化学式ワープロと分子軌道計算～量子力学もコンピュータで解こう～ / 情報処理概論 / 化学・バイオ工学科 / 工学部 / 山形大学

工場では実際にモノを作る前に，CAEによる論理シミュレーションが行われる（工場のしくみ,p.166）．分子軌道計算は，材料の反応予測や材料物性の予測に利用される．プラントを建設する前に，論理シミュレータでプラントを設計する．

材料物性の予測・・・分子軌道計算。エネルギー最少。ハードウェア込みで５００万円超？、アカデミックディスカウント。計算科学の歴史。１９５３年　MD、１９７３年、ガウシャンPDP-11、１９８５年80386DX。

特許と化学式

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特許の明細書に分子式を記述するときの画像ファイルの形式は？

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化学構造の表現・表記

情報を表現しようとしたら、文字にしなければなりません。デジタル化とはそういうことです。全てを文字で表現することはできないし、すべてを文字で表現すべきでもありません。文字にする価値が期待できる情報を文字にすべきです。

デジタルの世界では、グラフィックスや色彩、音声まで文字で表現します。

化学式は、化学物質や反応を文字で表現したものと言えます。

しかし、そこには、下付き文字や上付き文字などが入ってきます。まして構造式などになると、グラフィックスで表現せざるを得ません。

コンピュータに読み書きしやすい文字が、人間にとって必ずしも読み書きしやすいとは限りません。

表 1 . * 化学式の表現
化学種	式	式の種類

水素	元素記号	H
水	分子式	H₂O
水	電子式	H:O:H
水	示成式	H-O-H
水	構造式	H-O-H
水素分子	分子式（化学式）	H₂
硫酸アルミニウム	組成式（化学式）	3Al₂(SO₄)₃
炭酸イオン	イオン式（化学式）	CO₃^2-
アルミン酸イオン	イオン式（化学式）	[Al(OH)₄]^-
蛍光体	賦活	(Cr,Ca,Ba,Mg)₅(PO₄)₃Cl:Eu³⁺
クレーガー＝ビンクの表記法	ショットキー欠陥	null⇔2V_Al^'''+3V_O^・・
クレーガー＝ビンクの表記法	フレンケル欠陥	O_O^×⇔O_i^''+V_O^・・
ダニエル電池	電池式	Zn \| Zn²⁺ \|\| Cu²⁺ \| Cu

化学式には、組成式、構造式、示性式、電子式などがあります。デジタル情報としては、 SMILES記法などがあります。また伝統的なファイル形式として、mol形式などがあります。 XML形式としては、CML形式などがあります。

表 2 . 表現のためのファイル形式の例

表現

	◇バイナリ形式任意のビット列		◇テキスト形式文字コードのみ
	ネイティブ	圧縮テキスト	テキスト	◇ XML
文書	doc	docx	◇html,html5	xhtml
表計算	xls	xlsx	◇csv
図形	◇MWF,EMF		vml	◇ svg
チャート			UML
地図				◇G-XML,GML
数式	マセマティカ		◇TEX	◇ MathML
化学式			SMILES	CML
楽譜	MIDI		MML	MusicXML
3D			VRML	X3D
画像 (image)	jpg,png
音楽 (audio)	wav,mp3,wma
ビデオ (video)	mp4,mov
アプリ	exe,dll		vb,js,asp

SMILES記法

International Chemical Identifier(InChI)

SMILES記法チュートリアル

化学式ワープロ

ChemBioDraw/ChemDraw

BIOVIA Draw(バイオビアドロー)

ChemDraw

ChemDraw for iPad

コンピュータの進歩と計算化学

1970年 Gussian登場, PDP-11,非経験的分子軌道法,ab initio分子軌道法

1983年 MOPACが登場，半経験的分子軌道法

原子と原子は静電気力で結びつく。化学結合にはイオン結合、共有結合、金属結合などがある。固体には、塩化ナトリウムなどのイオン結晶、ダイヤモンドやケイ素などの共有結合からなる共有結晶、銀などの金属結合からなる金属結晶、供給結合からなる分子が弱い力でくっつくドライアイスなどの分子結晶などがある。液体は水のように分子からなる液体、塩化ナトリウムを高温でナトリウムイオンと塩化物イオンがイオン液体（熔融塩）、銀が自由に動き回る溶融金属、などがある。ドライアイスやヨウ素などの分子結晶は昇華しやすく、液体にはなりにくい。

表 3 . 純物質化学結合と結晶

結合の種類	結晶	性質や特色	物質の例

イオン結合	イオン結晶	固体は導電率が小さい（絶縁体）。水溶液や溶融塩は導電率が大きい。（キャリア：イオン）。	塩化ナトリウム、塩化銀、水酸化ナトリウム
共有結合	分子結晶	分子式で表す。融点や沸点は低い。	酸素、アンモニア、水^※1、ドライアイス
共有結合	共有結合の結晶	黒鉛や導電性高分子は、例外的に電気を通す。	ダイヤモンド、黒鉛、ケイ素、水晶、石英^※2
金属結合	金属の結晶	導電率が大きい（キャリア：自由電子）。	銅、亜鉛、 🜀 アルミニウムリチウム

※1.水分子は共有結合に分類されるが、液体の水はわずかに電離して電気を流す。このイオン結合的な性質を、極性分子と表現する。

※2.ケイ酸塩のケイ酸はイオン結合に分類されるが、共有結合としての性質が強く、焼成などで成型することができる。

有機化学美術館

分子全体に広がる一電子空間軌道関数である分子軌道によって、分子を構成する個々の電子の状態が記述される。この分子軌道を計算して、分子の電子状態を求める方法が分子軌道法である。コンピュータで計算する手法である．なお，分子軌道法については，物理化学IIIの授業で詳しく触れます．

図 144 クーロンポテンシャルとＨＯＭＯとＬＵＭＯ
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上図を３Ｄで可視化したものが下図です。クーロンポテンシャルは原子核のまわりにできるへこみみたいなものです。電子はそこにたまる水みたいなものです。

図球棒モデル（ボールスティックモデル）の 3DCGを使ったPVDFの分子模型 (©M.Akama)

SCIGRESS

実習室のWindows PCにログオン後
[スタート]　→ [SCIGRESS 2.8.1] → [Workspace]

計算例）フェリシアニド([Fe(CN)₆]^3-)錯体の分子軌道計算

同時使用ライセンス（フローティングライセンス）

80プログラムの同時起動が可能

分子軌道計算では初期配座が重要

ChemSpider:http://www.chemspider.com/
alpha-Cyclodextrinで検索する。3D表示する。mol形式でダウンロードする。サイグレスで開く。

シクロデキストリンの3D表示

構造最適化を行う。MOに関してはライセンスの上限があるので先着順です！構造最適化が終わったらＨＯＭＯとＬＵＭＯの波動関数を計算する。

エネルギー化学への応用

量子力学計算をエネルギー化学に応用できます。波動関数のエネルギー準位と酸化還元電位の関係を調べることができます。

酸化還元電位の算出

Fe3+/Fe2+の半反応式は次式で表されている．この半反応式の酸化還元電位は標準水素電極(NHE)に対し+0.771 Vである．

{Fe}^{2+} = {Fe}^{3+} + e^{-}

（反応式- 1）

HOMO軌道とLUMO軌道のエネルギー順位をSCIGRESS(PM6 geometry with PM6 wavefunction※1)を用いて計算すると下図のようになった． Fe³⁺のLUMO軌道のエネルギー準位は，-30.23eVとなり，Fe²⁺のエネルギー準位は-28.68eVとなった．さらに，水素分子(H₂)のHOMO軌道のエネルギー準位は，-15.04eVとなった．水素イオン(H⁺)のLUMO軌道のエネルギー準位をSCIGRESSで計算すると，「No surface was found for molecular orbital 1 since it does not contain a value as large as 0.060.」とエラーが表示されLUMO軌道のエネルギー準位を計算できない．

Waiting for resources to become available...
Keywords used in this job are as follows:
 PM6 NOMM NOXYZ XYZ NODIIS GRAPH T=10D CHARGE=1  

MO-GManager 1.1.1.0 Apr  2 2018 21:50:58

MO-GComputeEngine 2.9.0 Apr  2 2018 21:50:15

Final heat of formation =     311.4630 kcal/mol
Calculation done.
TabulatorManager 2.9.0 Apr  2 2018 21:45:33

TabulatorComputeEngine 2.9.0 Apr  2 2018 21:44:57

3	3	3	(529169.25,529169.25,529169.25) Angstrom	(-529169.25,-529169.25,-529169.25) Angstrom	Molecular orbital values:  0.060, -0.060	Using molecular orbitals 1 - 1
No surface was found for molecular orbital 1 since it
 does not contain a value as large as  0.060.
Computation time: 00:00:00.388

ギブスの自由エネルギーの計算はどうやるの？

Gaussianでギブスの自由エネルギーを求める方法は下記のキーワード検索すると見つかることがあります．検索キーワード：gibbs free energy gaussian Google
文献などのExampleを探しましょう．基本は，物理化学

新型コロナウイルスの影響による在宅課題

分子軌道計算ソフトを使ったα-シクロデキストリンのHOMO-LUMOエネルギーの計算

Winmostarのインストール: Winmostarのインストールをしてください．学生の方は学生版が利用できます．あとは，ウェブページの指示に従ってインストールしてください．本学の電子メールの使い方がわからない方は，「学生向け電子メールの使い方」をご覧ください．
α-シクロデキストリンの3次元のmolファイルをダウンロード: Chemspiderを使ってα-シクロデキストリン(alpha-cyclodextrin)の3次元のmolファイルをダウンロードしてください．
Winmostarの起動: Winmostarを起動して，molファイルを開いてください．
構造最適化: 構造最適化を行います．メニューバーの「半経験QM] -> [MOPAC] -> 「MOP7W70の実行」をクリックしてください．

MOPAC Setupのダイアログウィンドウが起動したら，OKをクリックしてください．ファイル名の保存ダイアログウィンドが立ち上がった[保存]をクリックしてください．なお，ダイアログウィンドウは，起動しないこともあります．メモ帳が軌道したら，最適化完了です．
エネルギー計算: エネルギー計算を行います．メニューバーの「半経験QM] -> [CNDO/S] -> 「実行」をクリックしてください．

CNDO/S Setupのダイアログウィンドウが起動したら，OKをクリックしてください．ファイル名の保存ダイアログウィンドが立ち上がった[保存]をクリックしてください．なお，ダイアログウィンドウは，起動しないこともあります． CNDO/S UV-Vis-Spectrumなど３つのダイアログウィンドウが起動したエネルギー計算完了です．
HOMO LUMOエネルギーの表示: Energy Level… ダイアログウィンドウを見てください．HOMO:の後の数字と同じUnitの値がHOMO軌道のエネルギーになります．その値を読みとりウェブクラスに提出してください．また，HOMO:のUnitの値に１を加えた値がLUMO軌道となります．LUMO軌道のエネルギーの値をウェブクラスに提出してください．