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01-Jan-2019

MOOC | YMBとYSB(VSMR)の使い方

講義資料 非常勤講師:山本博志 2014.7.14

YMB14f(Chromeなどのブラウザー上で分子をお絵かきし、様々な物性を瞬間で計算するソフトウエアー)

これをIE11で動かす時の注意:

ウインドウの右上の設定アイコンから互換表示設定を選択する。

ここで、スタンドアローン版のYMB、YSBを動かす場合にはイントラネットサイトを互換表示で表示するというチェックを外す。(さもないと古いHTML5をサポートしていないIEになってしまう)

Web版を使う場合には、追加するWebサイトにwww.pirika.comが入っていない事を確認する。

 

YMBで分子の絵を描くと、
MW:分子量、BP(K):沸点、MP(K) :融点
AntA AntB AntC:アントワン蒸気圧定数
Tc(K) Pc(Bar) Vc(cm^3):臨界定数 
logKow:オクタノール/水分配係数、logS:水への溶解度、logBCF:生物濃縮性、
SoilPar:土との分配係数、log(HenryC):ヘンリー定数
Mol Volume:分子体積、Mol Surface:分子表面積、Ovality:卵形度
Density:密度、Hv(@BP)  :沸点に於ける蒸発潜熱
Hansen totHSP、dD、dP、dH、dHdo、dHac:ハンセン溶解度パラメータ
MCI:分子結合指数、Symmetry Index:対称性指数  
Heat Capacity(Liq.):熱容量、 log Viscosity(Liq.);粘度 
Thermal Conductivity(Liq.):熱伝導度、Surface Tension(Liq.):表面張力
Refractive Index:屈折率、Heat of Formation:生成熱
Max plus Charge atom:最大+電荷、 Min minus Charge atom:最小ー電荷 、pKa, Formula:分子式
などの指標が得られる。

分子の例題としては講義資料のLiB用溶媒の引火点のモデル式がいいだろう。(001.xlsをダウンロードして開いておく。) YMB12E(図は古いバージョンなのでGUIが少し異なる)を使って分子を描き、(分子の描き方に関してはこちらの資料を参照するように)Propertiesボタンを押す。

YMBは各原子の電荷と物性値を計算する。画面上に2分子あったりした場合には物性値は計算されない。重ね打ちしたりしている場合には見なおそう。計算結果が現れたら、原子団が正しく認識されているか確認しよう。水素は内部で自動的に認識されるのでつけなくても良い。(水素の電荷を知りたい時には付加する。)

最初の一つ目の分子はタイトルのMWから最後の分子式まで選択し、コピーし、表計算ソフトに貼り付ける。

2つ目の分子からは計算結果だけをコピーし表計算ソフトに貼り付ける。(分子式の後ろにはリターンキーが入っている。それをコピーすると複数行ペーストされ前のものが消去されてしまうので気を付けよう。)予測用のデータも含めテーブルを埋めよう。テーブルは1行目はタイトル、1列目は名称など。2列目がモデルを作りたい物性値のカラムになる。3列目以降がYMBが吐き出した説明変数や温度などをマニュアルで入れる。こうしたテーブルが分子のお絵かきだけから得られる。

引火点とこれらYMBの吐き出す物性がどのような関係にあるかは、例えばグラフを一つ一つ眺めればいい。引火点がどんな物性値と相関があるのかを知ることができる。

沸点や蒸気圧、臨界定数や様々な溶解指標、熱容量、粘度、熱伝導度などの1次情報だけでも化学工学には役に立つ。しかし、この1次情報を組み合わせることによってさらに複雑な現象を定量的に理解できるようになる。2011年講義で、活性炭への吸着、HPLCの保持時間、ポリマーの固有粘度などなど、様々なケースを紹介した。このように多くの変数があり、それらと目的変数との関係を求める場合には、主成分分析やPLSという方法を取るのが一般的だろう。しかし、目的の物性と、YMBが吐き出す物性の関連を学生自身が考える事が重要であるという私の方針で、あえて主成分分析の方法は使わない。

古いバージョンと大きく変わったのがGUIの部分だ。1行目のアイコンは原子を表す。Fの隣はポリマーの繰り返し末端になる。Xを指定する際には先にテキストフィールドに原子記号(例えばBr)を入れておく。2行目は動作を指定する。一番左は描画モード。2重結合は原子の上でマウスボタンを押して、押したまま次の原子まで持って行きマウスを放す。その際に原子が認識されると水紋が現れる。次は消去モード。原子の上でマウスを押して放すと消去される。 結合の真ん中で(水紋が二つ現れる)押すと結合が消去される。次が移動モード。マウスを原子の上で押し続け、マウスを動かし、放すと原子が移動される。何も無い所で押して動かすと分子全体が移動される。次のボタンはまだ動かない。次のボタンはやり直しボタンで、10回まで記憶している。虫眼鏡のボタンは拡大、縮小。書き込みボタンは動かない。

今回は授業をスムーズに行う為に、全ての分子を描く代わりにSmilesの構造式を表計算ソフトからコピー、ペーストする事にした。本来は分子の情報はその構造式に全て含まれるので、自分で描いて欲しい所だが時間の関係でそのようにした。

YSB14b

対応するブラウザーを使っている場合には、別画面にプログラムを走らせておく。

表計算ソフトの1行1列目から、一番右下(D9)までをコピーし、YSBプログラムの上のテキストエリアにペーストする。通常はこのやり方で数値がTabで区切られた形でペーストされる。次にReadボタンを押すとデータを読み込み、Calc MRボタンを押す。

引火点=0.8362*C2(BPK)+0.0366*D2(Heat of Formation)+-286.7096

というモデル式が作成される。この式はエクセルの計算式としてそのまま使える。表計算ソフトに、予測したい化合物をYMBで計算し、沸点、生成熱の推算値を入れておけば、この式を使って予測する事ができる。Cross Termの利用法は重回帰法の基礎を参照の事。

 

VSMR(2013年以降は提供していない)

以前(2012年まで)はVSMRというソフトでモデル式を構築していた。これはYMBが計算する様々な物性値の中から、自動的に変数(Variable)を選択(Selection))して重回帰(Multiple Regression))を行うソフトウエアーだ。目的値(この場合は引火点)と相関係数が高くなるような変数を、指定した数(この場合は2つ)使って重回帰計算を行う。選択のやり方を遺伝的アルゴリズム、GA(Genetic Algorithm)、を使って相関係数が最大になる変数の組を見つける。

表計算ソフトの1行1列目から、一番右下(分子式は含めない)までをコピーし、VSMRプログラムの上のテキストエリアにペーストする。通常はこのやり方で数値がTabで区切られた形でペーストされる。次にReadボタンを押すとデータを読み込み、データの数、識別子の数が表示される。次にモデル式の変数の数を指定する。引火点のデータをペーストし、変数を2つ使ったモデルを探索すると

引火点=21.4146*P2+177.9998*S2+-67.4923

というモデル式が提案される。この式はエクセルの計算式としてそのまま使える。

 

結果をExcelに貼り付け、モデル式計算結果と引火点をグラフに書く。

ここで、P2はlog(Henry), S2はDensityなので、これから引火点を推算するといった時に、化学のセンスがあれば、たまたま合ったのだろうと判断できる。事実予測用の化合物の計算値は大きくずれるものがあるので、例えば密度のカラムを消去し、再びモデルを作成するを繰り返す。

さらに、分子式をCの数、Hの数、ハロゲンの数などと分割してカラムを増やして検討の幅を広げたり、再結晶の溶解度データ等では、温度の項を入れたり、ものによっては圧力、pHなど結果に影響を与えそうなカラムを付け加え検討を加えることができる。

ちょっとマニアックなソフトなので、授業からは外し、今後はYSBを使う。

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