前期集中 その他 連講. 単位数/Credit(s): 1. 担当教員/Instructor : 理学部非常勤講師. 学期/Semester: 前期集中. 開講年度/Year: 2024. 科目ナンバリング/Course code/number: SCH-PCH582B. 使用言語/Language Used in Course: ２カ国語以上.
北海道大学理学研究院 教授 （理論化学研究室）
量子化学計算に基づくポテンシャルエネルギー曲面の解析
Quantum chemical analysis of potential energy surfaces
量子化学計算に基づくポテンシャルエネルギー曲面の解析は、分子の安定構造、分子の熱力学的および速度論的な安定性、化学反応の遷移状態における分子構造とその安定性、反応途中における分子構造の変化の様子など、様々な知見を与える。近年では、これらの解析を組み合わせて、未知の化学反応を予測することも可能である。本講義では、これらの解析を実施する際に用いられる理論および計算法について学習する。具体的には、ポテンシャルエネルギー曲面の計算に関するレビューから始めて、関数極小化の数値アルゴリズム、ポテンシャルエネルギー曲面のテーラー展開と2次までの微係数の取り扱い、安定構造と遷移状態構造の最適化アルゴリズム、固有反応座標（いわゆる反応経路）とその計算アルゴリズム、安定構造と遷移状態構造の自由エネルギー変化に基づく速度論解析、反応経路の自動探索アルゴリズムと化学反応予測、異なる電子状態間の無輻射失活経路の計算法、複数の電子励起状態が関与する反応機構の解析法、原子核の運動量効果とその反応機構への影響について、それぞれ学習する。これらの学習を通して、量子化学計算に基づく反応機構解析と反応予測について、最先端アルゴリズムまで含めて全容を把握する。
The analysis of potential energy surfaces based on quantum chemical calculations provides various insights into the stable structure of molecules, the thermodynamic and kinetic stability of molecules, the molecular structure and its stability in the transition state of a chemical reaction, and how the molecular structure changes during a reaction. In recent years, these analyses can be combined to predict unknown chemical reactions. In this lecture, students will learn the theory and computational methods used to perform these analyses. Specifically, we will begin with a review of the calculation of potential energy surfaces, followed by explanations of a numerical algorithm for function minimization, Taylor expansion of potential energy surfaces and treatment of differential coefficients up to second order, optimization algorithms for stable and transition state structures, intrinsic reaction coordinates (so-called reaction pathways) and their calculation algorithm, kinetic analysis based on free energy changes of stable and transition state structures, automated reaction pathway search algorithms and chemical reaction prediction, calculation methods for non-radiative deactivation pathways between different electronic states, analysis methods for reaction mechanisms involving multiple electronic states, and nuclear momentum effects and their impact on reaction mechanisms. Through these studies, students will gain a comprehensive understanding of reaction mechanism analysis and reaction prediction based on quantum chemical calculations, including state-of-the-art algorithms.
・ポテンシャルエネルギー曲面の計算について把握する。
・安定構造と遷移状態の構造最適化を理解する。
・固有反応座標（いわゆる反応経路）の定義と計算アルゴリズムを理解する。
・安定構造、遷移状態、および、反応経路に基づく速度論解析を理解する。
・反応経路の自動的な網羅探索による反応機構の解明と未知反応の予測について理解する。
・複数の電子状態が関与する反応機構の解析について理解する。
・原子核の運動量効果とその反応機構への影響について理解する。
1. Understand how to calculate potential energy surfaces.
2. Understand structural optimization of stable structures and transition states.
3. Understand the definition of intrinsic reaction coordinates (reaction pathways) and calculation algorithms.
4. Understand kinetic analysis based on stable structures, transition states, and reaction pathways.
5. Understand reaction mechanism and prediction of unknown reactions through automated exhaustive search of reaction pathways.
6. Understand reaction mechanisms involving multiple electronic states.
7. Understand nuclear momentum effects and their influence on reaction mechanisms.
本講義では、担当者が執筆した講義資料を用いて行う。
資料は授業までに改訂される可能性があるが、現バージョンのページ数は以下の通りである。
・ポテンシャルエネルギー曲面の計算に関するレビュー（14ページ）
・安定構造と遷移状態の構造最適化（22ページ）
・固有反応座標（いわゆる反応経路）の定義と計算アルゴリズム（7ページ）
・安定構造、遷移状態、および、反応経路に基づく速度論解析（8ページ）
・反応経路の自動的な網羅探索による反応機構の解明と未知反応の予測（11ページ）
・複数の電子状態が関与する反応機構の解析（8ページ）
・原子核の運動量効果とその反応機構への影響（6ページ）
This course is taught from materials written by the instructor.
The materials may be revised prior to class, but the numbers of pages in the current version are as follows:
1. How to calculate potential energy surfaces (14 pages)
2. Structural optimization of stable structures and transition states (22 pages)
3. The definition of intrinsic reaction coordinates (reaction pathways) and calculation algorithms (7 pages)
4. Kinetic analysis based on stable structures, transition states, and reaction pathways (8 pages)
5. Reaction mechanism and prediction of unknown reactions through automated exhaustive search of reaction pathways (11 pages)
6. Reaction mechanisms involving multiple electronic states (8 pages)
7. Nuclear momentum effects and their influence on reaction mechanisms (6 pages)
授業中に実施する、上記7項目に関する理解度チェック（7回の小テスト）の結果（100%）
Results of seven in-class comprehension checks (seven quizzes) on the above seven items (100%)
当日配布する講義資料を用いる。
（講義資料の内容の多くは、Frank Jensen著"Introduction to Computational Chemistry"に基づく。）
Lecture materials will be distributed on the day of the lecture.
(Much of the lecture material is based on "Introduction to Computational Chemistry" by Frank Jensen).
復習：講義資料を参照して理解する。
更なる学習：授業で提示するモデルポテンシャルを用いて、学習した構造最適化や反応経路計算のプログラムを実際に組んでみると理解が深まります。
Review: Review the lecture material for comprehension.
Further Study: You can deepen your understanding by actually writing the structural optimization and reaction pathway calculation programs you learned using the model potentials presented in class.
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