Aono, Shigeyoshi Sakaki,“QM/MM study of thermal isomerization of Ru(II) sulfur dioxide complex in crystal;comparison with gas and solution phases”,
16th International Congress of Quantum Chemistry 2018, Menton, France, 2018/6/19,
A8.
4. その他（１）青野信治, 榊茂好「自己無撞着点電荷 QM/MM 法に基づく分子結晶構造の最適化」
第 16 回京都大学福井謙一記念研究センターシンポジウム, 京都, 2019/2/8 P6 ポスター

― 118 ―

Ⅳ

研究業績（2018）（２）青野信治, 榊茂好「Development of FMO-QM/MM method for molecular crystal considering self-consistent
MM point charge representation」
福井謙一博士生誕百年記念サテライトシンポジウム, 京都, 2018/10/13 P6 ポスター

― 119 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

中垣雅之
FIFC フェロー
1. 今年度の研究の要約【緒言】近年、加藤らのグループによりキノノイドを配位子として持つ Ni 錯体にメタノール分子が吸着することで結晶が変色するベイポクロミズム現象が報告された(Scheme１) [1]。これはメタノール
分子が配位することにより Ni 原子が１重項から３重項へスピン転移を起こすためであり、磁性化学の点からも興味深い。このスピン転移はメチルアミノ基(NHR; R=Me)をもつキノノイド錯体で起こるが、エチルアミノ基(R=Et)をもつ錯体では観測されない。
また、メタノール以外の揮発性分子(VOC)ではスピン転移は起こらない。本研究では結晶効果を取り込んだ電子状態計算により、ベイポクロミズムを誘起す
る因子について検討を行い、吸収スペクトル及びその変化について定量的な再現を試みた。
Scheme１【モデル及び計算方法】側鎖の異なるアミノ基を持つ３つのキノノイドの Ni 錯体に関して、キノ
ノイド配位子のみの場合と VOC２分子が配位した場合について結晶構造及び分子構造の最適化を行った。結晶構造の最適化は平面波基底と PBE-D3 汎関数を用いた密度汎関数法で行った。気相及び QM/MM 法を用いた結晶中の Ni 錯体の構造最適化には B3LYP*-D3 汎関数を用いた。励起エネ
ルギーの計算には CASPT2 法を用いた。活性軌道にはσ型の２電子占有軌道である dx2-y2 軌道を除
く Ni 原子の 4 つの d 軌道と 10 個のπ軌道を用いた(18 電子 14 軌道)。Ni 原子の内殻電子はStuttgart-Dresden-Bonn の ECP で置き換え、原子価軌道には triple zeta 基底関数を用いた。その他の原子には cc-pVDZ を用いた。
【結果及び考察】孤立系の計算では、アミノ基の違いに関わらず Ni 原子とメタノール及びエタノール１分子あたりの結合エネルギーは 12.4-14.0 kcal/mol であり大きな違いは見られなかった(Table 1)。一方、結晶中においては構造や結合エネルギーに顕著な違いが見られた。メチルアミノ
基とメタノールの組み合わせでは、Ni 原子は孤立系と同様の 6 配位構造をとる。このメタノール
分子は同時に隣接する錯体のキノノイド配位子と水素結合を形成する(Figure 1a)。エタノール分子
では配位子との水素結合は形成されるが、Ni-O の距離は 2.73Å と非常に長く(Figure 1b)、結合エ
ネルギーは 3.0 kcal/mol と弱く、Ni のスピン状態は１重項のままである。この結果は、エタノー
ルではベイポクロミズム現象が観測されなかった実験結果と一致する。
Table 1. Energy difference (kcal/mol) between 1et of [Ni(HLR)2]and 3et of [Ni(HLR)2]・2ROH
R

H

Me

Et

VOC

MeOH

EtOH

MeOH

EtOH

MeOH

EtOH

∆E

−35.7

−36.8

−35.1

−39.5

−33.9

−36.3

∆G

−13.1

−14.5

−14.8

−13.4

−9.9

−12.3

― 120 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

エチルアミノ基錯体では、メタノールが Ni に配位した構造と配位子と水素結合を形成した構造の２つが得られたが、後者の方がより安定であった(Figure 1c)。

Figure１. Optimized structure in crystal calculated by QM/MM method.[3]結晶中の分子間相互作用を評価するため、結晶構造における相対位置を基に Ni 錯体及び配位子の二量体の相互作用エネルギーを求めた(Figure 2)。R = Me 錯体と R = Et 錯体を比較すると、MeOH 配位後の構造では、MeOH 分子の Ni への配位結合及び配位子への水素結合、酸素原子の配位子-配位子相互作用のいずれも大きな違いは見られなかった。一方、VOC を含まない結晶においては、R=Et 錯体では隣接錯体間の配位子-配位子間の分子間相互作用が大きく、R=Me 錯体との明確な違いが見られた。このことから、R=Et 錯体では、Ni 原子への配位による構造変化はその相互作用を減少させてしまうため不利になると考えられる。

Figure 2. Interaction energy (in kcal/mol) of surrounding complexes calculated by model.
吸収波長に関して結晶中でのスペクトルの測定は行われていないが、平面４配位錯体及び配位子自身のジクロメタン溶液中での吸収スペクトルが報告されている[2]。DFT 法では用いる汎関数によって結果が大きく異なる。励起エネルギーについては BLYP 等の Pure functional は過小評価する傾向が見られるが、実験値に比較的近い。
配位子と Ni 錯体の励起エネルギーの差は Hybrid― 121 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

functional がよい結果を与えた(Table 2)。４配位構造における配位子のπ軌道と Ni 原子のd 軌道の電子配置を Scheme 1 に示す。計算コストの面から、多配置性により重要であると考えられる赤枠内の 18 電子 14 軌道を活性空間に選び CASPT2 法を行い、孤立系、溶液中
及び結晶中の遷移エネルギーを計算した。
CASPT2 法は、配位子と Ni 錯体共に 0.15eV以内の誤差で励起エネルギーを再現した。結
晶中の励起エネルギーはメタノール配位により 2.56 eV から 2.66 eV へと短波長側にシフトした。これは結晶の色から予想されるシフトの方向と一致する。結晶効果は４配位錯体(0.02 eV)よりも 6 配位錯体で大きい(0.11 eV)。
6 配位錯体では隣接する Ni 錯体に配位するメ
タノールが配位子と水素結合するためと考え

Scheme 1られる。

configuration at singlet state.

Ni d and ligand π electron

本研究では、Ni-キノノイド錯体のベイポクロミズム反応に関して、QM/MM 法を用いた結晶中の構造最適化及び高精度な電子状態計算である CASPT2 法を用いて遷移エネルギーの計算を行った。
結晶構造に関しては孤立系では見られない VOC の違いや配位子置換基の違いを明らかにした。遷移エ
ネルギーについては、DFT 法では汎関数の依存性が極めて大きい Ni 錯体の遷移エネルギーに関して、溶液中の実験結果を 0.15eV 以内の誤差で再現し、結晶中の色調変化に関してもその傾向を再現した。

Table 2. Excitation energies (eV) to the lowest excited state with large oscillator strengtha)
calculated by DFT method with various functionals and CASPT2 method.
H2LMe[Ni(HLH)2][Ni(HLH)2]・(2MeOH)

gas

solutiongas

solution crystal

gassolution crystal

B3LYP

4.037

3.811

2.896

2.802

3.425

3.350

BLYP

3.716

3.470

2.017

1.937

2.445

2.383

LC-BLYP

4.620

4.432

4.159

3.990

4.511

4.325

M06

4.120

3.908

3.097

3.032

3.674

3.584

M06L

3.959

3.704

2.191

2.100

2.697

2.651

CASPT2

3.325

3.637

2.535

2.516

2.553

2.450

exp.[2]

3.54

2.833

2.556

2.38

a) f > 0.1 for DFT and f > 0.01 for CASPT2【文献】[1] P. Kar et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 2345 –2349.
[2] P. Braunstein et al. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 12246-12256.
[3] S. Aono and S. Sakaki, Chem. Phys. Lett. 2012, 544, 77-82.

― 122 ―

3.379

2.662

Ⅳ

研究業績（2018）

2. 論文(1)M. Nakagaki, A. Baceiredo, T. Kato, and S. Sakaki“Reversible Oxidative Addition/Reductive Elimination of Si-H bondto Base-stabilized
Silylenes: A Theoretical Insight”
Chem. Eur. J. 24, 11377-11385 (2018).
(2) N. Takagi, M. Nakagaki, K. Ishiguma, R. Fukuda, M. Ehara, S. Sakaki“Electronic Processes in NO Dimerization on Ag and Cu Clusters: DFT and MRMP2Studies” J. Comput. Chem. 40, 181-190 (2018).
(3) K. Fujimoto, RS. Payal, T. Hattori, W. Shinoda, M. Nakagaki, S. Sakaki, S. Okazaki“Development of dissociative force field for all-atomistic molecular dynamics calculation of
fracture of polymers” J. Comput. Chem. 40, 2571–2576 (2019).
3. 学会発表(1) 中垣 雅之，青野信治，榊茂好「結晶中でのニッケル(II)-キノノイド錯体のスピン転移を伴うベイポクロミズムの理論研究」
第 21 回理論化学討論会, 愛知, 2018/5/15-17, P60 ポスター
(2) 中垣雅之，青野信治，吉田将己，小林厚志，加藤昌子，榊茂好「ニッケル(II)-キノノイド錯体のスピン転移を伴うベイポクロミズムの理論研
究: 結晶中の分子選択性」
第 12 回分子科学討論会 2018 福岡, 福岡, 2018/9/10-13 2E17 口頭(3) 高木望，中垣雅之，石村和也，福田良一，江原正博，榊茂好「Agn および Cun クラスター(n = 2, 5 ,7, 38)による NO 解離吸着と NO 二量化反応に関する理論研究」
第 12 回分子科学討論会 2018 福岡, 福岡, 2018/9/10-13 2P115 ポスター
4. その他(1) 中垣 雅之，青野信治，榊茂好「結晶中でのニッケル(II)-キノノイド錯体のスピン転移を伴うベイポクロミズムの理論研究」
ソフトクリスタル 第2回公開シンポジウム, 北海道, 2018/5/25-26 ポスター
(2) 中垣雅之，青野信治，吉田将己，小林厚志，加藤昌子，榊茂好「Theoretical study of vapochromism and spin transition of Nickel(II)-quinonoid complex
using hybrid method of QM(CASPT2)/MM and DFT」
福井謙一博士生誕百年記念サテライトシンポジウム, 京都, 2018/10/13 ポスター
(3) 中垣雅之，青野信治，吉田将己，小林厚志，加藤昌子，榊茂好「ニッケル(II)-キノノイド錯体のスピン転移を伴うベイポクロミズムの理論研
究: 結晶中の分子選択性」
第16回京都大学福井謙一記念研究センターシンポジウム, 京都, 2019/2/8 P10― 123 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Jing LuFIFC Fellow
1. Summary of the research of the year
Catalytic ability of Ru13@Pt42 and Pt55 toward oxygen reduction reaction: a DFT study
Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are regarded as a leading candidate of clean andsustainable energy source to cope with the growing energy need and environmental concern. Pt-based
clusters/particles have attracted immense interest in catalysis for oxygen reduction reaction (ORR, 1/2O2 +2H+ + 2e- → H2O) at the cathode in PEMFCs. Pt alloys with core-shell structure (M@Pt) are expected to be
useful for the new generation ORR catalyst due to their higher activity and lower cost than pure Pt. In ourprevious work, the icosahedron-like core-shell structure (Ru13@Pt42) exhibited much higher stability than the
non-core-shell structures (Ptcore-1Ru12@Pt41Ruedge and Ptcore-1Ru12@Pt41Ruvertex). Furthermore, the potential of
Ru13@Pt42 as less expensive catalyst for ORR was predicted. However, the current knowledge of catalytic
performance of Ru13@Pt42 and Pt55 for ORR and corresponding reaction mechanism remains rather limited.
In this work, the preferential sites on the Pt42 surface for interaction with oxygen species (O2, OH, O, andOOH), as well as geometry and energy change in each important elementary step of ORR catalyzed by
Ru13@Pt42 and Pt55 were studied using first-principle calculations.
All spin-polarized calculations were performed with the Vienna Ab initio Simulation Package (VASP).
The PBE-D3 method was employed for geometry optimizations with an energy cutoff of 400 eV. The clusters
were placed in a sufficiently large supercell (25 Å × 25 Å × 25 Å) to ensure enough separation by vacuum.
The thresholds for energy and force were set to 0.0001 eV and 0.01 eV/Å, respectively. Reaction barrier was
calculated using Nudged Elastic Band (NEB) method.
O2 Adsorption The first important intermediate is η2-O2/b1-binding species 2. The Pt-O bond distances
R(Pt-O) are 1.997 Å and 1.969 Å for Pt55-η2-O2/b1, which are shorter than those for Ru13@Pt42-η2-O2/b1 (2.073 Å
and 1.977 Å). The O-O bond distances are 1.384 Å and 1.374 Å for Pt55-η2-O2/b1 and Ru13@Pt42-η2-O2/b1,
respectively, which are consistent with the moderately shorter R(Pt-O) for Pt55-η2-O2/b1 than that for
Ru13@Pt42-η2-O2/b1. The Mulliken charge of O2 moiety q(O2) for Pt55-η2-O2/b1 is slightly more negative than thatof Ru13@Pt42-η2-O2/b1, indicating that the charge transfer (CT) occurs from the Pt shell to the O2 moiety for bothO2-binding species and the CT is stronger in Pt55-η2-O2/b1 than in Ru13@Pt42-η2-O2/b1. The calculated d-band
center for Ru13@Pt42 (-2.18 eV) is lower than that for Pt55 (-2.02 eV), indicating that Ru13@Pt42 has a weakerbinding ability for O2 than Pt55. This result could also verify the stronger interaction of O2 with Pt55 than that with
Ru13@Pt42.
O-O Bond Activation To date, there are two kinds of widely accepted mechanisms for O-O bondactivation in ORR: one is direct O-O bond cleavage after O2 molecular adsorption; the other is OOH formation
followed by O-OH bond cleavage, O2+H → OOH → OH+O, and this reaction is denoted as O-OH bond cleavage
hereinafter. In the direct O-O bond activation, the activation barriers are calculated to be 0.33 eV and 0.49 eV for― 124 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Pt55 and Ru13@Pt42, respectively, in gas phase, as shown in Table 1. In water, the activation barriers decrease to
0.31 eV and 0.35 eV for Pt55 and Ru13@Pt42, respectively.
In the initial species of OOH formation process, O2 is adsorbed at the b1 and H is adsorbed at theneighboring b1 site, which is named (O2)(H)/b1b1 (3), because the b1 is the best position for both O2 for H
binding. The final state of OOH formation process is the most favorable OOH/t2 (4) species. The activation
barriers are calculated to be 0.72 eV and 0.50 eV for Pt55 and Ru13@Pt42, respectively, in gas phase. These barriers
slightly decrease to 0.70 eV and 0.49 eV in water solution for Pt55 and Ru13@Pt42, respectively. The otherpossibility is direct H addition to O2. In this scenario, the proton is likely to attach to O2, simultaneously withelectron transfer to O2; this is called proton-coupled electron transfer. It should be easy to occur because theproton concentration is very high and the electrode is continuously supplying electrons. Though thisproton-coupled electron transfer is likely to occur as important process, this step is difficult to simulate withconventional DFT method. We tried to optimize the OOH species at the b1 site because O2 is adsorbed at the b1
site in an η2-form. For the (OOH)/b1 species, the OOH bond cleavage to afford the O and OH at the t2 and t1 sites,
respectively, in the case of Pt55. On the other hand, the OOH moves from b1 to t2 site during geometric
optimization in the case of Ru13@Pt42. We also investigated the O-OH bond cleavage of the (OOH)/t2 species,
which is the most stable OOH-binding species on Pt55 and Ru13@Pt42. This reaction occurs with very small
activation barriers of 0.12 eV (0.12 eV) and 0.18 eV (0.17 eV) for Pt55 and Ru13@Pt42, respectively, in gas phase(water) to afford (O)(OH)/t2t1 species. Thus, it is clearly concluded that the O-OH bond cleavage occurs withnearly no barriers on Pt55 and Ru13@Pt42 and much easier than the O-O bond cleavage of O2 species.
For Pt55, the R(Pt-O) slightly increases from 1.940 Å for 4 to 1.958 Å for TS4/5a, and the R(Pt-OH/t1) andR(Pt-O/t2) in 5a are 1.949 Å and 1.780 Å. For Ru13@Pt42, the R(Pt-O) increases from 1.957 Å for 4 (IS) to 1.968
Å for TS4/5a. In 5a, O(OH)/t2t1-binding species (FS), the R(Pt-OH/t1) and R(Pt-O/t2) for Ru13@Pt42 are 1.986 Å
and 1.777 Å, respectively. The charge of OOH moiety [q(OOH)] for Pt55/Ru13@Pt42 becomes more negative from4 (-0.286 e/-0.329 e) to TS4/5a (-0.313 e /-0.376 e) and then to 5a (-0.930 e /-0.994 e). The CT occurs from the Pt
shell to the (OOH) moiety.
Table 1 Activation barriers for ORR mechanisms with Ru13@Pt42 and Pt55 in gas phase and solution.
Pt55

Ru13@Pt42

Pt55

Gas Phase

Ru13@Pt42
SolutionO-O bond cleavage

0.33

0.49

0.31

0.35

OOHPt formation

0.72

0.50

0.70

0.49

OOH formation

0.00

0.00

0.00

0.00

O-OH bond cleavage

0.12

0.18

0.12

0.17

O

(OH)(OH) and (O)(OH2) Formation Reactions Because (O)(OH)/h1t2 (5) is the most stable species, andthe best position for H is the bridge b1 site for both Pt55 and Ru13@Pt42, the (O)(H)(OH) /h1b1t2 species (6) was
optimized here. Starting from 6, the H attacks the O atom and OH group to form (OH)(OH)/h1t2 (7a) and(O)(OH2)/h1t2 (7b) species. The species 7b was calculated to be slightly more stable than 7a. However, theenergy difference between them is small (7.24 kcal/mol and 5.74 kcal/mol for Pt55 and Ru13@Pt42, respectively),― 125 ―

Ⅳ

研究業績（2018）indicating that both of them should be considered as possible product of this step. The barriers for (OH)(OH)
formation from 6 to 7a are 1.38 eV and 0.86 eV in water for Pt55 and Ru13@Pt42, respectively. On the other hand,the barriers for O(OH2) formation from 6 to 7b species 0.86 eV and 0.88 eV in water for Pt55 and Ru13@Pt42,
respectively.
(OH)(OH2) Formation Reaction Because the H tends to bind with Pt55 at the b1 site, the(H)(OH)(OH)/b1t2t2 species (8) was optimized as the starting intermediate for (OH)(OH2) formation. The productof this step is (OH)(OH2)/t2t2 species (9). The activation barrier is 1.09 eV and of 0.76 eV in gas phase for Pt55
and Ru13@Pt42, respectively, where the activation barrier is different litter in water, 1.10 eV and 0.76 eV for Pt55
and Ru13@Pt42, respectively. These results indicate that the (OH)(OH2) formation can occur much easier in
Ru13@Pt42 than in Pt55.
OH Formation from the O Species Different from the reaction for Pt55, the O(OH2) formation is possible
for Ru13@Pt42. The next step is the reaction of OH group with H atom in Ru13@Pt42. The reaction starts from the(O)(H)/h1b1 to form (OH)/h1. The activate barrier is calculated to be 1.16 eV in gas phase. This barrier is muchlarger than that of the (OH)(OH2) formation (0.76 eV, as discussed above). Thus, the (O)(OH2) formation should
be excluded from the catalytic cycle; and this process will be not discussed further.
H2O Formation from the OH Species After H2O dissociates from the (OH)(OH2) species, (OH)/t2
intermediate (10) could form. From this species, one H2O molecule is generated to complete the whole catalytic
cycle. This reaction occurs from the (H)(OH)/b1t2 species (11) to form (OH2)/t2 (12). The activation barriers arecalculated to be 0.90 (0.91) eV and 0.90 (0.89) eV for the reaction catalyzed by Pt55 and Ru13@Pt42 in gas (water)
phase. The R(H-OH) are 2.749 Å (2.665 Å), 1.574 Å (1.589 Å), and 0.977 Å (0.972 Å) for 11, TS11/12, and 12 in
the case of Pt55 (Ru13@Pt42), respectively. For Pt55/ Ru13@Pt42 the q(H) becomes more positive from 11(0.043/0.004 e) to TS11/12 (0.248/0.238 e), and then to 12 (0.722/0.760 e). The q(O) becomes more negative from11 (-1.055/-0.977 e) to TS11/12 (-1.002/-0.925 e), and then to 12 (-1.258/-1.659 e). The Bader charges of H2O
moiety q(H2O) in 12 are 0.147 e and 0.101 e for Pt55 and Ru13@Pt42, respectively. Also, the Mulliken charges of
H2O moiety in 12 are 0.281 e and 0.232 e for Pt55 and Ru13@Pt42 using B3LYP functional, respectively. In theother word, the q(H2O) in Ru13@Pt42 is less positive than that in Pt55, indicating that the H2O is easier to desorb in
the former case.
This work has demonstrated the favorable reaction cycle mechanism catalyzed by Ru13@Pt42, which issimilar to that by pure Pt55, revealing the potential of Ru13@Pt42 as promising ORR catalyst with lower cost.

2. Original papers(1) Jing LU, Kazuya ISHIMURA, and Shigeyoshi SAKAKI,“Theoretical Insight into Core–Shell Preference for Bimetallic Pt-M (M = Ru, Rh, Os, andIr) Cluster and Its Electronic Structure.”
J. Phys. Chem. C 122 (16), 9081-9090 (2018).
3. Presentation at academic conferences― 126 ―

Ⅳ

研究業績（2018）(1) Jing LU, Kazuya ISHIMURA, and Shigeyoshi SAKAKI,“Capability of Pt55 and Ru13@Pt42 Catalysts toward the Oxygen Reduction Reaction: A
First-Principle Study”
第 21 回理论化学研讨会, 岡崎, 2018 年 5 月 15 日- 17 日

― 127 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Rong-Lin Zhong
Research Fellow
1. Summary of the research of the year
How to Perform Suzuki-Miyaura Reaction of Nitroarene or Nitration of Bromoarene Using
Pd0(Phosphine) Complex: Theoretical Insight and Prediction
The Pd-catalyzed Suzuki-Miyaura reaction is one of the most efficient and versatile methods
for constructing carbon-carbon bond. Aryl halides are employed as electrophilic coupling reagent inthis reaction. To broaden its application scope, a lot of efforts have been made to use alternative
compounds such as aryl ethers, aryl esters, and arenols. However, the use of nitroarenes has notbeen succeeded for a long time despite of weak Ar-NO2 (Ar = aryl) bond. Notably, theSuzuki-Miyaura reaction of nitroarenes was very recently succeeded by us using Pd0(BrettPhos) asa catalyst, as shown in Scheme 1. Usual monodentate phosphine could not be used in this reaction.
On the other hand, Fors and Buchwald succeeded Pd-catalyzed nitration of aryl halides using asimilar Pd0(tBu-BrettPhos) as a catalyst. In this reaction, the last step should be reductive
elimination of nitroarene from PdII(Ar)(NO2)(tBu-BrettPhos). This is reverse to the oxidative
addition of Ar-NO2 which is the first step of the Suzuki-Miyaura reaction. Considering these tworeports by Buchwald group and us, we address following points; (1) why the Ar-NO2 bond cleavage
is more difficult than the Ar-Br bond cleavage, (2) why usual monodentate phosphine could not be
used for the Suzuki-Miyaura reaction of nitroarenes but BrettPhos could be, (3) why BrettPhos wasused for the Suzuki-Miyaura reaction of nitroarenes but the similar tBu-BrettPhos was used for thenitration of aryl halides despite of tiny difference between these two phosphines, and (4) how we
can control the Ar-NO2 bond cleavage and Ar-NO2 bond formation by using Pd0(BrettPhos) andanalogues.
Scheme 1. The Suzuki-Miyaura reaction of nitroarenes and nitration of aryl halides.

In this work, we theoretically investigated the oxidative addition of nitrobenzene to
Pd (BrettPhos) to elucidate characteristic features of the oxidative addition of nitroarenes and toprovide clear answers to the above-mentioned questions. Also, we wish to propose theoreticalprediction what ligand is more effective for oxidative addition and reductive elimination of0― 128 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

nitroarene. Because the transformation of nitroarenes has been limited so far, such knowledge
provides us with new idea how to utilize nitroarenes and how to synthesize them.

Figure 1. Optimized geometries in oxidative addition of 4-nitroanisole to Pd0(BrettPhos) complex.

Results and Discussion
Oxidative Addition of 4-nitroanisole (Rea) and its Bromo derivative to Pd0(BrettPhos) and
Pd0(PMe3)2. The geometry and energy change of oxidative addition of Rea to Pd0(BrettPhos) 1 isshown in Figure 1. Rea approaches 1 to form stable η2-coordinated adducts, AD1a#1 and AD1a#2,
in which the C2-C3 and C1-C2 bonds coordinate with the Pd, respectively. The oxidative addition
occurs through a three-membered transition state TS1a to afford a palladium(II) complex
PdII(NO2)(C6H4-OMep)(Brettphos) (PRD1a). The Gibbs activation energy (∆Gº‡) is 30.3 kcal mol-1
and the Gibbs reaction energy (∆Gº(R)) is -2.1 kcal mol-1 relative to the most stable reactant adductAD1a#1. This oxidative addition needs rather large activation energy but it is exergonic.
Oxidative addition of 4-bromoanisole (Reb) to 1 occurs through similar η2-coordinatedadducts and transition state to afford a palladium(II) complex PdII(Br)(C6H4OMep)(Brettphos). The∆Gº‡ (16.3 kcal mol-1) is much smaller and the ∆Gº(R) (-15.0 kcal mol-1) is much more negative thanthose of the oxidative addition of Rea. Therefore, the oxidative addition of nitroarene is much moredifficult than that of bromoarene kinetically and thermodynamically. To investigate the difference in∆Gº‡ between these two oxidative additions, we separated the reaction system into Pd0(BrettPhos)and substrate moieties, as shown in Scheme 3, and made deformation/interaction energy analysis.
As shown in Table 1, the potential energy barrier (Ea) is much larger for TS1a than for TS1b,
indicating that the analysis of Ea provides the reason why the oxidative addition of Rea is moredifficult than that of Reb. In TS1a, the deformation energy (EDef = 33.2 kcal mol-1) of Rea is muchlarger than that (6.2 kcal mol-1) of Reb in TS1b. Interaction energy EInt is defined as a stabilization― 129 ―

Ⅳ

研究業績（2018）energy provided by the interaction between reagent (Rea or Reb) and Pd0 complex, where bothhave deformed geometries like in TS. The EInt (-42.1 kcal mol-1) between Rea and Pd0(BrettPhos)in TS1a is much larger than that (-24.6 kcal mol-1) in TS1b by 17.5 kcal mol-1, where a negativevalue means the stabilization energy. However, this large EInt of TS1a cannot overcome the overly
large EDef of Rea at TS1a. As a result, TS1a becomes higher in energy than TS1b. These results
lead to a conclusion that the large EDef of Rea is the origin of larger Ea and larger ∆Gº‡ for Ar-NO2
bond cleavage than those for Ar-Br bond cleavage. In TS1a, the NO2 group changes its direction
toward the Pd because the sp2 orbital of NO2 must change its direction to form a bonding interaction
with the Pd, which gives rise to the large EDef value of Rea. On the other hand, Br has a sphericalvalence orbital which can start to form the bonding interaction with the Pd, keeping the Ar-Br
bonding interaction. Therefore, Reb can reach TS1b without significant distortion. This is thereason why bromoarene is more reactive for the oxidative addition than nitroarene.
Scheme 3. Definition of fragments a and b in TS1a (R=NO2), TS1b (R=Br), and TS3a.

Table 1. Activation barrier (Ea), deformation energy (EDef) of each moiety and interaction energy(Eint) between them in transition state (in kcal mol-1).
TS1a

TS1b

TS2a

TS3a

∆E

-4.2

-14.1

-2.4

15.9

Ea

31.3

16.9

30.1

30.2

EDef-a

33.2

6.2

33.0

35.5

EDef-b

4.7

4.3

5.4

19.9

Oxidative addition of Rea to Pd0(PMe3)2 3 was investigated for making comparison between
BrettPhos and usual monodentate phosphine PMe3. This reaction occurs with ∆G°‡ of 29.1 kcal
mol-1. Though this value does not differ very much from that of the reaction with 1, its transition
state TS3a is at much higher energy than the sum of reactants, 3 + Rea, indicating that Rea moreeasily dissociates from 3 than it completes the oxidative addition via TS3a. Thus, it is concluded
that the oxidative addition of Rea to 3 does not occur.
The deformation/interaction energy analysis clearly shows that the higher energy transition
state TS3a arises from the larger EDef value (19.0 kcal mol-1) of Pd0(PMe3)2 in TS3a (Table 1). The
large EDef-a value arises from significantly small P-Pd-P angle in TS3a (Figure 1). It is ofimportance to elucidate the reason why such large distortion is needed in TS3a. In the oxidative― 130 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

addition, CT from metal moiety to substrate is important. In TS1a, charge-transfer (CT) occurs
from the HOMO of Pd (Pd-HOMO) to the LUMO and LUMO+1 of Rea, as shown in Figure 2. The
0
Pd-HOMO at high energy can form large CT. As shown in Figure 3(a), the Pd-HOMO of Pd (PMe3)2 in
equilibrium geometry is calculated at much lower energy (-7.81 eV) than that (-5.82 eV) ofPd0(BrettPhos). To raise the Pd-HOMO energy, Pd0(PMe3)2 must be distorted by decreasing the P-Pd-P
angle; as shown in Figure 3(a), the Pd-HOMO energy certainly becomes higher (-5.73 eV) in the
distorted geometry of TS3a.

Figure 2. Orbital interactions in the transition state of the oxidative addition of 4-nitroanisole (a)and 4-bromoanisole (b) to Pd0(BrettPhos).
On the other hand, Pd0(BrettPhos) is distorted little at TS1a. The reason can be easily found byseeing Figure 3(b). In the case of BrettPhos, the lone pair orbital on the P atom and the  orbital on
the phenyl group overlap with the Pd dπ orbital in an antibonding way to afford the Pd-HOMO of 1. As aresult, the Pd-HOMO orbital energy is -5.82 eV in Pd0(BrettPhos) even with equilibrium geometry. It
indicates that the 2,4,6-tris-isopropylphenyl group plays crucially important role to raise the dorbital energy like usual chelating diphosphine. It is concluded that the oxidative addition of
Ar-NO2 to Pd0(PR3)2 is difficult because the transition state suffers from two large deformationenergies of Ar-NO2 and Pd0(PR3)2 moieties. On the other hand, Pd0(Brettphos) is reactive for theoxidative addition of Ar-NO2 because the dπ orbital is at high energy even without distortion of
Pd0(Brettphos) and the transition state suffers from only one deformation energy of the Ar-NO2
moiety. This means that the presence of 2,4,6-tris-isopropylphenyl group is crucially important in
BrettPhos because its  orbital interacts with the Pd dπ orbital to raise the Pd-HOMO energy (Figure 3b).
It is a strong point of BrettPhos-type ligand for the oxidative addition that both of phosphine lonepair and  orbital of 2,4,6-tris-isopropylpheny participate in raising the Pd-HOMO energy.

Figure 3. HOMOs of PPh3, BrettPhos, and their Pd0 complexes with deformed structure in TS.

― 131 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Effects of Various BrettPhos Derivatives on the Reactivity of Pd0 Complexes. Because
Pd0(BrettPhos) and Pd0(tBu-BrettPhos) can be applied to the oxidative addition of nitroarene andreductive elimination of nitroarene, respectively, we investigated various BrettPhos derivatives in
the oxidative addition of Rea, as shown in Scheme 2. Among them, Pd0(BrettPhos-NMe2) is thebest for the oxidative addition because the ∆Gº(R) is the most negative, the ∆Gº‡ value is the smallest,
and the ∆Gº(D) is larger than ∆Gº‡, as shown in Table 1. These features arise from the high energy
HOMO (Pd-HOMO) of Pd0(BrettPhos-NMe2) to which the high energy HOMO (L-HOMO) of
BrettPhos-NMe2 contributes (Table 1). The next is Pd0(BrettPhos), because the ∆Gº(R) is negative
and the ∆Gº‡ does not differ very much from the ∆Gº(D) (the difference is 2.4 kcal mol-1) despite of
the slightly larger ∆Gº‡ value than those of some other BrettPhos derivatives. In the oxidative
addition to Pd0(Me-BrettPhos) and Pd0(XPhos), the ∆Gº(R) is negative and the ∆Gº‡ value ismoderately smaller than that of Pd0(BrettPhos) but the ∆Gº‡ is somewhat larger than the ∆Gº(D) by
4.5 and 4.0 kcal mol-1, respectively. These two complexes could be applied to the oxidative additionof nitroarene but they are not useful very much because the nitroarene dissociation from the Pd
occurs much more easily. Actually, the experimental results showed that the Suzuki-Miyaura
reaction of Rea was succeeded with Pd0(XPhos) but the yield was much lower than that by
Pd0(BrettPhos). In Pd0(CF3-BrettPhos) and Pd0(C6F5-BrettPhos), the ∆Gº(R) is considerably positive
and the ∆Gº‡ is considerably larger than the ∆Gº(D) by 10.8 and 9.1 kcal mol-1, respectively,
indicating that these two complexes are not good for oxidative addition. Their low reactivity arises
from the presence of Pd-HOMO at lower energy than that of Pd0(BrettPhos).
2. Original papers(1) Rong-Lin Zhong, Masahiro Nagaoka,Yoshiaki Nakao, and Shigeyoshi Sakaki, How To PerformSuzuki−Miyaura Reactions of Nitroarene or Nitrations of Bromoarene Using a Pd0 Phosphine Complex:
Theoretical Insight and Prediction Organometallics, 2018, 37, 3480-3487.

3. Presentation at academic conferences(1)

Rong-Lin Zhong, and Shigeyoshi Sakaki, “Regioselectivity of SP3 C-H activation of N-hetrocycles byiridium(III) boryl complexes”, 21th Annual Meeting of Theoretical Chemistry Society, Okazaki, May 15-17, 2018.

(2)

Rong-Lin Zhong, Yoshiaki Nakao, and Shigeyoshi Sakaki “”, “Regioselective sp3C−H borylation of cyclic

ethers catalyzed by iridium(III) boryl complex: Theoretical Study”,12th Annual Meeting of Japan Society for
Molecular Science, Fukuoka, Sep.9-13, 2018.

― 132 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Jia-Jia Zheng
SPR Fellow
1. Summary of the research of the year(a) Oxidative Addition of Nitroarene to Pd(0)-NHC Complex
The Pd-catalyzed Suzuki-Miyaura coupling (SMC) reaction is an important process to createcarbon-carbon bonds in organic synthesis. The use of nitroarenes, which are versatile and common aromaticbuilding

blocks,isverylimited in the SMC reaction(b)and has succeeded recently,N

Pd-catalyzed

C-N

S

cleavage of nitroarene, which

Pr

i

Pr

S

N

N

N

Pr

N

N

N

NHC1

NHC2

NHC3

i

R

we
bond

Pr

Pr

ligand to extend the scope oftheoretically investigated theiiinteresting to explore useful
Herein,Pricomplex (Figure 1a). It isreaction.

i

R

S N

using a special Pd-BrettPhos

this

R

N

N

N

N

N

N

N

N

NHC4

NHC5

NHC6

NHC7

Figure 1. (a) Full catalytic cycle of SMC reaction of nitroarenes. (b)N-heterocyclic carbene ligands investigated in this work.

is the rate-determining step for
the full catalytic cycle (Figure 1a), using a kind of good electro-donating ligand, namely, N-heterocycliccarbene (NHC). Results show that the Pd-NHC1 complex can indeed cleave the C-N bond of nitroarene withmoderate barrier (26.1 kcal mol-1) and negative reaction energy (–4.1 kcal mol-1). Further investigations on
the influence of substituent (R) of N and NHC skeleton (S) (Figure 1b) on the reaction process suggest that
the NHC ligands with less bulky electro-denoting R group (NHC3) and saturated skeleton S (NHC7) aregood candidates to moderately lower the reaction barrier and increase the reaction energy.

(b) C4-Hydrocarbon Separation by a Soft Metal-Organic Framework
Gas separation by soft metal-organic
frameworks(MOFs),

which

undergostructural transformations in response toexternal stimuli such as gas adsroption, has
attracted great attention in recent years. Soft
Zn(II)-based

MOF,[Zn(NO2ip)(dpe)]n,(SD-65, NO2ip = 5-nitroisophalate, dpe =1,2-di(4-pyridyl)ethylene), was synthesizedand demonstrated to selectively adsorb
1,3-butadieneovertrans-2-butene.

Figure 1. Optimized gas (G) adsorption structures andcluster models used in post-HF calculations.

― 133 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Theoretical study on gas adsorption in this MOF is important to understand the selectivity of one gas
molecule to other similar ones. Also, it is challenging to estimate accurately the interaction energy between
gas molecule and MOF, because the post-HF calculation must be employed to incorporate dispersion
interaction but its application to MOF is difficult. In this work, we theoretically investigated 1,3-butadiene
and trans-2-butene adsorptions in this soft MOF using ONIOM-type method combining periodic DFT(PBE-D3) for infinite system and MP2.5 and CCSD(T) for cluster models to disclose the reasons for thedifference in adsorption between 1,3-butadiene and trans-2-butene.
Four symmetrical adsorption positions were found for both 1,3-butadiene and trans-2-butene (Figure1) in SD-65. The PBE-D3 method overestimates the 1,3-butadiene adsorption enthalpy but the
CCSD(T):MP2.5:PBE-D3-calculated value (–10.91 kcal mol-1) agrees well with the experimental one (–9.56
kcal mol-1). These results suggest that CCSD(T) and MP2.5 corrections are of considerabe importance toinvestigate correctly the adsorption behaviour. The calculated binding energies (BEs) for 1,3-butadiene andtrans-2-butene are –12.10 and –11.55 kcal mol-1, respectively, suggesting that SD-65 has a higher affinity to
1,3-butadiene than to trans-2-butene. The smaller BE of trans-2-butene arises mainly from the larger
deformation energy of framework, because of the larger molecular size of trans-2-butene and thus a larger
structural transformation of SD-65 upon adsorption of trans-2-butene than that of 1,3-butadiene. The
sigmoidal adsorption isotherm was well reproduced by the Langmuir-Freundlich model using the calculated
adsorption Gibbs energy changes (ΔG°). The performance of this MOF for separation of 1,3-butadiene fromtrans-2-butene was discussed in relation to the difference between their adsorption Gibbs energy changes(ΔΔG°). Two MOFs showing better separation performance (with larger ΔΔG° between 1,3-butadiene andtrans-2-butene adsorptions) than SD-65 are computationally predicted in this work.

2. Original papers(1) Jia-Jia Zheng, Shinpei Kusaka, S. Ryotaro Matsuda, Susumu Kitagawa, Shigeyoshi Sakaki,“Theoretical insight into gate-opening adsorption mechanism and sigmoidal adsorption
isotherm into porous coordination polymer”
J. Am. Chem. Soc. 140, 13958-13969 (2018).
(2) Haijun Wang, Haifei Cao, Jia-jia Zheng, Simon Mathew, Nobuhiko Hosono, Bihang Zhou,
Hongliang Lyu, Shinpei Kusaka, Wanqin Jin, Susumu Kitagawa, Jingui Duan,“Finely Controlled Stepwise Engineering of Pore Environments and Mechanistic
Elucidation of Water-Stable, Flexible 2D Porous Coordination Polymers”
Chem. Eur. J. 24, 6412-6417 (2018).
(3) Qiao-Zhi Li, Jia-Jia Zheng, Ling He, Shigeru Nagase, Xiang Zhao,“La–La bonded dimetallofullerenes [La2@C2n]−: species for stabilizing C2n (2n = 92–96)
besides La2C2@C2n”
Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 14671-14678 (2018).
(4) Cheng Gu, Nobuhiko Hosono, Jia-Jia Zheng, Yohei Sato, Shinpei Kusaka, Shigeyoshi
Sakaki, Susumu Kitagawa,― 134 ―

Ⅳ

研究業績（2018）“Design and control of gas diffusion process in a nanoporous soft crystal”
Science 363, 387-391 (2019).
3. Presentation at academic conferences(1) Jia-Jia Zheng, Shinpei Kusaka, S. Ryotaro Matsuda, Susumu Kitagawa, Shigeyoshi Sakaki,“Separation of 1,3-Butadiene and trans-2-Butene by a Soft Metal-Organic Framework: A
Three-Layer ONIOM-type Computational Investigation”
The 21th Symposium for Theoretical Chemistry, Okazaki, May 15-17, 2018

― 135 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

LI Wenliang
Research Fellow

1. Summary of the research of the year (3-5 pages, includes appropriate figures and tables)
Theoretical Insight into M13@Pt42(M=3d Transition Metals) Core-Shell Clusters
For Pt clusters to be effective oxygen reduction reaction (ORR) catalysts, an approach involving
core-shell (CS) clusters with Pt shell is beneficial in stabilizing Pt and reducing costs while
maintaining high catalytic activity. The icosahedron (Ih) M13@Pt42 (M=3d transition metals)
clusters are systematically investigated respecting their stability, electronic properties, ORR
catalytic activity with the aid of the DFT-D3 method. The CS Cu13@Pt42, Co13@Pt42, and Ni13@Pt42
clusters are found to be stable with positive segregation energy (Eseg), which is defined as theenergy difference between CS clusters and the corresponding non-core-shell (NCS) clusters with a
3d metal atom in the core exchanged by Pt atom in the shell in the present work. While for other 3d
metals cases, a negative Eseg is observed indicating the CS cluster is less stable than the NCS cluster.
Several factors including core/shell deformation energy, the interaction energy between core andshell, and cohesive energy are considered to find the important one for stabilizing the CS cluster.
The electronic structure of CS clusters in comparison with Pt55 was systematically investigated toprovide theoretical insight into the CS clusters. Moreover, O2 adsorption to the stable CS M13@Pt42(M=Co, Ni, and Cu) and Pt55 clusters shows the tunable catalytic activity for ORR, making the CS
M13@Pt42 (M=Co, Ni, and Cu) promising candidates as catalysis for ORR.

Scheme 1. Icosahedral M13@Pt42 clusters with core-shell (CS) structures and 11 non-core-shell(NCS) structures investigated in this work.

― 136 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Figure 1. Comparison of the segregation energy of M13@Pt42 (M=3d metals) clusters with that of
M13@Pt42 (M=4d and 5d metals) clusters.
The comparison of the segregation energy of M13@Pt42 (M=3d metals) clusters with that of
M13@Pt42 (M=4d and 5d metals) clusters is demonstrated in Figure 1. The NCS structures for thecases of Mn, Fe, and Zn show -3.13. -0.51, and -0.80 eV more stable than the corresponding CS
structure, while the core-shell structures of Co, Ni, and Cu cases are more stable than all thesegregated ones. The similar arch can be easily found for all 3d, 4d and 5d metals. In details, threestable CS clusters for 3d metal (Cu13@Pt42, Co13@Pt42, and Ni13@Pt42) can be found with Eseg from0.29 to 0.52 eV. And two stable CS clusters for 4d and 5d metals (Ru13@Pt42, Rh13@Pt42, Os13@Pt42
and Ir13@Pt42) can be found with Eseg from 0.29 to 0.52 eV and from 1.80 to 2.65 eV, respectively.

Figure 2. The relationship of segregation energy with (a) difference in interaction energy (δEint),
����
�����
(b) core deformation energy (𝐸𝐸������
), and (c) shell deformation energy (𝐸𝐸������
).

― 137 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Figure 2 is drawn to clearly show the relationship of segregation energy with difference in����interaction energy (δEint = EintNCS - EintCS), core deformation energy (𝐸𝐸������
), and shell deformation

�����energy (𝐸𝐸������
). Good linear correlation between Eseg and δEint can be observed from Figure 4a,
indicating the δEint may be a key factor in determining a stable CS cluster. Although no linear
����
�����
correlation between Eseg and 𝐸𝐸������
or 𝐸𝐸������
can be observed, the large Edeform for Fe and Zn
core, as well as Mn and Zn shell, can be found to make the CS cluster unstable.

Figure 3. Segregation energy vs cohesive energy of cluster M55 with Pt55 shown as dash line, andthe comparison of cohesive energy for M13, M55 and experimental data for metal crystal.
Cohesive energy, Ecoh, maybe another key factor for the stability of the bimetallic CS cluster,because metals with large Ecoh tend to be bound together with as many as possible to form a coremoiety as found in CS M13@Pt42 clusters (M=4d or 5d transition metals)10. However, the situation
changes for 3d metals cases as displayed in Figure 3a. For all 3d transition metals, the M55 clusters
show smaller Ecoh than Pt55, including the stable CS clusters, M13@Pt42, (M=Cu, Ni, and Cu),
indicating the Ecoh is not the determining factor for the stable CS cluster, at, least, for 3d metal cases.
By comparing the Ecoh for M13 and M55 with the experimental data for metal crystal in Figure 3b,
one can confirm the accuracy of the Ecoh calculation. Also, the Ecoh increases as cluster size
increases from M13 to M55, and then to the experimental values of bulk metal, except the Co case.

― 138 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Li Qiaozhi
Research Fellow
1. Summary of the research of the year
Reactivity of New Unique Rh(PXP) Complexes (X = B, Al, Ga): Theoretical Insight
Recently synthesized rhodium complex Rh(PAlP) (PAlP = pincer-type diphosphino-aluminyl ligand) has
a unique Rh-Al direct bond. This complex has been reported to cleave the sp2 C-H σ-bond of pyridine. We
theoretically investigated the reactivity of Rh(PAlP) and its two analogues, Rh(PBP) and Rh(PGaP), toelucidate the origin of its interesting new reactivity using DFT and CCSD(T). We found that the C-F bond offluorobenzene (PhF) is cleaved by Rh(PXP) in σ-bond metathesis manner and X (X = B, Al, Ga) center
participates well in the activation process. For this reaction, Rh(PAlP) is better than the B and Ga analogues inboth kinetically and thermodynamically.
Transition metal complexes of phosphine-based pincer ligands have attracted recent attentions becauseof their successful applications to various organometallic and catalytic reactions.
Recently, rhodium complex Rh(PAlP) (PAlP = {Al[N(C6H4)]2NMe}[PCH2(iPr)2]2;

Scheme 1. PAlP ligand.

Scheme 1) bearing X-type aluminyl moiety was synthesized. The Rh-Al bond of
Rh(PAlP) was characterized as the unusual Rhδ−-Alδ+ polarized covalent bond by
DFT calculations. In addition, this complex was reported to successfully activate
the sp2 C-H σ-bond of pyridine, where the N atom of pyridine coordinates to the
Al center and the C-H bond cleavage occurs on the Rh center. One important open
question is whether this rhodium complex can activate other σ-bonds such as stronger C-F and C-O bonds ornot. Another question is if other group 13 elements can be applied to this complex and σ-bond activation. In
this work, we investigated the activation performance of Rh(PAlP) and two analogues Rh(PBP) and Rh(PGaP)for C-F σ-bond of fluobenzene (PhF).
Geometries were optimized using DFT method with the B3PW91-D3 functional, where LANL2DZ basis
sets were used for Al, P, Ga, and Rh with effective core potentials (ECPs) and 6-31G(d) for other atoms; thisbasis set system is named BS-I. Energy change was evaluated using the B3PW91-D3 functional and better
basis set system (BS-II), in which Stuttgart-Dresden-Bonn basis sets were used for Ga and Rh with ECPs and6-311G(d) for other atoms. Solvation effect of toluene was considered using PCM model. The B3PW91-D3
functional was selected for these calculations because (i) the geometry of Rh(PAlP) complex could be
reproduced well using this functional and (ii) the energy change in the model C-F bond activation calculatedby this functional was similar to that by CCSD(T). Gaussian 16 program was used.
In the reaction of Rh(PXP) (X = B, Al, Ga) with PhF, we employed 2,5-norbornadiene (nbd) complex
of Rh(PXP) as starting material, considering the experimental result. In nbd complex of Rh(PAlP) Rea-Al, nbd
coordinates to Rh in a bidentate manner, as shown in Figure 1. After the ligand substitution for nbd with PhF,
Rh(PAlP)(PhF) Ad-Al is formed, in which the C=C bond of PhF coordinates to the Rh center. Three possible― 139 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

coordination modes were found in Ad-Al: (i) coordination of PhF at the position trans to Al to form a planar(PL) structure Ad-a-Al, (ii) coordination at the perpendicular (PE) position to form Ad-b-Al, and (iii)
coordination at the seesaw position (between PL and PE) to form Ad-c-Al. Starting from Ad-b-Al, the C-F
bond cleavage occurs in σ-bond metathesis manner keeping Al-F bonding interaction, suggesting that the Al
center plays important role in the C-F bond activation process. In the σ-bond activation, the Al moiety isconverted to Z-type aluminum ligand. Finally, the product P-a-Al and its isomer P-b-Al are located, where thePh group is bound with the Rh center at the position cis to the F in P-a-Al but at the position trans to the F in
P-b-Al.

Fig. 1. Geometry changes in C-F bond activation process by Rh(PAlP).
Table 1. Relative Gibbs energies (kcal mol−1) in C-F bond activation process by Rh(PXP).
Rh(PXP)

Rea-X

Ad-a-X

Ad-c-X

Ad-b-X

Ad-d-X

TS-X

P-a-X

P-b-X

X = Al

0.0

25.3

21.6

19.2

21.4

22.1

-26.4

-33.6

X=B

0.0

22.6

22.9

25.5

32.1

52.6

-8.0

-9.2

X = Ga

0.0

24.1

21.7

21.8

23.8

34.8

-8.2

-15.9

As shown in Table 1, the Gibbs activation energy ΔGº‡ (Rea-Al to TS-Al) and the Gibbs reaction energy
ΔGº are 22.1 and -33.6 kcal mol−1, respectively. These results indicate that this activation reaction can occur
easily by moderate heating. The ligand substitution process from Rea-Al to the most stable adduct Ad-b-Al
shows a very positive ΔGº value of 19.2 kcal mol−1. However, the C-F σ-bond cleavage occurs with marginal
energy barrier from Ad-b-Al. The isomerization of P-a-Al to P-b-Al is exothermic with the ΔGº of -7.2 kcal
mol−1. For B and Ga analogues, the ΔGº‡ is 52.6 and 34.8 kcal mol−1 (Rea-X to TS-X) and the total ΔGº is 9.2 and -15.9 kcal mol−1 for X = B and X = Ga, respectively; these ΔGº‡ values are much larger and ΔGº areless negative than those for X = Al. It is concluded that Rh(PAlP) is the best for C-F bond activation both

― 140 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

thermodynamically and kinetically.

2. Original papers
3. Presentation at academic conferences
4. Others(1) Qiaozhi Li and Shigeyoshi Sakaki“Theoretical study on C−X σ-bond activation by Rh(PAlP) complexes”
The 16th symposium of Fukui Institute for Fundamental Chemistry, Kyoto, Feb. 08, 2019.

― 141 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Rei Matsuzaki
FIFC Fellow
1. Summary of the research of the year
Electronic and nuclear fluxes induced by quantum interference
We perform an electronic and nuclear flux analysis for nonadiabatic dynamics and its corresponding
adiabatic counterpart, both of the wavefunctions of which are represented in the Born-Huang expansion. It is
well known that the electronic-nuclear configurations (terms) in the expansion of the total wavefunction
interfere each other through the nonadiabatic interactions and give birth to electronic and nuclear fluxes.
Interestingly, even in the adiabatic dynamics without such nonadiabatic interactions, a wavefunction
composed of more than one adiabatic state can undergo interference among the components and give theelectronic and nuclear fluxes. That is, the individual pieces of the wavepacket components associated withthe electronic wavefunctions in the adiabatic representation can propagate in time independently with nononadiabatic interaction, and yet they can interfere among themselves to generate the specific types ofelectronic and nuclear fluxes. We refer to the dynamics of this class of total wavefunction as multipleconfiguration adiabatic Born-Huang dynamics. A systematic way to distinguish the electronic and nuclear
fluxes arising from nonadiabatic and the corresponding adiabatic dynamics is discussed, which leads to thedeeper insight about the nonadiabatic dynamics and quantum interference in molecular processes. The socalled adiabatic flux will also be discussed.
As usual, we begin with the time-dependent Schrödinger equation with the Born-Huan expansion
Ψ�𝒒𝒒𝒒 𝒒𝒒𝒒 𝒒𝒒� � � 𝜒𝜒� �𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹�Φ� �𝒒𝒒𝒒 𝒒𝒒�.

(1)�We do not have to specify Φ� �𝒒𝒒𝒒 𝒒𝒒� at this point. We consider the conservation of the quantum probability

and finally obtain electronic flux 𝒋𝒋�� and nuclear flux 𝑱𝑱�� � 𝑱𝑱���� . Here, derivative operator for nuclear

position is operated on nuclear wavefunctions in 𝑱𝑱�� and on electronic wavefunctions in 𝑱𝑱���� . To facilitate

the intuitive understanding of the physical properties of these fluxes, we will use the following reduced ones
𝐟𝐟𝐑𝐑 �𝐑𝐑𝒒 �� � � 𝐣𝐣𝒆𝒆𝒆𝒆 �𝐫𝐫𝒒 𝐑𝐑𝒒 ���𝐫𝐫�t,
𝐟𝐟𝐫𝐫 �𝐫𝐫𝒒 �� � � 𝐣𝐣𝒆𝒆𝒆𝒆 �𝐫𝐫𝒒 𝐑𝐑𝒒 ���𝐑𝐑�t,

𝐅𝐅�� �𝐑𝐑𝒒 t� � � 𝐉𝐉𝒏𝒏𝒏𝒏 �𝐫𝐫𝒒 𝐑𝐑𝒒 ���𝐫𝐫�t,
��
𝒆𝒆𝒆𝒆
𝐅𝐅��
�𝐑𝐑𝒒 t� � � 𝐉𝐉𝒏𝒏𝒏𝒏
�𝐫𝐫𝒒 𝐑𝐑𝒒 ���𝐫𝐫�t.

― 142 ―

(2)

(3)
(4)
(5)

Ⅳ

研究業績（2018）

Table 1. Components of the electronic and nuclear fluxes and their properties.
Nonadiabatic

BO multi-configuration

BO single-configuration

Finite value, beat+ Rabi-like

Finite value, beat

0

Finite value

Finite value

0

𝐟𝐟𝐑𝐑 �𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑�

Finite value, beat+Rabi-like

Finite value, beat

0

𝐉𝐉𝒏𝒏𝒏𝒏 �𝐫𝐫𝐑 𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑�

Finite value, beat+Rabi-like

Finite value, beat

Finite value, no beat

Finite value, no beat

Finite value, no beat

Finite value, no beat

𝒆𝒆𝒆𝒆
𝐉𝐉𝒏𝒏𝒏𝒏�𝐫𝐫𝐑 𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑�

Finite value, beat+Rabi-like

0 or very small

0

��
𝐅𝐅��
�𝐑𝐑𝐑 t�Finite value, beat+Rabi-like00𝐣𝐣𝒆𝒆𝒆𝒆 �𝐫𝐫𝐑 𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑�
𝐟𝐟𝐫𝐫 �𝐫𝐫𝐑 𝐑𝐑�

𝐅𝐅�� �𝐑𝐑𝐑 t�

We analyzed these fluxes for three types of total wavefunctions: (i) nonadiabatic wavefunctions (ii)
BO(Born-Oppenheimer) multi-configuration wavefunctions (iii) BO single-configuration wavefunctions.
Table I summarizes the conclusions.
We perform numerical studies to see how we can or cannot distinguish the nonadiabatic dynamics
and the multiple configuration adiabatic dynamics in terms of the quantum flux components. To do so, we
perform the full quantum mechanical calculations over the electronic and nuclear degrees of freedom for thetwo-state model of the spin-singlet LiF molecule. We obtained the adiabatic ground state and first excitedstate with the GAMESS quantum chemistry package using two-state averaged complete active space selfconsistent field calculation of the level of a six electron six orbital active space with aug-cc-pVDZ basis sets
at every 0.1 angstrom to 11.0 angstrom. We have numerically calculated the nonadiabatic coupling elements
by means of the finite difference method. Since all the quantum wavepackets dynamics calculations are
performed in the diabatic representation, we adopt the standard method using the adiabatic-to-diabatic
transformation angle obtained from the non-adiabatic coupling constant. The nuclear wavepackets in the
diabatic representation are obtained by integrating the coupled Schrödinger equations with the split-operator
FFT method.
The main subject of the present study is the quantum interference effect arising in two dynamics:
one undergoing nonadiabatic transition and the other being adiabatic all the way through, but they commonly
have the multiple configuration. To prepare the initial conditions from them, a Gaussian wavepacket (C) in
Fig. 1 is made to run according to the coupled Schrödinger equation towards the Franck-Condon region. In
the passing through the avoiding crossing, it bifurcates into two pieces, each arriving at the position (A) and(B) at some time on the individual adiabatic potential curve. As a pair of two initial wavepackets, we letthem move back numerically to the reserved direction with the inverse momenta. The nonadiabatic versionof this total wavefunction consisting of (A) and (B) proceeds towards the asymptotic region and two
wavepackets merged into a single piece like the packet (C). On the other hand, each of the components ofwavepackets (A) and (B) proceeds individually on their adiabatic potential curves without merged.
Fig. 2 shows that the calculation result of reduced electron flux 𝑓𝑓� �𝑄𝑄𝑄 𝑄𝑄� defined in Eq. (2) where

Q is atomic distance of LiF. In the present dynamics, the initial two wavepackets reach the crossing region at
𝑄𝑄 � �� fs. In the nonadiabatic case (left panel of Fig. 2.), the electron flux disappears after this time. This isbecause the wavepackets merge and become single configuration and the electron flux for such a― 143 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

wavefunction is nullified as shown in Table 1. Remarkably through, the electron flux in the adiabatic
wavefunction (right panel of Fig. 2.) does not disappear after reaching crossing region. This is because
adiabatic wave function doesn’t merge into single configuration and multiple-configuration adiabatic
wavefunction have a finite value in the electron flux (see Table 1).
In the present research, we study the property of multi-configuration adiabatic wavefunctions interms of flux. Especially, we show that the quantum interference can induce the electronic flux even if thesystem is adiabatic. We also discussed the correlation between electron flux and nuclear flux.

Fig. 1. Schematic illustration of the potential curves in the diabatic representation and theassociated electronic Hamiltonian matrix element. Two wavepackets (A) and (B) constitute an initial local
wavefunction both for the adiabatic and nonadiabatic dynamics.

Fig. 2. Distribution of the reduced electronic flux 𝑓𝑓� �𝑄𝑄𝑄 𝑄𝑄�. The left(right) panel shows thenonadiabatic(adiabatic) dynamics.

― 144 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

2. Original papers(1) Rei MATSUZAKI and Kazuo TAKATSUKA,“Electronic and nuclear flux analysis on nonadiabatic electron transfer reaction: A view fromsingle configuration adiabatic Born-Huang representation”
J. Comput. Chem. 40(1), 148-163 (2019).
(2) Rei MATSUZAKI and Kazuo TAKATSUKA, “Electronic and nuclear fluxes induced byquantum interference in the adiabatic and nonadiabatic dynamics in the Born-Huang
representation”, J. Chem. Phys. 150(1), 014103(2019)
3. Presentation at academic conferences(1) 松崎 黎、高塚 和夫、非断熱過程に置ける電子と原子核フラックス、第 21 理論化学
討論会、岡崎、2018 年 5 月 15-17 日
4. Others― 145 ―

Ⅳ

研究業績（2018）山本 憲太郎
研究フェロー（高塚グループ）

１．今年度の研究の要約
今年度は，非断熱電子動力学的な一方向的プロトン移動の機構の理論的研究を行った．
【序】プロトンポンプは生化学における基本的な機構のひとつである．たとえば，
bacteriorhodopsin (BR) や cytochrome coxidase (CcO) はそのような機能を持ち，生じたプロトン勾配を ATP の合成に利用する．このプロトンポンプは，電子状態の変化と何らかの形でカップルしている
た め ， proton-coupled electron transfer(PCET) として理解されている．実際には，BR では retinal の光励起に伴う，CcO
では一連の酸化還元反応伴う PCET によって，proton pumping がそれぞれ駆動される．どちらの場合も，electron と proton の動力学的な関係は単純ではなく，基本的な機構は明らかではない．本研究は，非対称性を持つタンパクの動作機構によるものではなく，「化学反応的な」原理によ Fig. 1. Schematic representation of the mechanism of
る一方向的なプロトン移動の機構を提案 unidirectional proton transportation, which proceeds
する．この仕組みを実現する簡単な分子 sequentially from Panel (1) to (4).
システムの構築とその非断熱電子動力学
ダイナミクスの詳細を示す．
【方法論】Fig. 1 は，一方向的な電子移動の機構 [1]の類推から構築された，一方向的なプロトン移動の機構の概念図である．ここで AH = 酸, BH = 塩基, YH =弱酸, そして X = (Y に対する酸化および還元剤) である．Y は X に酸化されることによって強酸に変化す
る． 破線は水素結合を示す．AH は proton supplying
units (PS, Fig. 1 の各パネルの左下の領域) と，BH はproton accepting unit (PA, 同右上の領域) にそれぞれ水素結合している． そして以下に示すスキームによって実質的に，PS から PA に proton が移動する(= proton
pumping): (1) X が YH に近づくことによって，電子状態的なコヒーレンスが生じ，そこで coupled proton
electron-wavepacket transfer (CPEWT) が 起 こ っ て
HB+H, X–, そして Y●が生じる．(2) X–が Y●から離れて
コヒーレンスが切れるため，逆反応がブロックされ― 146 ―

Fig. 2. Model system.

Ⅳ

研究業績（2018）

Fig. 3. Schematic snapshots of the one-way proton transfer dynamics; proceeding from panel
I to VI. “h denotes hole position.

る．同時に，HB+H の proton が PS に渡される．(3) ある程度の時間が経ってから，X–
が Y●の方に戻ることで再びコヒーレンスが生じ，inverse CPEWT によって X, YH の組が再生される．このとき，AH の方の proton が使われる. (4) X が YH から再び離れるときに，A–が PS から proton をもらうことで，AH が再生する．よって，core の部分が最初の状態に戻る．このような機構が実現可能であることを示すために，Fig. 2 に示すような具体的なモデル系を構築する．そしてプロセス全体 (Fig. 3) に対して energetics を計算し，重要な部分について全自由度の非断熱電子動力学 [2] を計算する．
【結果・考察】Fig. 3 に示す I から VI の間の全てのモデル系について，概念的に示す電子状態が，基底状態として得られた．これらの中で，I→II および III→IV は，proton
pumping の機構の鍵となるプロセスである．Proton transfer の一方向性を理解する上で重要なのは， X = SQ+と Y = Tyr の距離によって，電子のコヒーレンスの on/off が切り替
えられることである．これによって，proton transfer の一方向性がもたらされる．計算結果から，非断熱遷移がこのような役割を担うことわかる．これらの機構は，サイト間のコヒーレンスの on/off，および CPEWT によって，統一的に理解することができる．
【参考文献】[1] K. Yamamoto and K. Takatsuka, Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 1229 (2018).
[2] T. Yonehara, K. Hanasaki, and K. Takatsuka, Chem. Rev. 112, 499 (2012).

― 147 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

2. 論文(1) Kentaro YAMAMOTO and Kazuo TAKATSUKA,“On the Elementary Chemical Mechanisms of Unidirectional Proton Transfers: A
Nonadiabatic Electron-Wavepacket Dynamics Study”
J. Phys. Chem. A 19, 4125-4138 (2019)

3. 学会発表(1) 山本憲太郎，高塚和夫 "電子の往復運動に駆動されるプロトンポンプの化学的な機
構 に つ い て : 非 断 熱 電 子 動 力 学 に よ る 解 析 " 第 21 回 理 論 化 学 討 論 会 , 岡 崎
2018/5/15-17 3L01.
(2) 山本憲太郎，高塚和夫 "生物系に見られる一方向的なプロトンおよび電子移動の化学的な機構について" 第 12 回分子科学討論会, 福岡 2018/9/10-13 2D19.
(3) 山本憲太郎，高塚和夫 "一方向的なプロトン移動の化学的な機構について: 非断熱
電子動力学による研究", 第 16 回京都大学福井謙一記念研究センターシンポジウム,
京都 2019/2/8 P15.

― 148 ―

Ⅳ

新崎研究業績（2018）

康樹

研究フェロー（高塚グループ）
1. 今年度の研究の要約
今年度はホウ素クラスター系における、個々の断熱状態が意味をなくすほど強く非断熱相互作用する電子状態に発生する「超共鳴状態」の動力学的性質およびそのような系での結合様式の時間発展の理論研究を行った。
【概要】

これまで電子状態の断熱描像、その描像における非断熱相互作用は化学反応の解釈に重要な役割を果たしてきた。一方で分子に内在する非断熱相互作用や外場によるその制御の研究が進むにつれて、従来の断熱電子状態という描像ではとらえきれないような状態を考える可能性が出てきた。特に、ポテンシャル面上の静的な原子核配置ととらえられる通常の化学結合とは全く異なる、電子状態が密集する高電子励起状態において原子核が運動し続けることによる非断熱相互作用によって維持される結合状態、「超共鳴状態」が本研究によって見いだされた。そのような電子状態の動的性質を検討するとともに、このような状態を反応場として利用する新規な化学反応の開発に繋
げたい。
【方法論】

原子核の時間発展と同時に、多くの断熱電子状態が強く相互作用する電子状態が時間発展する系を理論計算により取り扱いたい。まずはそのような扱いを最も簡単に実現できる半古典エーレンフェスト理論による動力学計算を行う。ここでは断熱電子状態ではなく、電子の配置状態関数（CSF）を基底として電子状態を展開し、その展開係数

を時間発展させることで非断熱相互作用の強い系を必ずしも断熱状態で記述することなく扱う。
(1)

原子核座標

はその電子状態の平均場フォースに駆動されるとする。
(2)

平均場フォースは(3)によって計算される（最後の項は CSF 基底ハミルトニアンの空間微分）。このとき電子、原子核の時間発展はともに CSF 間の相互作用行列要素― 149 ―

Ⅳ

研究業績（2018）(4)の影響を受ける。電子状態、核座標の時間発展は、非対角項による CSF 間の混合の影響を強く受ける。

【ホウ素クラスターによる電子混合状態の検討】 ホウ素原子は電子が 5 つであり、2p 軌道に電子が１つの基底配置をとる。そのためホウ素クラスターでは多数の安定な励起状態が密に存在し、電子励起状態では原子核の運動にともない非断熱相互作用により電子状態が強く混合される。そのような励起状態での動力学は少数の断熱状態とその間の相互作用と解釈するよりは、個々の断熱状態が区別できない混合状態と解釈することが妥当であることが先行研究で示唆されている[1,2]。本研究ではこの特異な状態の特徴を動力学計算から探った。B6、B12 クラスターでの非断熱相互作用を含む
時間発展と仮想的な断熱時間発展との比較により、非断熱相互作用がなければ解離する条件の軌跡であっても、頻繁に強く非断熱相互作用することによって解離が阻害される場合のあることが確認できた（図１）。これは実効的には強い非断熱相互作用が存在する場合にのみ、原子核運動によって維持される「結合状態」ととらえることができる[3]。

図１

B12 クラスターで断熱時間発展では解離する（左）が非断熱相互作用により束縛される（右）例。

【結合状態の時間発展の検討】 今年の研究では、高励起状態における結合領域の不対電子密度が結合エネルギーに及ぼす役割に解釈を与えることができ[3]、原子核基底に情報を集約することが、多数の断熱電子状態を含む状態の結合様式の時間発展を特徴付けることに有益である示唆を得た。例
えば原子核基底での電子エネルギー行列を構成すると、その非対角要素は原子核間の結合領域のエ
ネルギーと解釈できるので、分子内の結合様式を反映すると期待できる。現在、結合様式の時間発展の指標として、原子核基底行列、例えば原子核基底電子エネルギー行列の固有値と固有関数を検討している（図２）。電子状態がいかに複雑に記述されようとも原子核数に応じた量に情報を集約できて好都合である。

― 150 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

図２ (左) B12（原子核数 12）の原子核基底電子エネルギー行列の固有値の時間発展。(右上) 39.0 fs、(右下) 40.0 fs での原子核基底電子エネルギー固有関数の符号の空間分布（赤: 正、青: 負）。多体の複雑な変化をさらに少数の変数（ここでは固有状態 5、6 間の交差）に縮約する。

【参考文献】[1] T. Yonehara and K. Takatsuka, J. Chem. Phys. 137, 22A520 (2012).
[2] T. Yonehara and K. Takatsuka, J. Chem. Phys. 144, 164304 (2016).
[3] Y. Arasaki and K. Takatsuka, J. Chem. Phys. 150, 114101 (2019).

― 151 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

2. 論文(1) Andres TEHLAR, Aaron VON CONTA, Yasuki ARASAKI, Kazuo TAKATSUKA, andHand Jakob WÖRNER,“Ab initio calculation of femtosecond-time-resolved photoelectron spectra of NO2 after
excitation to the A-band”
J. Chem. Phys. 149, 034307 (2018, 13 pages).
(2) A. VON CONTA, A. TEHLAR, Y. ARASAKI, K. TAKATSUKA, and H. J. WÖRNER,“Conical-intersection dynamics and ground-state chemistry probed by extreme-ultraviolet
time-resolved photoelectron spectroscopy”
Nat. Comm. 9, 3162 (2018, 10 pages).
(3) Yasuki ARASAKI and Kazuo TAKATSUKA,“Chemical bonding and nonadiabatic electron wavepacket dynamics in densely quasidegenerate excited electronic state manifold of boron clusters”
J. Chem. Phys. 150, 114101 (2019, 18 pages).
3. 学会発表(1) 新崎康樹、〇高塚和夫「Hyper-resonance あるいは動的化学結合; 新しい化学結合様態」
第 12 回分子科学討論会 福岡 2018/9/13 4E3― 152 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

Kota Hanasaki
Research fellow (Takatsuka group)
1. Summary of the research of the year
Formulation of relativistic electron dynamics in molecules
Rapid progress in the laser technology has realized ultraintense laser fields of intensity exceeding 1020
W/cm2, ultrashort pulses of attosecond duration and new X-ray laser sources [1-4], opening up a new avenue
for direct observation and manipulation of electron dynamics [5,6]. Analysis of unconventional dynamics insuch extremal conditions requires novel theoretical tools based on deep understanding on the underlying
physics and an efficient ab initio calculation scheme of many-body electronic wavefunctions. Here we explore
one of the most challenging types of unconventional electronic dynamics and develop a theory of relativistic
electron dynamics in molecules.
Relativistic electrons have long been known to exist in heavy atoms [7] where the strong Coulombic
field accelerates electrons close to the speed of light. The static relativistic effects, including relativistic orbital
shrinkage (𝑠𝑠 and 𝑝𝑝 orbitals) or diffusion (𝑑𝑑 and 𝑓𝑓 orbitals) and the spin-orbit coupling, have been revealed

to have distinct effects on the static chemical properties [7]. Ab initio calculations of those electrons have beensuccessfully realized in the framework of the relativistic quantum chemistry [8-10]. On the other hand,ultrastrong laser techniques have realized new types of relativistic electrons of dynamical nature [11,12] bydirect acceleration of electrons in ultraintense ( ≳ 10�� W/cm2) infrared laser fields or by excitation ofrelativistic electronic orbitals in heavy atoms using X-ray laser pulses.

In contrast to static properties affected by above-listed single-particle relativistic effects, analysis ofrelativistic dynamics requires careful consideration of electron-radiation coupling enhanced by large electronic
velocity. We therefore constructed a new theoretical framework for electron-nucleus-radiation coupled
dynamics based on quantum electrodynamics [13,14].
We first derived a formal quantum electrodynamical expressions of a general dynamical observables.
After a formal path-integral decoupling of the nuclear degrees of freedom [15,16], the problem reduces toelectron-radiation coupled time evolution along an arbitrary given nuclear trajectory 𝑹𝑹� . We can thenconstruct a formal perturbation expansion by combining the mean-field electronic Hamiltonian and noninteracting radiation field Hamiltonian to form the zeroth order single-body Hamiltonian 𝐻𝐻� �𝑹𝑹� � and putting

the remaining part into the interaction Hamiltonian 𝐻𝐻��� �𝑹𝑹� �. A formal perturbation series for a general
dynamical observable 𝑂𝑂� along such time evolution reads������
�𝑹𝑹� � � ���𝑀𝑀����� :𝑹𝑹� |𝒯𝒯��������𝑹𝑹� ��� ��� ��|�� :𝑹𝑹� ⟩,��� �� �� ��� :𝑹𝑹� |������|�� :𝑹𝑹� ⟩��� :𝑹𝑹� |�������|�� :𝑹𝑹� ⟩(1)with Φ� ,𝑹𝑹� (Φ� ,𝑹𝑹� ) representing the initial (final) electronic state and nuclear coordinates, 𝒯𝒯 representing

the time-ordering operator, 𝑈𝑈� ��� � � � being the radiation-corrected perturbative propagator in the interaction
representation with a small damping factor 𝑒𝑒 ��|�| [17], and 𝑁𝑁� (𝑁𝑁� ) being a normalization factor associated to― 153 ―

Ⅳ

研究業績（2018）

the initial (final) state. Although being formally exact, evaluation of the formal perturbation series, Eq. (1) isout of reach of conventional techniques because of the explicit time-dependence of 𝐻𝐻� �𝑹𝑹� � and 𝐻𝐻��� �𝑹𝑹� �.

In order to obtain a more feasible calculation scheme, we first consider a calculation scheme based onan effective Hamiltonian, which is a radiation-corrected energy operator acting on a 𝑑𝑑 dimensional model
space 𝒱𝒱 (an invariant subspace of 𝐻𝐻� �𝑹𝑹� )). The generalized Gell-Mann-Low theorem [18] shows that one������
can construct such an effective Hamiltonian in a perturbative manner as 𝐻𝐻���
� 𝒫𝒫𝐻𝐻Ω𝒫𝒫 with 𝒫𝒫 being the

projection operator on 𝒱𝒱 and Ω � �� ��� ���
then rewrite Eq. (1) as������
�𝑹𝑹� � � �𝐹𝐹�� ��𝑀𝑀��������
�𝑹𝑹� ��𝑹𝑹�� ⋅���� 𝑨𝑨�𝑹𝑹� ���ℏ𝑿𝑿��/ℏ
�������

�

𝒫𝒫�� ������𝒫𝒫

being the (perturbative) wave operator. We can⋯ 𝑂𝑂���� ��� � ⋯��������
�𝑹𝑹� ��𝑹𝑹�� ⋅���� 𝑨𝑨�𝑹𝑹� ���ℏ𝑿𝑿��/ℏ
�������

|𝐹𝐹� ⟩,(2)

with 𝑿𝑿 being the derivative coupling, 𝑨𝑨 being the transversal radiation field and 𝑂𝑂���� being the effective

operator defined in an analogous manner as 𝑂𝑂���� � 𝒫𝒫𝑂𝑂� Ω𝒫𝒫. The initial (final) state, represented by |𝐹𝐹� ⟩(⟨𝐹𝐹�� |), is (the conjugate of) the model-space projection of the radiation-corrected initial (final) adiabatic state.
������
Equation (2) is correct up to the basis set expansion. The effective Hamiltonian 𝐻𝐻���
can be constructedusing the standard perturbation expansion techniques in the quantum field theory [14], but more efficiently
using advanced techniques introduced in Refs. 19 and 20. We can further show that, within this effective

Hamiltonian approach, the full electron-nucleus coupled dynamics, with the non-relativistic approximation on
the nuclear degrees of freedom, can be represented by an effective non-adiabatic Schrödinger dynamics of thenuclear wavepacket using the effective Hamiltonian. Details of this research can be found in our forthcoming
publication [21].
[1] M. Aoyama, K. Yamakawa, Y. Akahane, J. Ma, N. Inoue, H. Ueda, and H. Kiriyama, Opt. Lett. 28, 1594 (2003).
[2] C. Danson, D. Hillier, N. Hopps, and D. Neely, High Power Laser Sci. Eng. 3, e3 (2015); C. Danson et al. ibid. 7, e54 (2019).
[3] T. Ishikawa et al. Nat. Photon. 6, 540 (2012).
[4] C. Bostedt et al. Rev. Mod. Phys. 88, 015007 (2016).
[5] F. Krausz and M. Ivanov, Rev. Mod. Phys. 81, 163 (2009).
[6] J. Ulrich, A. Rudenko and R. Moshammer, Annu. Rev. Phys. Chem. 63, 635 (2012).
[7] P. Pyykko and J.-P. Desclaux, Acc. Chem. Res. 12, 276 (1979); P. Pyykko, Chem. Rev. 88, 563 (1988).
[8] M. Reiher and A. Wolf, “Reletivistic Quantum Chemistry” (Wiley, Weinheim, 2015).
[9] W. Liu, Phys. Rep. 537, 59 (2014).
[10] T. Nakajima and K. Hirao, Chem. Rev. 112, 385 (2012).
[11] G. A. Mourou, T. Tajima, and S. V. Bulanov, Rev. Mod. Phys. 78, 309 (2006).
[12] A. Di Piazza, C. Müller, K. Z. Hatsagortsyan, and C. H. Keitel, Rev. Mod. Phys. 84, 1177 (2012).
[13] V. B. Berestetskii, E. M. Lifshitz and L. P. Pitaevskii, “Quantum Electrodynamics” (Butterworth-Heinemann, Oxford, 1982).
[14] S. Weinberg, “Quantum Field Theory” (Cambridge University Press, 2004).
[15] P. Pechukas, Phys. Rev. 181, 166 (1969); ibid. 181, 174 (1969).
[16] K. Hanasaki and K. Takatsuka, Phys. Rev. A 81, 052514 (2010).
[17] M. Gell-Mann and F. Low, Phys. Rev. 84, 350 (1951).

― 154 ―

Ⅳ

研究業績（2018）[18] A. Weber and N. E. Ligterink, Phys. Rev. D 65, 025009 (2001).
[19] V. M. Shabaev, Phys. Rep. 356, 119 (2002).
[20] I. Lindgren, S. Salomonson and B. Åsén, Phys. Rep. 389, 161 (2004).
[21] K. Hanasaki and K. Takatsuka, accepted for publication in Phys. Rev. A

2. Original papers(1) K. Hanasaki, M. Kanno, T. A. Niehaus and H. Kono, “An efficient approximate algorithm
for nonadiabatic molecular dynamics”, J. Chem. Phys. 149, 244117 (2018).
3. Presentation at academic conferences(1) Kota Hanasaki and Hirohiko Kono
“Path-integral Formulation of nonadiabatic dynamics coupled to thermal baths”
The 21st Annual Meeting of Japan Society of Theoretical Chemistry, May 17, 2018
4. Others(1) Kota Hanasaki and Kazuo Takatsuka“Formulation of relativistic electron dynamics”
The 16th symposium of Fukui Institute for Fundamental Chemistry, Kyoto, Feb. 8, 2019.

― 155 ―

Ⅳ

研究業績（2018）― 156 ―

Ⅴ

Ⅴ

資料（2018）

資料

１．研究業績一覧（平成 30 年度）
Volume(Number),first page tolast pageyear

J. Comput. Chem.
Jpn.

17, 138-141

2018"Near infrared light induced plasmonic hotholetransfer at a nano-heterointerface"

Nature Commun.

9, 2314 1-7

2018

D. Liu, Y. Niwa, N. Iwahara, T.
Sato, L. F. Chibotaru

Quadratic Jahn-Teller effect of fullerene
anionsPhys. Rev. B

98, 035402 1-9

2018

S. Kimura, A. Tanushi, T.
Kusamoto, S. Kochi, T. Sato, H.
Nishihara

A luminescent organic radical with two
pyridyl groups: high photostability and dual
stimuliresponsive properties, with theoreticalanalyses of photophysical processes

Chem. Sci.

9, 1996-2007

2018

The Fragment Molecular Orbital Method
Based on Long-Range Corrected DensityFunctional Tight-Binding

J. Chem. Theory
Copmut.

15(5), 3008-3020

2019

№

Authors

Title

Journal1

W. Ota, K. Teramura, S.
Hosokawa, T. Tanaka, T. Sato

Regioselectivity of H2 Adsorption on Ga2O3
Surface Based on Vibronic Coupling Density
Analysis

2

Z. Lian, M. Sakamoto, H.
Matsunaga, J.J.M. Vequizo,
A. Yamakata, Mi. Haruta, H.
Kurata, W. Ota, T. Sato, T.
Teranishi

3

4

佐藤

西本

1

永瀬

徹

佳央
Van Quan Vuong, Yoshio
Nishimoto, Dmitri G. Fedorov,
Bobby G. Sumpter, Thomas A.
Niehaus, and Stephan Irle

茂1

T. Sugahara, J. –D. Guo, T.
Sasamori, S. Nagase, and N.
Tokitoh

Reversible Addition of Terminal Alkenes toDigermynes

Chem. Commun.

54, 519-522

2018

2

Z. Slanina, F. Uhlík, S. Nagase,
T. Akasaka, X. Lu, and L.
Adamowicz

Cyclic Water-Trimer Encapsulation into
D2(22)-C84 Fullerene

Chem. Phys. Lett.

695, 245-248

2018

3

T. Sugahara, J. –D. Guo, T.
Sasamori, S. Nagase, and N.
TokitohRegioselective Cyclotrimerization ofTerminal Alkynes Using a Digermyne

Angew. Chem. Int.
Ed.

57, 3499-3503

2018

4

Q. –Z. Li, J. –J. Zheng, L. He, S.
Nagase, and X. Zhao

La-La Bonded Dimetallofullerenes [La2@C2n]-: Species for Stabilizing C2n (2n = 9296) besides La2C2@C2n

Phys. Chem.
Chem. Phys.

20, 14671-14678

2018

5

T. Sugahara, J. –D. Guo, D.
Hashizume, T. Sasamori, S.
Nagase, and N. Tokitoh

The Selective Formation of a
1,2-Disilabenzene from the Reaction of a
Disilyne with Phenylacetylene

Dalton Trans.

47, 13318-13322

2018

6

M. Yamada, T. Akasaka, and S.
NagaseSalvaging Reactive Fullerenes from Soot by
Exohedral Derivatization

Angew. Chem. Int.
Ed.

57, 13394-13405

2018

7

Y. Maeda, Y. Konno, M.
Yamada, P. Zhao, X. Zhao, M.
Ehara, and S. Nagase

Control of Near Infrared Photoluminescence
Properties of Single-Walled Carbon
Nanotubes by Functionalization withDendrons

Nanoscale10, 23012-23017

2018― 157 ―

Ⅴ

資料（2018）

Authors

Title

JournalVolume(Number),first page tolast pageyear

1

Vijay Singh, Shigeyoshi Sakaki,
Milind M. Deshmukh

Ni(I)-Hydride Catalyst for Hydrosilylation of
Carbon Dioxide and Dihydrogen Generation:
Theoretical Prediction and Exploration of
Full Catalytic Cycle

Organometallics

37, 1258-1270

2018

2

Jing Lu, Kazuya Ishimura, andShigeyoshi Sakaki

Theoretical Insight into Core−Shell
Preference for Bimetallic Pt‑M (M = Ru,
Rh, Os, and Ir) Cluster and Its Electronic
Structure

J. Phys. Chem. C.

122, 9081−9090

2018

3

Naofumi Hara, Teruhiko Saito,
Kazuhiko Semba, Nishamol
Kuriakose, Hong Zheng,
Shigeyoshi Sakaki, andYoshiaki Nakao

Rhodium Complexes Bearing PAlP Pincer
Ligands

J. Am. Chem. Soc.

140, 7070−7073

2018

4

Masayuku Nakagaki, Antoine
Baceiredo, Tsuyoshi Kato,* andShigeyoshi Sakaki*

Chem. Eur. J.

24, 11377 –
11385.

2018

5

Tomohiro Higashino, Atsushi
Kumagai, Shigeyoshi Sakaki
and Hiroshi Imahori

Reversible π-system switching of thiophenefused thiahexaphyrins by solvent and oxidation/reduction

Chem. Sci

9, 7528 - 7539.

2018

№.

榊

高塚

茂好

Reversible Oxidative Addition/Reductive
Elimination of a Si-H Bond with BaseStabilized Silylenes: A Theoretical Insight

和夫

1

Kazuo Takatsuka

Nonadiabatic nuclear and electronic quantum
wavepacket dynamics

Chem. Phys.

515, 52-59

2018

2

Andres Tehlar, Aaron vonConta,Yasuki Arasaki, Kazuo
Takatsuka, and Hans Jakob

Ab-initio calculation of femtosecond-timeresolved photoelectron spectra of NO2 after
excitation to the A-band

J. Chem. Phys.

149, 034307 (13pages)

2018

3

Rei Matsuzaki and Kazuo
Takatsuka

Electronic and nuclear flux analysis on
nonadiabatic electron transfer reaction: Aview from single-configuration adiabatic
Born-Oppenheimer representation

J. Comput. Chem.
(Morokuma
memorial issue)

40, 148-163

2019

4

Rei Matsuzaki and Kazuo
Takatsuka

Electronic and nuclear fluxes induced byquantum interference in the adiabatic andnonadiabatic dynamics in the Born-Huang
representation

J. Chem. Phys.

150, 014103 (22pages)

20195

Yasuki Arasaki and Kazuo
Takatsuka

Chemical bonding and nonadiabatic electron
wavepacket dynamics in densely quasidegenerate excited state manifold of boron
clusters.

J. Chem. Phys.

150, 114101 (18pages)

20196

Kentaro Yamamoto and Kazuo
Takatsuka

On the Elementary Chemical Mechanisms of
Directional Proton Transfers: A Nonadiabatic
Electron-Wavepacket Dynamics Study

J. Phys. Chem. A

123, 4125-4138

2019

Pair Interaction Energy Decomposition
Analysis for Density Functional Theory
and Density-Functional Tight-Binding withan Evaluation of Energy Fluctuations in
Molecular Dynamics

J. Phys. Chem. A

122(6), 17811795

2018

北浦

1

和夫

Dmitri G. Fedorov, Kazuo
Kitaura― 158 ―

Ⅴ№.

Authors

多羅間

1

伊丹
1

藪中
1

資料（2018）

JournalVolume(Number),first page tolast pageyear

Nonlinear Dynamics of Active Deformable
Particles

The Royal Societyof Chemistrye-bookChapter 12. of"Self-organizedMotion:Physicochemical
Design basedon Nonlinear
Dynamics"(S. Nakata,
V. Pimienta,
I. Lagzi, H.
Kitahata, N. J.
Suematsu, eds.)

2019

Singular behaviour of time-averaged stressfluctuations on surfaces

J. Stat. Mech.

2018(12),1232102018

Why Might the Standard Large-N Analysis
Fail in the O(N) Model: The Role of Cusps in
Fixed Point Potentials

Physical review
letters

23, 23161 1-5

2018

Structure factors in a two-dimensional binary
colloidal hard sphere system

Molecular Physics

111(36), 88738876

2018

Title

充輔

Mitsusuke Tarama將人Masato Itami and Shin-ichi Sasa

俊介
(1) Shunsuke Yabunaka andBertrand Delamotte

Schnyder, Simon K.

1鈴木

Alice L. Thorneywork, Simon
K. Schnyder, Dirk G. A. L.
Aarts, Jürgen Horbach, Roland
Roth, and Roel P. A. Dullens

聡

1S.Suzuki, S. Maeda, K.
Morokuma

Exploration of Quenching Pathways ofMultiluminescent Acenes Using the GRRM
Method with the SF-TDDFT Method

J. Phys. Chem. A

119, 11479–
11487

2015

2

S.Sasaki, S.Suzuki, W.M.C.
Sameera, K. Igawa, K.
Morokuma, G. Konishi,

Highly twisted N,N-dialkylamines as adesign strategy to tune simple aromatichydrocarbons as steric environment-sensitive
fluorophores

J. Am. Chem.
Phys.

138, 8194-8206

2016

3

S.Sasaki, S.Suzuki, K. Igawa,K. Morokuma, G. Konishi,

The K-Region in Pyrenes as a Key Position
to Activate Aggregation-Induced Emission:
Effects of Introducing Highly Twisted N,NDimethylamines

J. Org. Chem.

82, 6865–6873

2017

A Computational Study on the Mechanismand Origin of the Reigioselectivity andStereospecificity in Pd/SIPr-Catalyzed RingOpening Cross-Coupling of 2-Arylaziridines
with Arylboronic AcidsACS Catal.

9(5), 4582-4592

2019

Sharma, Akhilesh Kumar

1

A. K. Sharma, W. M. C.
Sameera, Y. Takeda, S.
Minakata― 159 ―

Ⅴ

資料（2018）

Volume(Number),first page tolast pageyear

Chem. Eur. J.

25(43), 1022610231

2019

CO2 reduction by a Mn electrocatalyst in thepresence of a Lewis acid: a DFT study on thereaction mechanism

Sustainable Energy
Fuels

3(7), 1730-1738

2019

Electron and Hydride Transfer in a RedoxActive NiFe Hydride Complex: A DFT StudyACS Catal.

8(11), 1041910429

2018

№.

Authors

Title

2

Y. Takeda, T. Matsuno, A. K.
Sharma, W. M. C. Sameera, S.
Minakata

Asymmetric Synthesis of β²‐Aryl Amino
Acids through Pd‐Catalyzed Enantiospecificand Regioselective Ring‐Opening Suzuki‐
Miyaura Arylation of Aziridine‐2‐
carboxylates

3

M. Isegawa, A. K. Sharma

4

M. Isegawa, A.K. Sharma, S.
Ogo, K. Morokuma

青野Journal信治

1Shinji Aono, Tomohiro Seki,
Hajime Ito, and Shigeyoshi
Sakaki

Dependence of Absorption and Emission
Spectra on Polymorphs of Gold(I) Isocyanide
Complexes: QM/MM ApproachJ. Phys. Chem. C

123, 4773−4794

2018

2

Shinji Aono and Shigeyoshi
SakakiQM/MM Approach to Isomerization of
Ruthenium(II) Sulfur Dioxide Complex in
Crystal; Comparison with Solution and Gas
PhasesJ. Phys. Chem. C

122, 2070120716

2018

中垣

雅之

1

Masayuki Nakagaki, Antoine
Baceiredo, Tsuyoshi Kato, andShigeyoshi Sakaki

Reversible Oxidative Addition/Reductive
Elimination of a Si-H Bond with BaseStabilized Silylenes: A Theoretical Insight

Chem. Eur. J.

24, 11377 –
11385

2018

2

Nozomi Takagi, Masayuki
Nakagaki, Kazuya Ishimura,
Ryoichi Fukuda, Masahiro
Ehara, and Shigeyoshi Sakaki

Electronic Processes in NO Dimerization
on Ag and Cu Clusters: DFT and MRMP2StudiesJ. Comput. Chem.

40, 181–190

2019

3

Kazushi Fujimoto, Rajadeep
Singh Payal, Tomonori Hattori,
Wataru Shinoda, Masayuki
Nakagaki, Shigeyoshi Sakaki,
Susumu Okazaki

Development of dissociative force field for
all‐atomistic molecular dynamics calculationof fracture of polymers

J. Comput. Chem.

40, 2571–2576

2019

Theoretical Insight into Core–Shell
Preference for Bimetallic Pt-M (M = Ru,
Rh, Os, and Ir) Cluster and Its Electronic
Structure

J. Phys. Chem. C

122 (16), 90819090

2018

How To Perform Suzuki.Miyaura Reactionsof Nitroarene or Nitrations of Bromoarene
Using a Pd0 Phosphine Complex: Theoretical
Insight and Prediction

Organometallics

37, 3480−3487

2018

Theoretical Insight into Gate-Opening
Adsorption Mechanism and Sigmoidal
Adsorption Isotherm into Porous
Coordination Polymer

J. Am. Chem. Soc.

140(42), 1395813969

2018

Lu, Jing

1

Jing Lu, Kazuya Ishimura, andShigeyoshi Sakaki

Zhon, Ronglin1Rong-Lin Zhong, Masahiro
Nagaoka,Yoshiaki Nakao, andShigeyoshi Sakaki

Zheng, Jia-Jia
1

Jia-Jia Zheng, Shinpei Kusaka,
S. Ryotaro Matsuda, Susumu
Kitagawa, and Shigeyoshi
Sakaki― 160 ―

Ⅴ

資料（2018）

Volume(Number),first page tolast pageyear

Chem. Eur. J.

24(24), 64126417

2018

La–La Bonded Dimetallofullerenes [La2@C2n]−: Species for Stabilizing C2n (2n =92–96) besides La2C2@C2n

Phys. Chem.
Chem. Phys.

20(21), 1467114678

2018

Design and Control of Gas Diffusion Process
in a Nanoporous Soft Crystal

Science363(6425), 387391

2019

1

Rei Matsuzaki and Kazuo
Takatsuka

Electronic and nuclear flux analysis on
nonadiabatic electron transfer reaction: Aview from single‐configuration adiabaticborn–huang representation

J. Comput. Chem.

40(1), 148-163

2019

2

Rei Matsuzaki and Kazuo
Takatsuka

Electronic and nuclear fluxes induced byquantum interference in the adiabatic andnonadiabatic dynamics in the Born-Huang
representation

J. Chem. Phys.

150(1), 014103

2019"On the Elementary Chemical Mechanismsof Unidirectional Proton Transfers: A
Nonadiabatic Electron-Wavepacket Dynamics
Study

J. Phys. Chem. A

123(19), 41254138

2019

1

Andres Tehlar, Aaron vonConta, Yasuki Arasaki, Kazuo
Takatsuka, and Hans Jakob
WörnerAb initio calculation of femtosecond-timeresolved photoelectron spectra of NO2 after
excitation to the A-band

J. Chem. Phys.

149, 034307 (13pages)

20182

A. von Conta, A. Tehlar,
A. Schletter, Y. Arasaki, K.
Takatsuka, and H. J. Wörner

Conical-intersection dynamics and groundstate chemistry probed by extreme-ultraviolet
time-resolved photoelectron spectroscopy

Nat. Comm.

9, 3162 (10pages)

20183

Yasuki Arasaki and Kazuo
Takatsuka

Chemical bonding and nonadiabatic electron
wavepacket dynamics in densely quasidegenerate excited electronic state manifoldof boron clusters

J. Chem. Phys.

150, 114101 (18pages)

2019

An efficient approximate algorithm for
nonadiabatic molecular dynamics

J. Chem. Phys.

149, 244117

2018

№.

Authors

2

Haijun Wang, Haifei Cao, Jia‐
jia Zheng, Simon Mathew,
Nobuhiko Hosono, Bihang
Zhou, Hongliang Lyu, Shinpei
Kusaka, Wanqin Jin, Susumu
Kitagawa, and Jingui Duan

Finely Controlled Stepwise Engineeringof Pore Environments and Mechanistic
Elucidation of Water‐Stable, Flexible 2D
Porous Coordination Polymers

3

Qiao-Zhi Li, Jia-Jia Zheng, Ling
He, Shigeru Nagase, and Xiang
Zhao

4

Cheng Gu, Nobuhiko Hosono,
Jia-Jia Zheng, Yohei Sato,
Shinpei Kusaka, Shigeyoshi
Sakaki, and Susumu Kitagawa

松崎

山本

1

新崎

花崎
1

Title

Journal

黎憲太郎
Kentaro Yamamoto and Kazuo
Takatsuka

康樹

浩太
K. Hanasaki, M. Kanno, T. A.
Niehaus and H. Kono

― 161 ―

Ⅴ

資料（2018）

２．共同研究者受入れ状況（平成 30 年度）
受入れ教員

榊

榊

共同研究者名REN, Xuefeng

茂好MENG, Qingxi

茂好

受入れ身分

受入れ期間

所属機関・職

研究内容

招へい

平成28年６月18日～

中国鉱山技術大学

外国人学者

平成30年６月17日

（中国）
・准教授

招へい

平成31年３月６日～

中国山東農業大学

金 属 微 粒 子 や MOFs

外国人学者

令和２年３月５日

（中国）
・准教授

の理論化学研究

光機能性分子の発行阻害機構の理論化学的研究

３．海外渡航一覧（平成 30 年度）
職

氏

名

期間（自）

期間（至）

員

高塚

和夫

5/18/2018

5/21/2018

中国

特定研究員

多羅間

充輔

6/5/2018

6/9/2018

シンガポール

特定研究員

薮中

俊介

7/12/20177/27/2017ドイツ、スロベニア

7/16/2017

7/28/2017スロベニア、ドイツ

研

名

究

特定研究員

SCHNYDER, Simon Kaspar

目

的

地

特定研究員

薮中

俊介

6/17/2018

7/18/2018

フランス

特定研究員

中垣

雅之

6/18/2018

6/25/2018

フランス

特定研究員

伊丹

將人

9/3/2017

9/10/2017

ポーランド

教

佐藤

徹

6/23/2018

7/1/2018

スペイン

7/4/2018

7/20/2018

イギリス

授

特定研究員
研

究

SCHNYDER, Simon Kaspar

員

高塚

和夫

9/21/20189/24/2018

中国

特定研究員

薮中

俊介

10/28/2018

12/9/2018

フランス

特定研究員

多羅間

充輔

2/26/20193/21/2019ドイツ― 162 ―

Ⅴ

資料（2018）

４．福井謙一博士生誕百年記念メモリアルシンポジウム・記念式典・祝賀会（予告）ポスター

予告― 163 ―

Ⅴ

資料（2018）

FIFC シンポジウム チラシ（A4）５．福井謙一博士生誕百年記念メモリアルシンポジウム― 164 ―

ポスター

Ⅴ

６．福井謙一博士生誕百年記念事業サテライトシンポジウム

５.

資料（2018）

プログラム

福井謙一博士生誕百年記念事業サテライトシンポジウム

プログラム

福井謙一博士生誕百年記念事業サテライトシンポジウム■開催日：２０１８年１０月１３日（土）■プログラム
９：３０～受付
１０：００～１０：０５
開会挨拶（田中勝久・福井謙一記念研究センター長）（司会：山本 量一教授）
１０：０５～１１：０５
講演①西本 佳央（京都大学福井謙一記念研究センター）「FMO-DFTB 法：100 万原子に適用可能な量子化学計算の実証」
１１：０５～１２：０５
講演②John J.Molina（京都大学工学研究科化学工学専攻）「クロール細胞の感受性」
１２：１５～１３：３０

昼休憩

１３：３０～１５：００

ポスターセッション（司会：林重彦教授）

１５：００～１６：００
講演③畑中 美穂（奈良先端科学技術大学院大学ﾏﾃﾘｱﾙｽﾞ･ｲﾝﾌｫﾏﾃｨｸｽ研究室）「自動反応経路探索の応用：メカニズム研究を超えて」
１６：００～１７：００
講演④長谷川 淳也（北海道大学触媒科学研究所）「制御力による計算科学」
１７：３０～１９：００

ディスカッションミーティング― 165 ―

Ⅴ

資料（2018）

７．京都大学総合博物館 2018 年度企画展

福井謙一博士生誕百年記念展示

ポスター

応用をやるには、基礎をやれ

京都大学総合博物館 2018 年度企画展
福井謙一博士生誕百年記念展示

2018年 10月3日（水）ー 12月9日（日）
京都大学総合博物館
開館時間：9:30～16:30（入館は16:00まで） 休館日：月曜日、火曜日（平日・祝日にかかわらず）
入館料：一般 400円／高校・大学生 300円／小・中学生 200円
※20 名以上の場合は団体観覧料を適用※障害者手帳をお持ちの方とその付き添いの方 1 名、70 歳以上の方、京都大学学生・教職員、京都府下の大学在籍の学生は無料（要証明証）

主催：京都大学総合博物館、京都大学福井謙一記念研究センター
共催：京都大学大学院理学研究科、京都大学大学院工学研究科、京都大学化学研究所／後援：京都府教育委員会、京都市教育委員会― 166 ―

Ⅴ

資料（2018）

京都大学総合博物館 2018 年度企画展／福井謙一博士生誕百年記念展示― 応用をやるには、基礎をやれ ―2018年10月3日（水）ー 12月9日（日）「応用をやるには、基礎をやれ」アジア人として初めてノーベル化学賞を受賞した
福井謙一博士が、終生の師・喜多源逸教授より受け継いだ言葉です。
この言葉は、
当時はまだ経験がものをいう職人肌の学問と言われた化学の世界で、物理学や数学など基礎理論で化学反応過程を説明可能であることを示す偉業に結実します。
本企画展示は、福井博士の生誕百年にあたる2018 年に開催されます。福井博士の業績はもとより、博士が研究と思索を深めた
京都大学の工業化学教室や燃料化学教室の歴史と系譜をひも解くことで、理論化学の拠点形成を支えた最高峰の研究環境が偶然ではなく必然として周到に整備されてきた経緯を知ることができます。

所縁の資料 化学者・福井謙一を知る
思索を深めた膨大なメモ紙と鉛筆、ノーベル賞受賞を報せた電報など、福井謙一ゆかりの資料を紹介します。ファーブル昆虫記をこよなく愛した福井少年が、化学の常識を覆した「もっとも化学者らしくない化学者」と呼ばれるまで、サイエンスの探検家であり続けた福井の足跡をたどります。

教室の歴史 化学の京都学派その歴史と系譜
福井が学び、研究し、そして教鞭をとった京都帝国大学の工業化学、燃料化学の教室は、喜多門下の兒玉信次郎、新宮春男らが切磋琢磨した研究拠点でした。喜多源逸から現在に至るまで脈々と受け継がれてきた京都学派とも称される化学研究の系譜をひもときます。

知己の記憶 福井謙一をよく知る人々へのインタビュー映像
理論だけでなく実験も大切にした福井研究室からは、次々に新たな分野を開拓していった
数多くの研究者や技術者が輩出されました。このコーナーでは、福井の日頃の研究姿勢や授業風景、ノーベル賞受賞前の雰囲気など、福井から薫陶を受けた研究者や当時に直接言葉を交わした人々の言葉から、福井像に迫ります。
1. 福井謙一博士（提供：京都大学福井謙一記念研究センター）

理論の体験 難解な理論の一端を体験
写経ワークショップにより難解な理論を構成する数式や化学式を無心で写しとる体験をします。
また、折り紙や3Dプリンタで構成された複雑な分子模型や分子軌道模型、最先端の理論
化学計算のデモなどをご覧いただけます。
期間中、企画担当者らによるギャラリートークやワークショップなど、展示内容を多面的に楽しんでいただける企画を予定しています。詳しくは、期間中に京都大学総合博物館 Webサイトに随時掲載、関連チラシを館内に掲示してまいりますので、注目ください。

2. 絶筆研究メモ（フラーレン分子の軌道相互作用の解析）／
1997 年（提供：京都大学福井謙一記念研究センター）
3. 学士院賞受賞の祝賀講演会／ 1962 年（福井家所蔵）

5. 旧石油化学教室本館（提供：京都大学総務部広報課）

表面写真：工業化学科の喜多教授グループ／ 1937 年（近土家所蔵）〒606 - 8501 京都市左京区吉田本町
TEL. 075 - 753 - 3272
FAX. 075 - 753 - 3277
www.museum.kyoto-u.ac.jp※駐車場はございません。
公共交通機関をご利用ください。

― 167 ―

アンス ティチュ・フランセ関西・（旧 関西日仏学館）

今出川通

京都大学総合博物館
京都大学
百周年
時計台記念館
東大路通

アクセス
市バス停留所「百万遍」
より徒歩約 2 分
京阪電車「出町柳駅」
より徒歩約15 分

百万遍

京都大学総合体育館・
鴨川

メモリアルシンポジウム、サテライトシンポジウムへの問い合わせ先：
京都大学福井謙一記念研究センター
TEL. 075 - 711 - 7708
E-MAIL. fukui-sympo@mail2.adm.kyoto-u.ac.jp
www.fukui.kyoto-u.ac.jp/memorial/

・知恩寺
出町柳

京阪電車

京都大学総合博物館

日時：2018 年 10月12日（金）午後
会場：京都大学百周年時計台記念館（京都市左京区吉田本町）

サテライトシンポジウム

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4. ノーベル化学賞受賞を祝って教授室に集まった石油化学教室の教官と学生／ 1981 年（提供：株式会社化学同人）

メモリアルシンポジウム

日時：2018 年 10月13日（土）
会場：京都大学福井謙一記念研究センター（京都市左京区高野西開町 34-4）

1

東一条通
N

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資料（2018）

８．福井謙一記念研究センターシンポジウム

ポスター・プログラム― 168 ―

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資料（2018）

第 16 回 京都大学 福井謙一記念研究センターシンポジウム
プログラム
日時

2019 年 2 月 8 日（金） 9:50~19:00

場所

京都大学 福井謙一記念研究センター

開会式 (Opening)： 3 階大会議室[開会の辞]

田中 勝久（京都大学 福井謙一記念研究センター長）[ご 挨 拶] 大嶋 正裕（京都大学 工学研究科長）

9:50 – 9:55
9:55 – 10:05

講演会 (Lecture Session)： 3 階大会議室


佐藤 徹（京都大学 福井謙一記念研究センター）

10:05 – 11:05「振電相互作用密度とその応用－発光、キャリア輸送、化学反応－」
座長： 田中 一義（福井センター）

平尾 公彦（京都大学 福井謙一記念研究センター・理化学研究所）

11:20 – 12:20「長距離補正密度汎関数法(LC-DFT)の最近の進展」
座長： 高塚 和夫（福井センター）— 昼食 —


13:50 – 14:50

跡見 晴幸（京都大学 大学院工学研究科）「第 3 の生物アーキアの特異な代謝」
座長： 林 重彦（京大院理）「福井謙一奨励賞」表彰式 (Ceremony of Kenichi Fukui Encouragement Award)：
3 階大会議室

15:00 – 15:30

受賞者：春田 直毅 （東京工業大学 科学技術創成研究院）「縮退と擬縮退の包括的理解に向けた新たな数理化学の開拓」

ポスターセッション (Poster Session)： 3 階大会議室

15:30 – 17:20

懇親会 (Banquet)： 1 階多目的ルーム

17:30 – 19:00― 169 ―

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資料（2018）

ポスターリスト (3 階大会議室 15:30～17:20)


番号が奇数の方は前半（15:30–16:25）、番号が偶数の方は後半（16:25–17:20）には、ポスターボードの前で発表するようにしてください。
Authors with odd and even poster numbers should be present at the poster during the first half (15:30–16:25)

and the second half (16:25–17:20) of the session, respectively.
1.

Quantitative analysis of QM/MM artifacts and its correction in adaptive QM/MM◯Hiroshi C. Watanabe[1,2] (Quantum Computing Center, Keio University[1], JST PRESTO[2])2.

DABNA を用いた OLED の発光機構に関する理論的研究◯伊藤 俊介[1]、佐藤 徹[2,3]、畠山 琢次[4]（京大工[1]、京大院工[2]、京大 ESICB[3]、関西学院理
工[4]）

3.

Theoretical study on the fluorescence of azaperylenes derivatives.
Akitsu Hirono[1], Hayato Sakai[1], 〇Shuntaro Kochi[2,3], Tomo Sakanoue[5], Taishi Takenobu[5], Tohru
Sato[2,3,4] and Taku Hasobe[1] (Faculty of Science and Technology, Keio University[1], FIFC[2], Grad.
School. of Eng. Kyoto Univ.[3], ESICB, Kyoto Univ.[4], Department of Chemistry, Department of Applied
Physics, Nagoya University[5])4.

Growth Mechanism of (6,5) Carbon Nanotube: Edge Structures and their Regioselectivities〇Tomohiro Nishikawa[1,2], Tohru Sato[1,2,3], Naoki Haruta[2], Takeshi Kodama[4] and Yohji Achiba[4](FIFC[1], Grad. School. of Eng. Kyoto Univ.[2], ESICB[3], Grad. School. of Sci. Tokyo Metropolitan
Univ.[4])5.

Vibronic Coupling Density and Fragment Analyses of NO on Cu/γ-alumina Using Hydrogen
Terminated Models◯Wataru Ota[1,2], Yasuro Kojima[2], Saburo Hosokawa[2,3], Kentaro Teramura[2,3], Tsunehiro Tanaka[2,3],
and Tohru Sato[1,2,3] (FIFC [1], Grad. School. of Eng. Kyoto Univ. [2], ESICB [3])6.

自己無撞着点電荷 QM/MM 法に基づく分子結晶構造の最適化〇青野 信治、榊 茂好（京大福井セ）

7.

相対論的な電子動力学理論の定式化〇花崎 浩太、高塚 和夫（京大福井セ）― 170 ―

Ⅴ8.

資料（2018）

Singular behaviour of time-averaged stress fluctuations on surfaces○Masato Itami[1] and Shin-ichi Sasa[2] (FIFC[1], Dept. of Phys. Kyoto Univ.[2])9.

Theoretical Study on C‒X σ-Bond Activation by Rh(PAlP) Complexes○Qiao-Zhi Li[1], Yoshiaki Nakao[2] and Shigeyoshi Sakaki[1] (FIFC[1], iCeMS, Kyoto Univ.[2])10. ニッケル(II)-キノノイド錯体のスピン転移を伴うベイポクロミズムの理論研究:結晶中の分子選択性◯中垣 雅之[1]、青野 信治[1]、吉田 将己[2]、小林 厚志[2]、加藤 昌子[2]、榊 茂好[1]（京大福井
セ[1]、北大院理[2]）11. 時 間 依 存 長 距 離 補 正 密 度 汎 関 数 強 束 縛 法 と 分 極 誘 電 体 モ デ ル を 用 い た 理 論 開 発 （ TD-LCDFTB/PCM）◯西本 佳央（京大福井セ）
12. Collective motion of cells on a substrate○Simon K. Schnyder, John J. Molina, Ryoichi Yamamoto
13. Theoretical understanding and rational design of aggregation induced emission molecule○Satoshi Suzuki (FIFC)
14. Modelling crawling cells: From simple mechanical model to mechano-chemical model○M Tarama, K Mori, and R Yamamoto
15. 一方向的なプロトン移動の化学的な機構について: 非断熱電子動力学による研究○山本 憲太郎、高塚 和夫（京大福井セ）
16. Theoretical Study on Diffusion-Regulated Gas Adsorption into Porous Coordination Polymer○Jia-Jia Zheng[1,2], Susumu Kitagawa[2] and Shigeyoshi Sakaki[1] (FIFC[1], iCeMS, Kyoto Univ.[2])17. Borylation of sp3 C‒H Bond Catalyzed by Ir(III) Complex: Theoretical Study ofRegioselectivity〇Rong-Lin Zhong, Shigeyoshi Sakaki (FIFC)
18. Mechanistic Study of Hydrocarbon Oxidation on M55 Cluster (M = Pt, Pd, Rh)〇Bo Zhu, Shigeyoshi Sakaki (FIFC)― 171 ―

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資料（2018）

19. ナノシリンダーアレイにおける紫外領域での協同プラズモニックモード励起と希土類錯体の発光増強〇河内谷 佑季[1]、村井 俊介[1,2]、田中 勝久[1]（京大院工[1]、JST さきがけ[2]）20. Coarse-grained model of nanocube based on the analysis of all atom molecular dynamics
simulation〇Kosuke Imamura[1] and Hirofumi Sato[2,3] (Fac. of Eng. Kyoto Univ.[1], Grad. School. of Eng. Kyoto
Univ.[2], ESICB, Kyoto Univ.[3])21. Free energy calculation of a proton transfer reaction in condensed phase including nuclear
quantum effects◯Kento KOSUGI[1], Hiroshi NAKANO[1,2], Hirofumi SATO[1,2] (Department of Molecular Engineering,
Kyoto University[1], ESICB, Kyoto University[2])22. DFTB3 parametrization for Pt(II) complexes○Jun OSHIKI[1], Kento KOSUGI[2], Hiroshi NAKANO[2,3] and Hirofumi SATO [2,3] (Kyoto Univ.[1],Grad. School. of Eng. Kyoto Univ.[2], ESICB. Kyoto Univ. [3])23. 広域的構造探索法を用いた含炭素アルミニウムアニオンクラスターの理論的研究◯勅使河原 翔[1]、吉田 悠一郎[1]、佐藤 啓文[1,2] (京大院工[1]、京大 ESICB[2])24. ハロロドプシン Cl-イオンポンプの光活性化の分子機構に関する理論的研究〇小山 糧、長谷川 太佑、林 重彦（京大院理）25. 分子シミュレーションによる AsLOV2 光受容タンパク質の光活性化中間状態〇田口 真彦、成 鋮、東村 智佳、内田 芳裕、林 重彦（京大理）26. 液体ピレンの MD シミュレーションと理論的解析〇山本 裕生[1]、中西 尚志[2]、林 重彦[3]（京大院理[1]、物質・材料研究機構[2]）27. ヨウ素結合、水素結合を利用した電荷移動錯体における分子間相互作用と物性〇石田 耕大[1]、髙橋 佑輔[1]、中野 義明[1,2]、石川 学[2]、大塚 晃弘[1,2]、矢持 秀起[1,2]、賣市
幹大[3]、春木 理恵[4]、熊井 玲児[4]、足立 伸一[4]（京大院理[1]、京大環安保[2]、分子研[3]、高エネ研[4]）― 172 ―

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資料（2018）

28. Dissociative Adsorption or Dimerization? A Theoretical Study for Reaction of NO on Mn
Cluster (M = Ru, Rh, Pd, Ag; n = 13, 55)◯Nozomi TAKAGI[1], Ryoichi FUKUDA[1], Masahiro EHARA[1,2], Shigeyoshi SAKAKI[1,3] (ESICB,
Kyoto Univ. [1], IMS [2], FIFC Kyoto Univ.[3])29. [2Fe‒2S] Ferredoxin における活性中心周囲の水素結合とタンパク場がイオン化ポテンシャルに及ぼす影響◯江良 伊織[1]、多田 隼人[1]、藤井 琢也[1]、池永 和輝[1]、北河 康隆[1]、中野 雅由[1,2]（阪大院基礎工[1]、分子研[2]）30. ピラゾール架橋二核金属錯体における金属イオン間の磁気的相互作用の理論研究○藤井 琢也[1]、江良 伊織[1]、多田 隼人[1]、池永 和輝[1]、北河 康隆[1]、中野 雅由[1,2]（阪大院基礎工[1]、分子研[2]）31. 2 層積層型イットリウム(III)－フタロシアン錯体の磁気的な分子間相互作用に関する理論研究〇池永 和輝[1]、北河 康隆[1]、加藤 恵一[2]、山下 正廣[2]、中野 雅由[1,3]（阪大院基礎工[1]、東北大院理[2]、分子研[3]）32. 配位子で保護された 25 核金クラスターの電子状態についての理論研究◯川尻 真広[1]、藤井 琢也[1]、北河 康隆[1]、中野 雅由[1,2]（阪大基礎工[1]、分子研[2]）33. 開殻分子からなる一次元周期系の電子構造と非線形光学特性についての理論研究◯岸 亮平[1]、鎌田 賢司[2]、久保 孝史[3]、中野 雅由[1,4]（阪大院基礎工[1]、産総研[2]、阪大院
理[3]、分子研[4]）34. 五員環および六員環からなるカーボンナノベルトの開殻性、芳香族性、第二超分極率のリングサ
イズ依存性の理論研究
山根 正暉[1]、◯岸 亮平[1]、當波 孝凱[1]、岡田 健治[1]、永海 貴識[1]、中野 雅由[1,2]（阪大院
基礎工[1]、分子研[2]）35. 一次元３核ならびに５核ニッケル錯体の分子構造・電子状態と電気伝導性の相関に関する理論研
究〇北河 康隆[1]、多田 隼人[1]、江良 伊織[1]、藤井 琢也[1]、池永 和輝[1]、中野 雅由[1,2]（阪大院基礎工[1]、分子研[2]）― 173 ―

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資料（2018）

36. 対称および非対称ビアントロン誘導体の開殻性、電荷の非対称性、非線形光学特性の立体構造依存性についての理論研究◯北野 奨実[1]、岸 亮平[1]、平尾 泰一[2]、久保 孝史[2]、中野 雅由[1,3]（阪大院基礎工[1]、阪大院理[2]、分子研[3]）37. テリレン二量体のシングレットフィッションにおける振電相互作用の理論的研究◯永海 貴識[1]、當波 孝凱[1]、岡田 健治[1]、伊藤 聡一[2]、中野 雅由[1,2]（阪大院基礎工[1]、分子研[2]）
38. 摂動論的アプローチと量子マスター方程式アプローチによるペンタセン二量体モデルのシングレ
ットフィッション速度配置依存性の比較◯岡田 健治[1]、當波 孝凱[1]、永海 貴識[1]、中野 雅由[1,2]（阪大院基礎工[1]、分子研[2]）39. 反芳香族環状縮環共役分子テトラシクロペンタテトラフェニレンの中性および二電子酸化還元状
態における芳香族性、開殻性、非線形光学特性の理論研究◯杉浦 亮介[1]、岸 亮平[1]、戸部 義人[2,3]、中野 雅由[1,4]（阪大院基礎工[1]、阪大産研[2]、台湾国立交通大[3]、分子研[4]）40. 多変量解析に基づいたビピリジン配位子のフロンティア軌道エネルギー設計指針の構築とルテニ
ウム(II)錯体への適用○冨永 萌[1]、寺本 玲奈[1]、青木 笙悟[1]、北河 康隆[1]、中野 雅由[1,2]（阪大基礎工[1]、分子研[2]）41. 超重元素 Rf の化学研究に向けた Zr, Th を含む錯体の量子化学計算○渡邉 瑛介[1]、北河 康隆[2]、中野 雅由[2,3]、笠松 良崇[1]、篠原 厚[1]（阪大院理[1]、阪大院基礎工[2]、分子研[3]）― 174 ―

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９．福井センターセミナー

ポスター・プログラム― 175 ―

資料（2018）京都大学福井謙一記念研究センター

年報

2018

2020年２月発行
発行人

佐

藤

啓

文

編

佐

藤

啓

文

者

発行所

京都大学福井謙一記念研究センター（京都市左京区高野西開町34-4）

印刷所

株式会社 エヌジーピー（京都市右京区太秦森ヶ東町21-10）（無断転載を禁ず）