Generalized approximate spin projection calculations of effective exchange integrals of the CaMn4O5 cluster in the S1 and S3 states of the oxygen evolving complex of photosystem II

文献情報

出版日 2014-02-21
DOI 10.1039/C4CP00282B
インパクトファクター 3.676
著者

H. Isobe, M. Shoji, S. Yamanaka, H. Mino, Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J.-R. Shen


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要旨

Full geometry optimizations followed by the vibrational analysis were performed for eight spin configurations of the CaMn4O4X(H2O)3Y (X = O, OH; Y = H2O, OH) cluster in the S1 and S3 states of the oxygen evolution complex (OEC) of photosystem II (PSII). The energy gaps among these configurations obtained by vertical, adiabatic and adiabatic plus zero-point-energy (ZPE) correction procedures have been used for computation of the effective exchange integrals (J) in the spin Hamiltonian model. The J values are calculated by the (1) analytical method and the (2) generalized approximate spin projection (AP) method that eliminates the spin contamination errors of UB3LYP solutions. Using J values derived from these methods, exact diagonalization of the spin Hamiltonian matrix was carried out, yielding excitation energies and spin densities of the ground and lower-excited states of the cluster. The obtained results for the right (R)- and left (L)-opened structures in the S1 and S3 states are found to be consistent with available optical and magnetic experimental results. Implications of the computational results are discussed in relation to (a) the necessity of the exact diagonalization for computations of reliable energy levels, (b) magneto-structural correlations in the CaMn4O5 cluster of the OEC of PSII, (c) structural symmetry breaking in the S1 and S3 states, and (d) the right- and left-handed scenarios for the O–O bond formation for water oxidation.

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Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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