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2020.12.12改訂

非常勤講師:山本博志 講義補助資料

MO、分子軌道計算など

かれこれ35年以上前、まだPC-8801を使っていた頃からPCで分子模型を描いて遊んでいました。当時のコンピューターパワーではwire frameの分子を描くのがせいぜいでしたが、レイトレーシングの部分を機械語で記述すると、スペース・フィルの分子模型が1つ4-5時間で描くことができました。

就職を機にPC9801へアップして、FortranでMM2やMNDOのプログラムを打ち込んで走らせていた時も、GUIは自分でC言語で書いたものを使っていました。

カルフォニア工科大学にコンピュータ・ケミストリーを学びに留学しました。
その際に、Mac II Siを買ってからはマック派になりましたが、それでもGUIは自作です。

プログラミング言語はBasic、C、C++, JAVA, C#、 Javascriptと変わってきましたが、新しい言語を勉強するときには、まず分子構造のお絵かきから入るのは変わっていません。
それができるようになると、自分がやりたいような化学系のことは大抵できるようになるからです。

化学結合と温度 2020.12.12

最近分子間力に関してはHansen Solubility Parameters(HSP)関連で力を入れてやってきましたが、もっと根源的な所は疎かにしてきたかもしれません。
化学結合と温度を考え直してみました。

「デジタル分子模型と化学結合」の連動記事

対象は高校生や高校の教師向けですが、分子軌道とか難しい話の前に、こうした単純な事にさえ答えるのが大変な化学の現状を一緒に考えてみてください。

JSME-RDKit 3次元構造の作成 (2021.1.8)

現在の所、フリーの2次元分子構造を描くソフトで最も優れているのは、JSMEでしょう。多分、JavaScrpt Molecular Editorの略でしょう。ブラウザーの上で動作させることができるので、一番安価で手軽な方法になります。
この、JSMEで分子を描くと、それをSmilesの構造式として取り出すことができます。さらにSmilesの構造式は、RDKitを使うと3次元の分子構造に変換することができます。OpenBabelを使えばほとんど全ての計算機科学用の分子構造フォーマットへ変換することができます。

しかし、JSME, RDKitは非常に大きなプログラムで、かつ、最新のJavaScriptで動作するように設計されている事が多いです。
マシンの速度、ネットワークの速度などを考慮に入れつつ利用してください。

Pirikaでは、古いマシン、非力なシステム、電子ブックの中でも動くJavaScriptを目指しています。特にデジタル教科書に動く分子模型として搭載する場合には、逆にレトロなプログラムを用いる必要があります。
また、ねじれ角の修正等はY-Molなどを使って行います。

Smiles構造式から3次元構造の作成 (2021.1.29)

既にSmilesの構造式を持っている場合はこちらから3次元構造を作成してください。

分子構造の3Dエディター、Y-Mol (HTML5 version 2013.4.2) 2020.12.3改訂版

高校生や高校の教師向けに、Y-Molの使い方を説明します。

分子軌道で計算する用の3次元分子構造はどうやって作ったらいいのでしょうか? 
ChemDraw3Dなどを持っていれば3次元の分子構造は簡単に手に入るでしょう。
ChemDrawで2次元の分子のお絵かきをすれば、Chem3Dが3次元分子に変換してくれます。
わざわざお金をかけなくても、JSMEで分子構造をお絵かきして、RDKitを使って3次元構造に変換するなどは、プログラミングの知識がなくても簡単に構築できます。

ただ、化学者として計算機科学を利用したいと思うなら、結合長、結合角、ねじれ角にこだわって分子を組み立てるところから始めて欲しいとも思います。
そこを手抜きすると、化学を知らないデータ・サイエンティストに対する優位性が失われてしまいます。

Y-Molはクラッシックな分、化学結合をきちんと理解していないと、うまく分子を組み立てられません。

Y-CNDO/2(1992年ごろが初め。2012年ごろJavaScriptプログラム化)

3次元分子を組み立てた後は、とりあえずCNDO/2の分子軌道計算をやってみましょう。
CNDO/2というのは、Complete Neglect of Differential Overlap法のver.2のことです。
電子反発積分に含まれる微分重なりを無視して計算する方法です。
とは言っても、自分も含めほとんど意味不明でしょう。
なんか、計算を省略して、精度は低いけど、iPhoneでも分子軌道計算ができるようなやり方ぐらいに理解してください。
1992年ごろにFortranのプログラムをCに移植し、さらにJAVA, Javascriptへと進化してきました。

MOPAC計算環境の構築法(2013.4.2)

貧乏人の為のMOPAC計算機環境の構築法をまとめてみました。化学工学の学生が行う分子軌道計算ならMOPACあたりから入るのが最適でしょう。自分でどんどん計算できるように環境を構築してみましょう。
当時のPC環境ではMOPAC程度が限界であったかもしれませんが、現在(2020)は、特にはお勧めしていません。
GAMESSなどのフリーの分子軌道計算ソフトも増えてきているので、マシン・パワー、やりたい計算などを加味して自分なりの環境構築をしていきましょう。

分子の電荷計算(電荷平衡法):

HTML5バージョン(3次元構造からの計算) 2011.5
HTML5バージョン(2次元構造からの計算) 2011.5
JAVAバージョン  2000.2.18

有機反応を行うときなど、有機合成屋さんは、”ここがδ+でここがδ-だから、あーなって、こーなって”という反応式を頭の中だけで自由にやってのけます。その基礎は各原子の電気陰性度でしょう。それを定量的に扱うのが電荷平衡法です。

この方法は原子の電気親和力とイオン化エネルギーから化学ポテンシャルを計算し、そのポテンシャルが等しくなるまで電荷が流れるという電荷平衡法を基礎にしています。

通常は3次元で扱い、結合がなくても空間を介してポテンシャルを考えますが、”初心者のための分子モデリング”という本を読んでいたら、結合のみを介したポテンシャルで計算する場合があるようです。そこで2次元のお絵かきプログラムと合体させてみました。

遷移状態の計算とライブラリー化2005.1.14

私はMOPAC、ガウシアンなどを使い色々計算してきました。元が高分子の合成屋で、ある重合反応が進みやすいかどうか、つまり活性化エネルギーを知りたいというのが、分子軌道計算を行うほとんどの理由でした。
計算には時間がかかりますが、その間は実験をしていれば良いので遅さはあまり気にしませんでした。

この活性化エネルギーを求めるには遷移状態を求め流必要があります。
それを実験値と比べるとこうなります。

遷移状態ライブラリーを作った際、検討したことをまとめておきます。

遷移状態の振動解析

遷移状態では虚の振動が1つだけ、そして、その振動は反応が進む方向である必要があります。
正しい遷移状態が得られたどうか、その振動をアニメーションで見てみましょう。

HTML5バージョン 2011.5

今までに計算したMOPACの遷移状態計算の結果をデータベース化しました。 JAVAバージョン 2005.1.14 
使い方はこちらを参照

古い記述

(▶︎をクリックして開く)

分子の半経験的分子軌道計算(CNDO/2):

HTML5バージョン 2011.5
JAVAバージョン 2000.2.14

何故、今更CNDO/2なのかと聞かれることも多いです。原子の電荷は電荷平衡法を使って計算してしまうし、分子軌道法で求めたいのはHOMOとLUMOそして軌道の形ぐらいだから、簡単なCNDO/2ぐらいでも良いのです。

MOPAC用分子構造の3Dエディター、Y-Mol (HTML5 version 2013.4.2)

古い記述です。

MOPAC PM3相当の生成熱、HOMO、LUMOの推算

データベースに収録した化合物については、とりあえずMOPACで分子軌道計算を行なっています。その計算結果を元に生成熱などを推算するプログラムを作成しました。
JAVAバージョン 2001.1.14

活性化エネルギーの推算

MOPAC、ガウシアンなどでラジカル反応の活性化エネルギーを数多く計算しデータベース化してきました。あるラジカル種がモノマーにアタックする時の活性化エネルギーをいちいち全部分子軌道計算していたのではいくら時間があっても間に合いません。

ラジカルとモノマーのそれぞれを分子軌道計算して、その組み合わせの活性化エネルギーがいくつになるか、ニューラルネットで予測してしまおうと考えました。
JAVAバージョン 2005.1.14

MD, 分子動力学

分子動力学計算:(HTML5バージョン)

モレキュラー・ダイナミクスのプログラムを作ってみました。
これは、HTML5の新しい機能、思い計算をWorkerに放り投げる機能の練習として作ってみました。 他にもこうしたプログラムはたくさんあるでしょうが、特徴は電荷平衡法(QEq)を使って電荷を高速に計算することです。

MOL(SDF)フォーマットのビュアー(HTML5 version 2012.6.15)

テキストエリアにMOL(SDF)フォーマットの分子構造を入力してReadボタンを押すと分子構造が表示されます。おまけとして、学生のバージョンには(webユーザーはH, C, N, Oのみ)原子の電荷を計算するルーチンが含まれます。

分子軌道CNDO/2、QEQ計算ソフト、YNUSの各機能の説明

今年(2011年)HTML5を勉強するにあたって、プログラムをJavaScriptで作りなおしてみました。こういうことができてしまうと、FlashもJAVAもいらないというAppleの主張も頷けます。

分析化学

GCRI

NMRケミカルシフトの推算


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