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27-May-2017

ピリカで化学MO、分子軌道計算 : MOPAC

2013.4.1

非常勤講師:山本博志 講義補助資料

最近、色々な大学の化学工学の授業の状況をお聞きする機会が増えた。自分が結構驚いたのは、学生にガウシアンを使って計算させているところが結構あるという事だ。ガウシアンのようなAb-initio(非経験的分子軌道法)は、計算精度は高いが、分子が大きくなると計算出来ない、コンピュータの計算能力が非常に高いものが必要になる、専門知識が必要になるなど、化学工学の学生には荷が重いと思っていたので、ものすごく意外だった。(他の大学の状況をお知らせ願えればと思います。)

一番大事な点は、おそらく卒業後、学生の多くは企業で研究を続けるのだろうが、化学工学を専門とする企業の部署ではガウシアンが動作するマシン(ソフト自体も)が無いことだろう。化学工学の問題を解決するためにガウシアンのソフトとハードを購入して欲しいと費用対効果を上司に果たして説明できるだろうか?鶏が先か卵が先か? そうなった時には、まずは簡単な半経験的分子軌道法で成果を出し、「ガウシアンを買ってくれたらもっと精度が高くなるんだよ」と説得するのが近道と思われる。その場合は自分でソフトを入手してインストールしなくてはならない。大学のように誰かがメンテしてくれて、自分は使うだけというのは許されない。

半経験的分子軌道法といっても、例えばChemOfficeなどに搭載されているプログラムを使おうとすれば、やはり50万近くかかってしまう。以前はMOPACという著名な半経験的分子軌道計算パッケージソフトがフリーウエアーで出回っていたが、Stewart先生が富士通で仕事をされている間に消え去ってしまったし、計算する分子を組み立てるソフトもフリーソフトは殆どなくなってしまった。

そこで、現時点(2013.4.1)でフリーのMOPACを入手して、取り敢えず計算だけでも進められるような環境を構築する方法をまとめておこう。(企業のユーザーでお金の使える方はこの先は読む必要ありません。あくまでも貧乏人の為のMOPAC利用法です。)

半経験的分子軌道法MOPACの入手方法

大学の関係者(メールアドレス@ac.jp)は公式のMOPACを作られているStewart先生のHP(openmopac.net)から最新版MOPAC2012を入手できる。大学を示すacがメールアドレスに入っていないと弾かれるので注意する。企業ユーザーは、日本では菱化から購入する。インストールの方法などはダウンロードしたファイル群の中にマニュアルがあるし、ネット上にも情報はあふれているので、特に説明は要らないだろう。Mac版もWindows版もある。古いMOPAC7.1までは実行ファイル形式でダウンロードできる。学生の ac.jp で終わるメールアドレスを持っているなら使わない手は無い。

WinMostar, 株式会社クロスアビリティが販売するMOPACとGUIを組み合わせたソフトウエアー。 MOPAC2012などを組み込むこともできる。教育目的は無償、アカデミックでも研究用は有償なので注意が必要だ。MOPAC6, MOPAC7がプログラムに含まれる。

MOPAC606、pc-chem.info のSasakiさんが公開しているMOAPC6の改良版。これは完全にフリーなので企業ユーザーでも利用できる。ただし、MOPAC6をベースにしているので古い。

Macユーザーであれば、WebMo が公開しているMOPAC7がフリーで利用できる。

MOPAC7.21 ロシアの研究者がMOPAC7にビュアーをつけたものをWinMopacという名称で公開している。富士通が販売していたWinMopacとは別物なので注意のこと。これはXP, Vista, window7で動作するし、macでもWineの環境が構築されていればwindowsが無くても動作する。RasWinというビュワーも含まれるので手軽にMOPACでの計算を楽しみたい場合には最も適した方法かもしれない。MOPAC7といってもCOSMO法は含まれていないのでEPS計算はできない。

MOPACの走らせ方

MOPACの走らせ方は、どのバージョンを走らせるのかによっても異なる。GUIを持たずに直接走らせる方式の場合、ターミナル(Dos窓)などから

>MOPAC XXXX.mop

>MOPAC XXXX.dat

などと走らせる事になる。(>をDOSプロンプトと呼ぶ)この場合はMOPAC.exeがどこに置いてあるかをパスを切る必要がある。パスの切り方についてはネットを探して欲しい。

また、計算の対象の化合物のファイル名の拡張子は.mop .datが普通であるが、GUI付きのMOPACでは違う取り扱いのものもある。入力ファイルをFOR005という名前で用意して

>MOPAC

などと走らせる。これはフォートランの昔の名残だ。ファイル名は常にFOR005でなくてはならない。このような場合には次のようにやると簡単だ。ファイルの修正の際に、.mopや.datという拡張子は嬉しくないので、拡張子は.txtにしてしまってバッチファイルで処理する。(バッチ・ファイルについてはネットで調べるように)

@ECHO OFF
set a=Test
copy %a%.txt FOR005
MOPAC7
copy FOR012 %a%.arc
copy FOR006 %a%.out
del FOR005
del FOR012
del FOR006
del FOR011
del FOR016

例えば上記のようなバッチファイルを書いて、mopac.batというファイル名でMOPAC7.exeと同じフォルダーにセーブする。そしてTest.txtという入力ファイルを同じフォルダーに入れる。そこでmopac.batをダブルクリックするとMOPACが計算され、Test.arcとTest.outが出力される。arcというのは計算結果のダイジェスト、outは出力の全部が格納されている。繰り返し計算する場合には、最後の行の後に、

set a=Test2

のように続けて同じように書く。

GUIを持つものは、GUIソフトの使い方マニュアルをよく読む。

それでは、WinMopacで実際にやってみよう。(自分はMacなのでWine上で動かす。学生はWindowsにインストールしてやって見るように。)

無事にインストールができると、ファイルが展開され、上記のようなファイル群が現れる。そこでWinMopac7.21.exeをダブルクリックする。

するとGUI画面が立ち上がる。

最初に例題を読み込んでみよう。一番左のアイコンをクリックすると「ファイルを開く」モードになる。

examplesのフォルダーの中に入り、

ファイルを選択して開くのボタンを押してみよう。Initial matrixのタブの所にファイルが読み込まれる。

MOPACの入力構造は、最初1行目はキーワード行になる。MOPACでどのようなキーワードが使えるかは、ネットで”MOPAC キーワード”と検索すればPDFで色々なバージョンのものが入手できるので調べてみよう。

真ん中にある、原子が3つつながったアイコンをクリックすると、別画面に分子が表示される。これはRasWinという描画用のソフトだ。マウスを使って分子を回転させたりすることができる。

準備ができたら、RasWinアイコンの隣の分子の絵が書いてあるアイコンをクリックする。

上のようなダイアログが現れ計算が始まる。

計算が終了すると、自動的にタブが切り替わり、Full resultsが表示される。これがMOPACの.outファイルに相当する。通常のMOPACは.out, .arcを出力するが、タブにあるBrief resultsは.arcとは別物なので注意が必要だ。

最終的に構造最適化が終わったものは、Final matrixに表示される。再びRasWinで表示してみると構造最適化後の構造を見ることが出来る。

後は必要であれば結果をフロッピーのアイコン(フロッピー・アイコンってもういいかげんにしない?)を押してセーブする。

このように簡単に分子軌道計算を行い、結果を見ることができるので使わない手は無いだろう。自分で環境を構築し例題を走らせられるようにしてみよう。

分子の構築

それでは、自分の計算したい分子はどうしたら準備できるだろうか? WinMostarを購入できるならそれを使って分子を構築しよう。Chem3Dが使えるならそれを使って2次元構造から3次元構造を作りそのままChem3Dで分子軌道まで計算してしまおう。

全くお金をかけられない環境なら、このPirikaのHPにあるYNUSというソフトを使って構造を作ってみよう。これはHTML5という技術を使って作ったブラウザー上で動作する分子の3次元構造エディターだが、お世辞にも使いやすいとは言わない。Chromeブラウザーを使ってアクセスして欲しい。

さらに簡略版のY-Molというソフトも作ってみた。その使い方はこちらで説明しよう

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