By making use of an ab initio fragment-based electronic structure method, fragment molecular orbital–linear combination of MOs of the fragments (FMO–LCMO), developed by Tsuneyuki et al. [Chem. Phys. Lett.476, 104 (2009)] https://doi.org/10.1016/j.cplett.2009.05.069, we propose a novel approach to describe long-distance electron transfer (ET) in large system. The FMO–LCMO method produces one-electron Hamiltonian of whole system using the output of the FMO calculation with computational cost much lower than conventional all-electron calculations. Diagonalizing the FMO–LCMO Hamiltonian matrix, the molecular orbitals (MOs) of the whole system can be described by the LCMOs. In our approach, electronic coupling TDA of ET is calculated from the energy splitting of the frontier MOs of whole system or perturbation method in terms of the FMO–LCMO Hamiltonian matrix. Moreover, taking into account only the valence MOs of the fragments, we can considerably reduce computational cost to evaluate TDA. Our approach was tested on four different kinds of model ET systems with non-covalent stacks of methane, non-covalent stacks of benzene, trans-alkanes, and alanine polypeptides as their bridge molecules, respectively. As a result, it reproduced reasonable TDA for all cases compared to the reference all-electron calculations. Furthermore, the tunneling pathway at fragment-based resolution was obtained from the tunneling current method with the FMO–LCMO Hamiltonian matrix.

1.
H. M.
McConnel
,
J. Chem. Phys.
35
,
508
(
1961
).
2.
C. C.
Moser
,
J. M.
Keske
,
K.
Warncke
,
R. S.
Farid
, and
P. L.
Dutton
,
Nature
355
,
796
(
1992
).
3.
R. A.
Marcus
and
N.
Sutin
,
Biochim. Biophys. Acta
811
,
265
(
1985
).
4.
M.
Bixon
and
J.
Jortner
,
Adv. Chem. Phys.
106
,
35
(
1999
).
5.
H. B.
Gray
and
J. R.
Winkler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
102
,
3534
(
2005
).
6.
M. D.
Newton
,
Chem. Rev.
91
,
767
(
1991
).
7.
S. S.
Skourtis
and
D. N.
Beratan
,
Adv. Chem. Phys.
106
,
377
(
1999
).
8.
J. J.
Regan
and
J. N.
Onuchic
,
Adv. Chem. Phys.
107
,
497
(
1999
).
9.
A. A.
Stuchebrukhov
,
Theor. Chem. Acc.
110
,
291
(
2003
).
10.
D. N.
Beratan
,
J. N.
Betts
, and
J. N.
Onuchic
,
Science
252
,
1285
(
1991
).
11.
D. N.
Beratan
,
J. N.
Betts
, and
J. N.
Onuchic
,
J. Phys. Chem.
96
,
2852
(
1992
).
12.
J. J.
Regan
,
S. M.
Risser
,
D. N.
Beratan
, and
J. N.
Onuchic
,
J. Phys. Chem.
97
,
13083
(
1993
).
13.
C. C.
Page
,
C. C.
Moser
,
X.
Chen
, and
P. L.
Dutton
,
Nature
402
,
47
(
1999
).
14.
M. L.
Jones
,
I. V.
Kurnikov
, and
D. N.
Beratan
,
J. Phys. Chem. A
106
,
2002
(
2002
).
15.
J. M.
Gruschus
and
A.
Kuki
,
J. Phys. Chem.
97
,
5581
(
1993
).
16.
P.
Siddarth
and
R. A.
Marcus
,
J. Phys. Chem.
97
,
2400
(
1993
).
17.
A. A.
Stuchebrukhov
and
R. A.
Marcus
,
J. Phys. Chem.
99
,
7581
(
1995
).
18.
A. A.
Stuchebrukhov
,
J. Chem. Phys.
105
,
10819
(
1996
).
19.
I.
Daizadeh
,
J. N.
Gehlen
, and
A. A.
Stuchebrukhov
,
J. Chem. Phys.
106
,
5658
(
1997
).
20.
A.
Okada
,
T.
Kakitani
, and
J.
Inoue
,
J. Phys. Chem.
99
,
2946
(
1995
).
21.
T.
Kawatsu
,
T.
Kakitani
, and
T.
Yamato
,
Inorg. Chim. Acta.
300–302
,
862
(
2000
).
22.
T.
Kawatsu
,
T.
Kakitani
, and
T.
Yamato
,
J. Phys. Chem. B
105
,
4424
(
2001
).
23.
M.
Plato
,
M. E.
Michel-Beyerle
,
M.
Bixon
, and
J.
Jortner
,
FEBS Lett.
249
,
70
(
1989
).
24.
S.
Priyadarshy
,
S. M.
Risser
, and
D. N.
Beratan
,
J. Phys. Chem.
100
,
17678
(
1996
).
25.
S. S.
Skourtis
and
D. N.
Beratan
,
J. Phys. Chem. B
101
,
1215
(
1997
).
26.
N.
Ivashin
,
B.
Källebring
,
S.
Larsson
, and
O.
Hansson
,
J. Phys. Chem. B
102
,
5017
(
1998
).
27.
S.
Larsson
and
N. V.
Ivashin
,
J. Appl. Spectrosc.
66
,
539
(
1999
).
28.
X. H.
Zheng
and
A. A.
Stuchebrukhov
,
J. Phys. Chem. B
107
,
6621
(
2003
).
29.
T.
Hayashi
and
A. A.
Stuchebrukhov
,
Proc. Natl. Acad. Soc. U.S.A.
107
,
19157
(
2010
).
30.
C.
Liang
and
M. D.
Newton
,
J. Phys. Chem.
97
,
3199
(
1993
).
31.
L. A.
Curtiss
,
C. A.
Naleway
, and
J. R.
Miller
,
J. Phys. Chem.
97
,
4050
(
1993
).
32.
K. D.
Jordan
and
M. N.
Paddon-Row
,
Chem. Rev.
97
,
395
(
1992
).
33.
S.
Hayashi
and
S.
Kato
,
J. Phys. Chem. A
102
,
2878
(
1998
).
34.
M.
Lee
,
M. J.
Shephard
,
S. M.
Risser
,
S.
Priyadarshy
,
M. N.
Paddon-Row
, and
D. N.
Beratan
,
J. Phys. Chem. A
104
,
7593
(
2000
).
35.
A.
Teklos
and
S. S.
Skourtis
,
J. Chem. Phys.
125
,
244103
(
2006
).
36.
C.-P.
Hsu
,
Acc. Chem. Res.
42
,
509
(
2009
).
37.
H.
Nishioka
and
K.
Ando
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
7043
(
2011
).
38.
J.
Wolfgang
,
S. M.
Risser
,
S.
Priyadarshy
, and
D. N.
Beratan
,
J. Phys. Chem. B
101
,
2986
(
1997
).
39.
I.
Daizadeh
,
E. S.
Medvedev
, and
A. A.
Stuchebrukhov
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
94
,
3703
(
1997
).
40.
Q.
Xie
,
G.
Archontis
, and
S. S.
Skourtis
,
Chem. Phys. Lett.
312
,
237
(
1999
).
41.
I. A.
Balabin
and
J. N.
Onuchic
,
Science
290
,
114
(
2000
).
42.
T.
Kawatsu
,
T.
Kakitani
, and
T.
Yamato
,
J. Phys. Chem. B
106
,
11356
(
2002
).
43.
H.
Nishioka
,
A.
Kimura
,
T.
Yamato
,
T.
Kawatsu
, and
T.
Kakitani
,
J. Phys. Chem. B
109
,
1978
(
2005
).
44.
Y.
Miyazawa
,
H.
Nishioka
,
K.
Yura
, and
T.
Yamato
,
Biophys. J.
94
,
2194
(
2008
).
45.
H.
Nishioka
,
N.
Ueda
, and
T.
Kakitani
,
Biophysics
4
,
19
(
2008
).
46.
I. A.
Balabin
,
D. N.
Beratan
, and
S. S.
Skourtis
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
158102
(
2008
).
47.
M.
Bixon
and
J.
Jortner
,
Russ. J. Electronchem.
39
,
3
(
2003
).
48.
A.
Troisi
,
A.
Nitzan
, and
M. A.
Ratner
,
J. Chem. Phys.
119
,
5782
(
2003
).
49.
S. S.
Skourtis
,
I. A.
Balabin
,
T.
Kawatsu
, and
D. N.
Beratan
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
102
,
3552
(
2005
).
50.
H.
Nishioka
,
A.
Kimura
,
T.
Yamato
,
T.
Kawatsu
, and
T.
Kakitani
,
J. Phys. Chem. B
109
,
15621
(
2005
).
51.
S.
Tanaka
and
E. B.
Starikov
,
Phys. Rev. E
81
,
027101
(
2010
).
52.
D. N.
Beratan
,
S. S.
Skourtis
,
I. A.
Balabin
,
A.
Balaeff
,
S.
Keinan
,
R.
Venkatramani
, and
D.
Xiao
,
Acc. Chem. Res.
42
,
1669
(
2009
).
53.
S. S.
Skourtis
,
D. H.
Waldeck
, and
D. N.
Beratan
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
61
,
461
(
2010
).
54.
C.
Kobayashi
,
K.
Baldridge
, and
J. N.
Onuchic
,
J. Chem. Phys.
119
,
3550
(
2003
).
55.
T. R.
Prytkova
,
I. V.
Kurnikov
, and
D. N.
Beratan
,
J. Phys. Chem. B
109
,
1618
(
2005
).
56.
T. R.
Prytkova
,
I. V.
Kurnikov
, and
D. N.
Beratan
,
Science
315
,
622
(
2007
).
57.
A.
Migliore
,
S.
Corni
,
R. D.
Felice
, and
E.
Molinari
,
J. Phys. Chem. B
111
,
3774
(
2007
).
58.
M. R.
Hartings
,
I. V.
Kurnikov
,
A. R.
Dunn
,
J. R.
Winkler
,
H. B.
Gray
, and
M. A.
Ratner
,
Coord. Chem. Rev.
254
,
248
(
2010
).
59.
L. Y.
Zhang
and
R. A.
Friesner
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
95
,
13603
(
1998
).
60.
J.
Kim
and
A. A.
Stuchebrukhov
,
J. Phys. Chem. B
104
,
8606
(
2000
).
62.
I. V.
Kurnikov
and
D. N.
Beratan
,
J. Chem. Phys.
105
,
9561
(
1996
).
63.
E.
Babini
,
I.
Bertini
,
M.
Borsari
,
F.
Capozzi
,
C.
Luchinat
,
X.
Zhang
,
G. L.C.
Moura
,
I. V.
Kurnikov
,
D. N.
Beratan
,
A.
Ponce
,
A. J. D.
Bilio
,
J. R.
Winkler
, and
H. B.
Gray
,
J. Am. Chem. Soc.
122
,
4532
(
2000
).
64.
S.
Goedecker
,
Rev. Mod. Phys.
71
,
1085
(
1999
).
65.
S. Y.
Wu
and
C. S.
Jayanthi
,
Phys. Rep.
358
,
1
(
2002
).
66.
D. G.
Fedorov
and
K.
Kitaura
,
J. Phys. Chem. A
111
,
6904
(
2007
).
67.
A.
Imamura
,
Y.
Aoki
, and
K.
Maekawa
,
J. Chem. Phys.
95
,
5419
(
1991
).
69.
K.
Kitaura
,
E.
Ikeo
,
T.
Asada
,
T.
Nakano
, and
M.
Uebayasi
,
Chem. Phys. Lett.
313
,
701
(
1999
).
70.
T.
Nakano
,
T.
Kaminuma
,
T.
Sato
,
Y.
Akiyama
,
M.
Uebayasi
, and
K.
Kitaura
,
Chem. Phys. Lett.
318
,
614
(
2000
).
71.
D. G.
Fedorov
and
K.
Kitaura
,
J. Chem. Phys.
120
,
6832
(
2004
).
72.
H.
Kashiwagi
,
H.
Iwai
,
K.
Tokieda
,
M.
Era
,
T.
Sumita
,
T.
Yoshihiro
, and
F.
Sato
,
Mol. Phys.
101
,
81
(
2003
).
73.
D. W.
Zhang
and
J. Z.H.
Zhang
,
J. Chem. Phys.
119
,
3599
(
2003
).
74.
G. P.
Das
,
A. T.
Yeates
, and
D. S.
Dudis
,
Int. J. Quantum Chem.
92
,
22
(
2003
).
76.
W.
Yang
and
T.-S.
Lee
,
J. Chem. Phys.
103
,
5674
(
1995
).
77.
T.
Akama
,
M.
Kobayashi
, and
H.
Nakai
,
J. Comput. Chem.
28
,
2003
(
2007
).
78.
T.
Akama
,
A.
Fujii
,
M.
Kobayashi
, and
H.
Nakai
,
Mol. Phys.
105
,
2799
(
2007
).
79.
T.
Akama
,
M.
Kobayashi
, and
H.
Nakai
,
Int. J. Quantum Chem.
109
,
2706
(
2009
).
80.
P. O.
Lowdin
,
J. Mol. Spectrosc.
10
,
12
(
1963
).
81.
P. O.
Lowdin
,
J. Math. Phys.
6
,
1341
(
1965
).
82.
R.
Zwanzig
,
Lectures in Theoretical Physics
(
Interscience
,
New York
,
1961
), Vol.
3
.
83.
I. V.
Kurnikov
,
L. D.
Zusman
,
M. G.
Kurnikova
,
R. S.
Farid
, and
D. N.
Beratan
,
J. Am. Chem. Soc.
119
,
5690
(
1997
).
84.
K.
Kumar
,
I. V.
Kurnikov
,
D. N.
Beratan
,
D. H.
Waldeck
, and
M. B.
Zimmt
,
J. Phys. Chem. A
102
,
5529
(
1998
).
85.
S.
Tsuneyuki
,
T.
Kobori
,
K.
Akagi
,
K.
Sodeyama
,
K.
Terakura
, and
H.
Fukuyama
,
Chem. Phys. Lett.
476
,
104
(
2009
).
86.
A. A.
Stuchebrukhov
,
Chem. Phys. Lett.
265
,
643
(
1997
).
87.
The coordinates of both the ala10's were taken from the Jena Library of Biological Macromolecules (JenaLib); see http://www.fli-leibniz.de/IMAGE.html.
88.
M. W.
Schmidt
,
K. K.
Baldridge
,
J. A.
Boatz
,
S. T.
Elbert
,
M. S.
Gordon
,
J. H.
Jensen
,
S.
Koseki
,
N.
Nasunaga
,
K. A.
Nguyen
,
S. J.
Su
,
T. L.
Windus
,
M.
Dupuis
, and
J. A.
Montgomery
,
J. Comput. Chem.
14
,
1347
(
1993
).
89.
J. S.
Binkley
and
J. A.
Pople
,
J. Am. Chem. Soc.
102
,
939
(
1980
).
90.
W. J.
Hehre
,
R.
Ditchfield
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
56
,
2257
(
1972
).
91.
R.
Krishnan
,
J. S.
Binkley
,
R.
Seeger
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
72
,
650
(
1980
).
92.
T. H.
Dunning
,
J. Chem. Phys.
90
,
1007
(
1989
).
93.
M. J.
Frich
,
J. A.
Pople
, and
J. S.
Binkley
,
J. Chem. Phys.
80
,
3265
(
1984
).
94.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.3594100 for the canonical MO energy spectra obtained with the cc-pVDZ basis set in the TCNE-(C6H6)6-TCNE system, dependence of TDA on n in the TCNE-(C6H6)n-TCNE systems calculated with the 3-21G basis set, and the Green function matrix elements obtained in both the ala10 systems with Etun = −1.0 eV and Etun = −5.0 eV.
95.
H.
Tatewaki
and
S.
Huzinaga
,
J. Comput. Chem.
1
,
205
(
1980
).
96.
M. A.
Ratner
,
J. Phys. Chem.
94
,
4877
(
1990
).
97.
H.
Umeda
,
Y.
Inadomi
,
T.
Watanabe
,
T.
Yagi
,
T.
Ishimoto
,
T.
Ikegami
,
H.
Tadano
,
T.
Sakurai
, and
U.
Nagashima
,
J. Comput. Chem.
31
,
2381
(
2010
).
98.
H.
Nishioka
and
T.
Kakitani
,
J. Phys. Chem. B
112
,
9948
(
2008
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.