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11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
量子化学計算ソフトウエアGaussian講習会
株式会社クロスアビリティ
rkogax‐abilityjp後援 計算科学振興財団
2011年10月11日
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
スケジュール1030 Gaussianによる量子化学計算の概要
一部デモが含まれます
座学がメインとなります
1200 休憩
1300 1午前中の続きの一部
2GaussianとWinmostarを使った計算実習
3最後に質問や課題に応じた入力ファイルの作成解析
1630 閉会ご退出
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講師 古賀 良太
bull 代表取締役
GaussianGAMESSセミナー講師
計算化学ソルバー XA‐CHEM‐SUITEの開発
bull 後援計算科学振興財団 (FOCUS)特別サポート 千田範夫
Winmostar開発者 顧問
特別サポート 山口徹
(株)TSテクノロジー 代表TSDB開発者
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bull 参考文献
bull 参考URLGaussianinc
bull httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull httpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htmbull Changes between G09 and G03
ndash httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
コンフレックスbull httpwwwconflexcojpprod_gaussianhtml
事例毎に入力ファイル例が載っており理論に関する説明も充実している
この本の内容を超えることはありません
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Gaussianによる量子化学計算とは
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量子化学計算とGaussianbull 量子化学計算
ndash 高精度高コストの電子状態計算bull 分子力場計算は電荷移動重原子などの扱いを考慮できない
bull ハートリーフォック計算と密度汎関数計算
ndash 計算コストを決めるのは計算手法 基底関数eg MP26‐31G
bull Gaussianndash 論文で使われる量子化学計算ソフトウェアのデファクトス
タンダード
ndash 孤立系の計算が主でガウス基底を用いる
ndash Linux 64bit版は4GB以上のメモリを有効活用できるbull 巨大分子の取り扱いが可能になる
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エネルギー計算を基本として上記物性値を得られるcopy東大工 常田准教授
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Hartree‐Fock法の手続き
GH
PH
CCHF
core
core
N
aaa
core
21
22
Density Matrix (P) Initial Guessで初期値を作った後非線形方程式を解いている間(SCFサイクル)アップデートされ続ける
ERI (ab|cd) 理屈では一度計算してメインメモリにおけばいいのだが のため少し基底Nが大きくなると置けなくなるディスクIOは時間がかかり毎回演算するのがリーズナブルとなるが大変な処理
Density MatrixtimesERI = J-matrix Coulomb potential matrix
Density MatrixtimesERI = K-matrix HF exchange matrix
4NO
4NO
drdr
rrrrrrcdab dcba
||)()()()()|( SCCCF SCF ERI
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Gaussianを使う前に必要なこと(1)bull 計算計画を立てる
ndash 孤立系の量子化学計算でできることに絞るbull 化学反応が扱える
ndash 遷移状態計算
ndash 励起状態計算
ndash 量子化学計算は時間がかかるbull 大まかな構造溶媒をあらわに考慮した構造などは分子力場計算
が良いndash QMMM ONIOMで溶媒だけ古典計算する方法もある
ndash 動力学計算(時間パラメータ)は扱えない
ndash 周期系計算巨大分子は扱いが難しい(扱えるが大変)
ndash ただ最近の計算機は速いのでとりあえず流すというのも有効(とはいえ標準サイズ化合物でB3LYP6‐31G程度)
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Gaussianを使う前に必要なこと(2)bull 重要な入力パラメータ
ndash 初期構造bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算し
た物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull 結合長結合角二面角で指定するZ‐matrixが化学的な記述として良いし特定の結合角を見たいときなど出力も読みやすい
ndash 初期分子軌道bull 事前に同化合物同マシンで計算したcheckpoint fileがあるならGuess=readした方が計算が速い etc
ndash 基礎知識(計算理論基底関数計算手法など)bull HFは電子相関の一部が考慮できないPure DFT (BLYP etc)はvdw
が考慮できない6‐31G以上の基底関数でないとpoorすぎる etc
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Gaussianを使う前に必要なこと(3)bull プリポストプロセッサは色々あるが基本的にはど
れでも同じであるという認識
ndash 今回はWinmostarを使います
ndash GaussViewはGaussianに最適化されていますbull 入力ファイルを正確に読み込めるGUIであらゆるGaussianキー
ワードを指定できる etc
ndash Facio(フリー) Gabedit(フリー)など
bull 計算は実験値を予測するものというよりは実験では知ることが難しい or できないものを評価するものであるという認識
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計算のみの特許bull Gaussian98で計算されている
ndash コニカミノルタ特開2004-273389rarr特許4158562(有機エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置)
bull 請求項1の構成要件に計算値が入っていますが実施例ではまもともに実験しているので特許が認められたものと思われます従って「計算のみ」で特許になったわけではありませんしかしそれでもメインクレイムが計算結果で構成されている発明が認められていることは重大でして今や計算化学を特許戦略に組み込まなければならなくなったことを意味します
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計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
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Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
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bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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スケジュール1030 Gaussianによる量子化学計算の概要
一部デモが含まれます
座学がメインとなります
1200 休憩
1300 1午前中の続きの一部
2GaussianとWinmostarを使った計算実習
3最後に質問や課題に応じた入力ファイルの作成解析
1630 閉会ご退出
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講師 古賀 良太
bull 代表取締役
GaussianGAMESSセミナー講師
計算化学ソルバー XA‐CHEM‐SUITEの開発
bull 後援計算科学振興財団 (FOCUS)特別サポート 千田範夫
Winmostar開発者 顧問
特別サポート 山口徹
(株)TSテクノロジー 代表TSDB開発者
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
bull 参考文献
bull 参考URLGaussianinc
bull httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull httpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htmbull Changes between G09 and G03
ndash httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
コンフレックスbull httpwwwconflexcojpprod_gaussianhtml
事例毎に入力ファイル例が載っており理論に関する説明も充実している
この本の内容を超えることはありません
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianによる量子化学計算とは
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
量子化学計算とGaussianbull 量子化学計算
ndash 高精度高コストの電子状態計算bull 分子力場計算は電荷移動重原子などの扱いを考慮できない
bull ハートリーフォック計算と密度汎関数計算
ndash 計算コストを決めるのは計算手法 基底関数eg MP26‐31G
bull Gaussianndash 論文で使われる量子化学計算ソフトウェアのデファクトス
タンダード
ndash 孤立系の計算が主でガウス基底を用いる
ndash Linux 64bit版は4GB以上のメモリを有効活用できるbull 巨大分子の取り扱いが可能になる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
エネルギー計算を基本として上記物性値を得られるcopy東大工 常田准教授
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Hartree‐Fock法の手続き
GH
PH
CCHF
core
core
N
aaa
core
21
22
Density Matrix (P) Initial Guessで初期値を作った後非線形方程式を解いている間(SCFサイクル)アップデートされ続ける
ERI (ab|cd) 理屈では一度計算してメインメモリにおけばいいのだが のため少し基底Nが大きくなると置けなくなるディスクIOは時間がかかり毎回演算するのがリーズナブルとなるが大変な処理
Density MatrixtimesERI = J-matrix Coulomb potential matrix
Density MatrixtimesERI = K-matrix HF exchange matrix
4NO
4NO
drdr
rrrrrrcdab dcba
||)()()()()|( SCCCF SCF ERI
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを使う前に必要なこと(1)bull 計算計画を立てる
ndash 孤立系の量子化学計算でできることに絞るbull 化学反応が扱える
ndash 遷移状態計算
ndash 励起状態計算
ndash 量子化学計算は時間がかかるbull 大まかな構造溶媒をあらわに考慮した構造などは分子力場計算
が良いndash QMMM ONIOMで溶媒だけ古典計算する方法もある
ndash 動力学計算(時間パラメータ)は扱えない
ndash 周期系計算巨大分子は扱いが難しい(扱えるが大変)
ndash ただ最近の計算機は速いのでとりあえず流すというのも有効(とはいえ標準サイズ化合物でB3LYP6‐31G程度)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを使う前に必要なこと(2)bull 重要な入力パラメータ
ndash 初期構造bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算し
た物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull 結合長結合角二面角で指定するZ‐matrixが化学的な記述として良いし特定の結合角を見たいときなど出力も読みやすい
ndash 初期分子軌道bull 事前に同化合物同マシンで計算したcheckpoint fileがあるならGuess=readした方が計算が速い etc
ndash 基礎知識(計算理論基底関数計算手法など)bull HFは電子相関の一部が考慮できないPure DFT (BLYP etc)はvdw
が考慮できない6‐31G以上の基底関数でないとpoorすぎる etc
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを使う前に必要なこと(3)bull プリポストプロセッサは色々あるが基本的にはど
れでも同じであるという認識
ndash 今回はWinmostarを使います
ndash GaussViewはGaussianに最適化されていますbull 入力ファイルを正確に読み込めるGUIであらゆるGaussianキー
ワードを指定できる etc
ndash Facio(フリー) Gabedit(フリー)など
bull 計算は実験値を予測するものというよりは実験では知ることが難しい or できないものを評価するものであるという認識
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
計算のみの特許bull Gaussian98で計算されている
ndash コニカミノルタ特開2004-273389rarr特許4158562(有機エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置)
bull 請求項1の構成要件に計算値が入っていますが実施例ではまもともに実験しているので特許が認められたものと思われます従って「計算のみ」で特許になったわけではありませんしかしそれでもメインクレイムが計算結果で構成されている発明が認められていることは重大でして今や計算化学を特許戦略に組み込まなければならなくなったことを意味します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
FOCUS東工大TSUBAME
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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講師 古賀 良太
bull 代表取締役
GaussianGAMESSセミナー講師
計算化学ソルバー XA‐CHEM‐SUITEの開発
bull 後援計算科学振興財団 (FOCUS)特別サポート 千田範夫
Winmostar開発者 顧問
特別サポート 山口徹
(株)TSテクノロジー 代表TSDB開発者
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bull 参考文献
bull 参考URLGaussianinc
bull httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull httpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htmbull Changes between G09 and G03
ndash httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
コンフレックスbull httpwwwconflexcojpprod_gaussianhtml
事例毎に入力ファイル例が載っており理論に関する説明も充実している
この本の内容を超えることはありません
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Gaussianによる量子化学計算とは
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量子化学計算とGaussianbull 量子化学計算
ndash 高精度高コストの電子状態計算bull 分子力場計算は電荷移動重原子などの扱いを考慮できない
bull ハートリーフォック計算と密度汎関数計算
ndash 計算コストを決めるのは計算手法 基底関数eg MP26‐31G
bull Gaussianndash 論文で使われる量子化学計算ソフトウェアのデファクトス
タンダード
ndash 孤立系の計算が主でガウス基底を用いる
ndash Linux 64bit版は4GB以上のメモリを有効活用できるbull 巨大分子の取り扱いが可能になる
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エネルギー計算を基本として上記物性値を得られるcopy東大工 常田准教授
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Hartree‐Fock法の手続き
GH
PH
CCHF
core
core
N
aaa
core
21
22
Density Matrix (P) Initial Guessで初期値を作った後非線形方程式を解いている間(SCFサイクル)アップデートされ続ける
ERI (ab|cd) 理屈では一度計算してメインメモリにおけばいいのだが のため少し基底Nが大きくなると置けなくなるディスクIOは時間がかかり毎回演算するのがリーズナブルとなるが大変な処理
Density MatrixtimesERI = J-matrix Coulomb potential matrix
Density MatrixtimesERI = K-matrix HF exchange matrix
4NO
4NO
drdr
rrrrrrcdab dcba
||)()()()()|( SCCCF SCF ERI
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを使う前に必要なこと(1)bull 計算計画を立てる
ndash 孤立系の量子化学計算でできることに絞るbull 化学反応が扱える
ndash 遷移状態計算
ndash 励起状態計算
ndash 量子化学計算は時間がかかるbull 大まかな構造溶媒をあらわに考慮した構造などは分子力場計算
が良いndash QMMM ONIOMで溶媒だけ古典計算する方法もある
ndash 動力学計算(時間パラメータ)は扱えない
ndash 周期系計算巨大分子は扱いが難しい(扱えるが大変)
ndash ただ最近の計算機は速いのでとりあえず流すというのも有効(とはいえ標準サイズ化合物でB3LYP6‐31G程度)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを使う前に必要なこと(2)bull 重要な入力パラメータ
ndash 初期構造bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算し
た物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull 結合長結合角二面角で指定するZ‐matrixが化学的な記述として良いし特定の結合角を見たいときなど出力も読みやすい
ndash 初期分子軌道bull 事前に同化合物同マシンで計算したcheckpoint fileがあるならGuess=readした方が計算が速い etc
ndash 基礎知識(計算理論基底関数計算手法など)bull HFは電子相関の一部が考慮できないPure DFT (BLYP etc)はvdw
が考慮できない6‐31G以上の基底関数でないとpoorすぎる etc
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを使う前に必要なこと(3)bull プリポストプロセッサは色々あるが基本的にはど
れでも同じであるという認識
ndash 今回はWinmostarを使います
ndash GaussViewはGaussianに最適化されていますbull 入力ファイルを正確に読み込めるGUIであらゆるGaussianキー
ワードを指定できる etc
ndash Facio(フリー) Gabedit(フリー)など
bull 計算は実験値を予測するものというよりは実験では知ることが難しい or できないものを評価するものであるという認識
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
計算のみの特許bull Gaussian98で計算されている
ndash コニカミノルタ特開2004-273389rarr特許4158562(有機エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置)
bull 請求項1の構成要件に計算値が入っていますが実施例ではまもともに実験しているので特許が認められたものと思われます従って「計算のみ」で特許になったわけではありませんしかしそれでもメインクレイムが計算結果で構成されている発明が認められていることは重大でして今や計算化学を特許戦略に組み込まなければならなくなったことを意味します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
FOCUS東工大TSUBAME
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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bull 参考文献
bull 参考URLGaussianinc
bull httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull httpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htmbull Changes between G09 and G03
ndash httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
コンフレックスbull httpwwwconflexcojpprod_gaussianhtml
事例毎に入力ファイル例が載っており理論に関する説明も充実している
この本の内容を超えることはありません
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Gaussianによる量子化学計算とは
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量子化学計算とGaussianbull 量子化学計算
ndash 高精度高コストの電子状態計算bull 分子力場計算は電荷移動重原子などの扱いを考慮できない
bull ハートリーフォック計算と密度汎関数計算
ndash 計算コストを決めるのは計算手法 基底関数eg MP26‐31G
bull Gaussianndash 論文で使われる量子化学計算ソフトウェアのデファクトス
タンダード
ndash 孤立系の計算が主でガウス基底を用いる
ndash Linux 64bit版は4GB以上のメモリを有効活用できるbull 巨大分子の取り扱いが可能になる
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エネルギー計算を基本として上記物性値を得られるcopy東大工 常田准教授
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Hartree‐Fock法の手続き
GH
PH
CCHF
core
core
N
aaa
core
21
22
Density Matrix (P) Initial Guessで初期値を作った後非線形方程式を解いている間(SCFサイクル)アップデートされ続ける
ERI (ab|cd) 理屈では一度計算してメインメモリにおけばいいのだが のため少し基底Nが大きくなると置けなくなるディスクIOは時間がかかり毎回演算するのがリーズナブルとなるが大変な処理
Density MatrixtimesERI = J-matrix Coulomb potential matrix
Density MatrixtimesERI = K-matrix HF exchange matrix
4NO
4NO
drdr
rrrrrrcdab dcba
||)()()()()|( SCCCF SCF ERI
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Gaussianを使う前に必要なこと(1)bull 計算計画を立てる
ndash 孤立系の量子化学計算でできることに絞るbull 化学反応が扱える
ndash 遷移状態計算
ndash 励起状態計算
ndash 量子化学計算は時間がかかるbull 大まかな構造溶媒をあらわに考慮した構造などは分子力場計算
が良いndash QMMM ONIOMで溶媒だけ古典計算する方法もある
ndash 動力学計算(時間パラメータ)は扱えない
ndash 周期系計算巨大分子は扱いが難しい(扱えるが大変)
ndash ただ最近の計算機は速いのでとりあえず流すというのも有効(とはいえ標準サイズ化合物でB3LYP6‐31G程度)
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Gaussianを使う前に必要なこと(2)bull 重要な入力パラメータ
ndash 初期構造bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算し
た物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull 結合長結合角二面角で指定するZ‐matrixが化学的な記述として良いし特定の結合角を見たいときなど出力も読みやすい
ndash 初期分子軌道bull 事前に同化合物同マシンで計算したcheckpoint fileがあるならGuess=readした方が計算が速い etc
ndash 基礎知識(計算理論基底関数計算手法など)bull HFは電子相関の一部が考慮できないPure DFT (BLYP etc)はvdw
が考慮できない6‐31G以上の基底関数でないとpoorすぎる etc
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを使う前に必要なこと(3)bull プリポストプロセッサは色々あるが基本的にはど
れでも同じであるという認識
ndash 今回はWinmostarを使います
ndash GaussViewはGaussianに最適化されていますbull 入力ファイルを正確に読み込めるGUIであらゆるGaussianキー
ワードを指定できる etc
ndash Facio(フリー) Gabedit(フリー)など
bull 計算は実験値を予測するものというよりは実験では知ることが難しい or できないものを評価するものであるという認識
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
計算のみの特許bull Gaussian98で計算されている
ndash コニカミノルタ特開2004-273389rarr特許4158562(有機エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置)
bull 請求項1の構成要件に計算値が入っていますが実施例ではまもともに実験しているので特許が認められたものと思われます従って「計算のみ」で特許になったわけではありませんしかしそれでもメインクレイムが計算結果で構成されている発明が認められていることは重大でして今や計算化学を特許戦略に組み込まなければならなくなったことを意味します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
FOCUS東工大TSUBAME
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標とエネルギー
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Gaussianによる量子化学計算とは
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量子化学計算とGaussianbull 量子化学計算
ndash 高精度高コストの電子状態計算bull 分子力場計算は電荷移動重原子などの扱いを考慮できない
bull ハートリーフォック計算と密度汎関数計算
ndash 計算コストを決めるのは計算手法 基底関数eg MP26‐31G
bull Gaussianndash 論文で使われる量子化学計算ソフトウェアのデファクトス
タンダード
ndash 孤立系の計算が主でガウス基底を用いる
ndash Linux 64bit版は4GB以上のメモリを有効活用できるbull 巨大分子の取り扱いが可能になる
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エネルギー計算を基本として上記物性値を得られるcopy東大工 常田准教授
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Hartree‐Fock法の手続き
GH
PH
CCHF
core
core
N
aaa
core
21
22
Density Matrix (P) Initial Guessで初期値を作った後非線形方程式を解いている間(SCFサイクル)アップデートされ続ける
ERI (ab|cd) 理屈では一度計算してメインメモリにおけばいいのだが のため少し基底Nが大きくなると置けなくなるディスクIOは時間がかかり毎回演算するのがリーズナブルとなるが大変な処理
Density MatrixtimesERI = J-matrix Coulomb potential matrix
Density MatrixtimesERI = K-matrix HF exchange matrix
4NO
4NO
drdr
rrrrrrcdab dcba
||)()()()()|( SCCCF SCF ERI
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Gaussianを使う前に必要なこと(1)bull 計算計画を立てる
ndash 孤立系の量子化学計算でできることに絞るbull 化学反応が扱える
ndash 遷移状態計算
ndash 励起状態計算
ndash 量子化学計算は時間がかかるbull 大まかな構造溶媒をあらわに考慮した構造などは分子力場計算
が良いndash QMMM ONIOMで溶媒だけ古典計算する方法もある
ndash 動力学計算(時間パラメータ)は扱えない
ndash 周期系計算巨大分子は扱いが難しい(扱えるが大変)
ndash ただ最近の計算機は速いのでとりあえず流すというのも有効(とはいえ標準サイズ化合物でB3LYP6‐31G程度)
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Gaussianを使う前に必要なこと(2)bull 重要な入力パラメータ
ndash 初期構造bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算し
た物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull 結合長結合角二面角で指定するZ‐matrixが化学的な記述として良いし特定の結合角を見たいときなど出力も読みやすい
ndash 初期分子軌道bull 事前に同化合物同マシンで計算したcheckpoint fileがあるならGuess=readした方が計算が速い etc
ndash 基礎知識(計算理論基底関数計算手法など)bull HFは電子相関の一部が考慮できないPure DFT (BLYP etc)はvdw
が考慮できない6‐31G以上の基底関数でないとpoorすぎる etc
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Gaussianを使う前に必要なこと(3)bull プリポストプロセッサは色々あるが基本的にはど
れでも同じであるという認識
ndash 今回はWinmostarを使います
ndash GaussViewはGaussianに最適化されていますbull 入力ファイルを正確に読み込めるGUIであらゆるGaussianキー
ワードを指定できる etc
ndash Facio(フリー) Gabedit(フリー)など
bull 計算は実験値を予測するものというよりは実験では知ることが難しい or できないものを評価するものであるという認識
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計算のみの特許bull Gaussian98で計算されている
ndash コニカミノルタ特開2004-273389rarr特許4158562(有機エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置)
bull 請求項1の構成要件に計算値が入っていますが実施例ではまもともに実験しているので特許が認められたものと思われます従って「計算のみ」で特許になったわけではありませんしかしそれでもメインクレイムが計算結果で構成されている発明が認められていることは重大でして今や計算化学を特許戦略に組み込まなければならなくなったことを意味します
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計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
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Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
FOCUS東工大TSUBAME
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標とエネルギー
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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量子化学計算とGaussianbull 量子化学計算
ndash 高精度高コストの電子状態計算bull 分子力場計算は電荷移動重原子などの扱いを考慮できない
bull ハートリーフォック計算と密度汎関数計算
ndash 計算コストを決めるのは計算手法 基底関数eg MP26‐31G
bull Gaussianndash 論文で使われる量子化学計算ソフトウェアのデファクトス
タンダード
ndash 孤立系の計算が主でガウス基底を用いる
ndash Linux 64bit版は4GB以上のメモリを有効活用できるbull 巨大分子の取り扱いが可能になる
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エネルギー計算を基本として上記物性値を得られるcopy東大工 常田准教授
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Hartree‐Fock法の手続き
GH
PH
CCHF
core
core
N
aaa
core
21
22
Density Matrix (P) Initial Guessで初期値を作った後非線形方程式を解いている間(SCFサイクル)アップデートされ続ける
ERI (ab|cd) 理屈では一度計算してメインメモリにおけばいいのだが のため少し基底Nが大きくなると置けなくなるディスクIOは時間がかかり毎回演算するのがリーズナブルとなるが大変な処理
Density MatrixtimesERI = J-matrix Coulomb potential matrix
Density MatrixtimesERI = K-matrix HF exchange matrix
4NO
4NO
drdr
rrrrrrcdab dcba
||)()()()()|( SCCCF SCF ERI
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Gaussianを使う前に必要なこと(1)bull 計算計画を立てる
ndash 孤立系の量子化学計算でできることに絞るbull 化学反応が扱える
ndash 遷移状態計算
ndash 励起状態計算
ndash 量子化学計算は時間がかかるbull 大まかな構造溶媒をあらわに考慮した構造などは分子力場計算
が良いndash QMMM ONIOMで溶媒だけ古典計算する方法もある
ndash 動力学計算(時間パラメータ)は扱えない
ndash 周期系計算巨大分子は扱いが難しい(扱えるが大変)
ndash ただ最近の計算機は速いのでとりあえず流すというのも有効(とはいえ標準サイズ化合物でB3LYP6‐31G程度)
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Gaussianを使う前に必要なこと(2)bull 重要な入力パラメータ
ndash 初期構造bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算し
た物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull 結合長結合角二面角で指定するZ‐matrixが化学的な記述として良いし特定の結合角を見たいときなど出力も読みやすい
ndash 初期分子軌道bull 事前に同化合物同マシンで計算したcheckpoint fileがあるならGuess=readした方が計算が速い etc
ndash 基礎知識(計算理論基底関数計算手法など)bull HFは電子相関の一部が考慮できないPure DFT (BLYP etc)はvdw
が考慮できない6‐31G以上の基底関数でないとpoorすぎる etc
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Gaussianを使う前に必要なこと(3)bull プリポストプロセッサは色々あるが基本的にはど
れでも同じであるという認識
ndash 今回はWinmostarを使います
ndash GaussViewはGaussianに最適化されていますbull 入力ファイルを正確に読み込めるGUIであらゆるGaussianキー
ワードを指定できる etc
ndash Facio(フリー) Gabedit(フリー)など
bull 計算は実験値を予測するものというよりは実験では知ることが難しい or できないものを評価するものであるという認識
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計算のみの特許bull Gaussian98で計算されている
ndash コニカミノルタ特開2004-273389rarr特許4158562(有機エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置)
bull 請求項1の構成要件に計算値が入っていますが実施例ではまもともに実験しているので特許が認められたものと思われます従って「計算のみ」で特許になったわけではありませんしかしそれでもメインクレイムが計算結果で構成されている発明が認められていることは重大でして今や計算化学を特許戦略に組み込まなければならなくなったことを意味します
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計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
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Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
FOCUS東工大TSUBAME
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標とエネルギー
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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エネルギー計算を基本として上記物性値を得られるcopy東大工 常田准教授
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Hartree‐Fock法の手続き
GH
PH
CCHF
core
core
N
aaa
core
21
22
Density Matrix (P) Initial Guessで初期値を作った後非線形方程式を解いている間(SCFサイクル)アップデートされ続ける
ERI (ab|cd) 理屈では一度計算してメインメモリにおけばいいのだが のため少し基底Nが大きくなると置けなくなるディスクIOは時間がかかり毎回演算するのがリーズナブルとなるが大変な処理
Density MatrixtimesERI = J-matrix Coulomb potential matrix
Density MatrixtimesERI = K-matrix HF exchange matrix
4NO
4NO
drdr
rrrrrrcdab dcba
||)()()()()|( SCCCF SCF ERI
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Gaussianを使う前に必要なこと(1)bull 計算計画を立てる
ndash 孤立系の量子化学計算でできることに絞るbull 化学反応が扱える
ndash 遷移状態計算
ndash 励起状態計算
ndash 量子化学計算は時間がかかるbull 大まかな構造溶媒をあらわに考慮した構造などは分子力場計算
が良いndash QMMM ONIOMで溶媒だけ古典計算する方法もある
ndash 動力学計算(時間パラメータ)は扱えない
ndash 周期系計算巨大分子は扱いが難しい(扱えるが大変)
ndash ただ最近の計算機は速いのでとりあえず流すというのも有効(とはいえ標準サイズ化合物でB3LYP6‐31G程度)
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Gaussianを使う前に必要なこと(2)bull 重要な入力パラメータ
ndash 初期構造bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算し
た物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull 結合長結合角二面角で指定するZ‐matrixが化学的な記述として良いし特定の結合角を見たいときなど出力も読みやすい
ndash 初期分子軌道bull 事前に同化合物同マシンで計算したcheckpoint fileがあるならGuess=readした方が計算が速い etc
ndash 基礎知識(計算理論基底関数計算手法など)bull HFは電子相関の一部が考慮できないPure DFT (BLYP etc)はvdw
が考慮できない6‐31G以上の基底関数でないとpoorすぎる etc
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Gaussianを使う前に必要なこと(3)bull プリポストプロセッサは色々あるが基本的にはど
れでも同じであるという認識
ndash 今回はWinmostarを使います
ndash GaussViewはGaussianに最適化されていますbull 入力ファイルを正確に読み込めるGUIであらゆるGaussianキー
ワードを指定できる etc
ndash Facio(フリー) Gabedit(フリー)など
bull 計算は実験値を予測するものというよりは実験では知ることが難しい or できないものを評価するものであるという認識
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計算のみの特許bull Gaussian98で計算されている
ndash コニカミノルタ特開2004-273389rarr特許4158562(有機エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置)
bull 請求項1の構成要件に計算値が入っていますが実施例ではまもともに実験しているので特許が認められたものと思われます従って「計算のみ」で特許になったわけではありませんしかしそれでもメインクレイムが計算結果で構成されている発明が認められていることは重大でして今や計算化学を特許戦略に組み込まなければならなくなったことを意味します
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計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
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Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Hartree‐Fock法の手続き
GH
PH
CCHF
core
core
N
aaa
core
21
22
Density Matrix (P) Initial Guessで初期値を作った後非線形方程式を解いている間(SCFサイクル)アップデートされ続ける
ERI (ab|cd) 理屈では一度計算してメインメモリにおけばいいのだが のため少し基底Nが大きくなると置けなくなるディスクIOは時間がかかり毎回演算するのがリーズナブルとなるが大変な処理
Density MatrixtimesERI = J-matrix Coulomb potential matrix
Density MatrixtimesERI = K-matrix HF exchange matrix
4NO
4NO
drdr
rrrrrrcdab dcba
||)()()()()|( SCCCF SCF ERI
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Gaussianを使う前に必要なこと(1)bull 計算計画を立てる
ndash 孤立系の量子化学計算でできることに絞るbull 化学反応が扱える
ndash 遷移状態計算
ndash 励起状態計算
ndash 量子化学計算は時間がかかるbull 大まかな構造溶媒をあらわに考慮した構造などは分子力場計算
が良いndash QMMM ONIOMで溶媒だけ古典計算する方法もある
ndash 動力学計算(時間パラメータ)は扱えない
ndash 周期系計算巨大分子は扱いが難しい(扱えるが大変)
ndash ただ最近の計算機は速いのでとりあえず流すというのも有効(とはいえ標準サイズ化合物でB3LYP6‐31G程度)
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Gaussianを使う前に必要なこと(2)bull 重要な入力パラメータ
ndash 初期構造bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算し
た物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull 結合長結合角二面角で指定するZ‐matrixが化学的な記述として良いし特定の結合角を見たいときなど出力も読みやすい
ndash 初期分子軌道bull 事前に同化合物同マシンで計算したcheckpoint fileがあるならGuess=readした方が計算が速い etc
ndash 基礎知識(計算理論基底関数計算手法など)bull HFは電子相関の一部が考慮できないPure DFT (BLYP etc)はvdw
が考慮できない6‐31G以上の基底関数でないとpoorすぎる etc
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Gaussianを使う前に必要なこと(3)bull プリポストプロセッサは色々あるが基本的にはど
れでも同じであるという認識
ndash 今回はWinmostarを使います
ndash GaussViewはGaussianに最適化されていますbull 入力ファイルを正確に読み込めるGUIであらゆるGaussianキー
ワードを指定できる etc
ndash Facio(フリー) Gabedit(フリー)など
bull 計算は実験値を予測するものというよりは実験では知ることが難しい or できないものを評価するものであるという認識
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計算のみの特許bull Gaussian98で計算されている
ndash コニカミノルタ特開2004-273389rarr特許4158562(有機エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置)
bull 請求項1の構成要件に計算値が入っていますが実施例ではまもともに実験しているので特許が認められたものと思われます従って「計算のみ」で特許になったわけではありませんしかしそれでもメインクレイムが計算結果で構成されている発明が認められていることは重大でして今や計算化学を特許戦略に組み込まなければならなくなったことを意味します
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計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
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Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Gaussianを使う前に必要なこと(1)bull 計算計画を立てる
ndash 孤立系の量子化学計算でできることに絞るbull 化学反応が扱える
ndash 遷移状態計算
ndash 励起状態計算
ndash 量子化学計算は時間がかかるbull 大まかな構造溶媒をあらわに考慮した構造などは分子力場計算
が良いndash QMMM ONIOMで溶媒だけ古典計算する方法もある
ndash 動力学計算(時間パラメータ)は扱えない
ndash 周期系計算巨大分子は扱いが難しい(扱えるが大変)
ndash ただ最近の計算機は速いのでとりあえず流すというのも有効(とはいえ標準サイズ化合物でB3LYP6‐31G程度)
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Gaussianを使う前に必要なこと(2)bull 重要な入力パラメータ
ndash 初期構造bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算し
た物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull 結合長結合角二面角で指定するZ‐matrixが化学的な記述として良いし特定の結合角を見たいときなど出力も読みやすい
ndash 初期分子軌道bull 事前に同化合物同マシンで計算したcheckpoint fileがあるならGuess=readした方が計算が速い etc
ndash 基礎知識(計算理論基底関数計算手法など)bull HFは電子相関の一部が考慮できないPure DFT (BLYP etc)はvdw
が考慮できない6‐31G以上の基底関数でないとpoorすぎる etc
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Gaussianを使う前に必要なこと(3)bull プリポストプロセッサは色々あるが基本的にはど
れでも同じであるという認識
ndash 今回はWinmostarを使います
ndash GaussViewはGaussianに最適化されていますbull 入力ファイルを正確に読み込めるGUIであらゆるGaussianキー
ワードを指定できる etc
ndash Facio(フリー) Gabedit(フリー)など
bull 計算は実験値を予測するものというよりは実験では知ることが難しい or できないものを評価するものであるという認識
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計算のみの特許bull Gaussian98で計算されている
ndash コニカミノルタ特開2004-273389rarr特許4158562(有機エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置)
bull 請求項1の構成要件に計算値が入っていますが実施例ではまもともに実験しているので特許が認められたものと思われます従って「計算のみ」で特許になったわけではありませんしかしそれでもメインクレイムが計算結果で構成されている発明が認められていることは重大でして今や計算化学を特許戦略に組み込まなければならなくなったことを意味します
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計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
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Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Gaussianを使う前に必要なこと(2)bull 重要な入力パラメータ
ndash 初期構造bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算し
た物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull 結合長結合角二面角で指定するZ‐matrixが化学的な記述として良いし特定の結合角を見たいときなど出力も読みやすい
ndash 初期分子軌道bull 事前に同化合物同マシンで計算したcheckpoint fileがあるならGuess=readした方が計算が速い etc
ndash 基礎知識(計算理論基底関数計算手法など)bull HFは電子相関の一部が考慮できないPure DFT (BLYP etc)はvdw
が考慮できない6‐31G以上の基底関数でないとpoorすぎる etc
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Gaussianを使う前に必要なこと(3)bull プリポストプロセッサは色々あるが基本的にはど
れでも同じであるという認識
ndash 今回はWinmostarを使います
ndash GaussViewはGaussianに最適化されていますbull 入力ファイルを正確に読み込めるGUIであらゆるGaussianキー
ワードを指定できる etc
ndash Facio(フリー) Gabedit(フリー)など
bull 計算は実験値を予測するものというよりは実験では知ることが難しい or できないものを評価するものであるという認識
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計算のみの特許bull Gaussian98で計算されている
ndash コニカミノルタ特開2004-273389rarr特許4158562(有機エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置)
bull 請求項1の構成要件に計算値が入っていますが実施例ではまもともに実験しているので特許が認められたものと思われます従って「計算のみ」で特許になったわけではありませんしかしそれでもメインクレイムが計算結果で構成されている発明が認められていることは重大でして今や計算化学を特許戦略に組み込まなければならなくなったことを意味します
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計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
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Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Gaussianを使う前に必要なこと(3)bull プリポストプロセッサは色々あるが基本的にはど
れでも同じであるという認識
ndash 今回はWinmostarを使います
ndash GaussViewはGaussianに最適化されていますbull 入力ファイルを正確に読み込めるGUIであらゆるGaussianキー
ワードを指定できる etc
ndash Facio(フリー) Gabedit(フリー)など
bull 計算は実験値を予測するものというよりは実験では知ることが難しい or できないものを評価するものであるという認識
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計算のみの特許bull Gaussian98で計算されている
ndash コニカミノルタ特開2004-273389rarr特許4158562(有機エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置)
bull 請求項1の構成要件に計算値が入っていますが実施例ではまもともに実験しているので特許が認められたものと思われます従って「計算のみ」で特許になったわけではありませんしかしそれでもメインクレイムが計算結果で構成されている発明が認められていることは重大でして今や計算化学を特許戦略に組み込まなければならなくなったことを意味します
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計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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計算のみの特許bull Gaussian98で計算されている
ndash コニカミノルタ特開2004-273389rarr特許4158562(有機エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置)
bull 請求項1の構成要件に計算値が入っていますが実施例ではまもともに実験しているので特許が認められたものと思われます従って「計算のみ」で特許になったわけではありませんしかしそれでもメインクレイムが計算結果で構成されている発明が認められていることは重大でして今や計算化学を特許戦略に組み込まなければならなくなったことを意味します
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計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
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Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標とエネルギー
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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計算方法の特許bull 遷移状態を算出する方法(反応解析分野)
ndash 山口大学特開2007-087514 rarr特許4324680 (化学反応遷移状態計算方法)
bull 複雑な物質においても効率的にかつ確実に遷移状態を求めることができる化学反応遷移状態計算方法
bull 計算方法(及び装置)のみを記した特許であるが計
算化学を利用して問題解決を図るという発明が認められることは今後企業において計算化学による諸問題の解決方法が主流になってゆく可能性があることを示していると考えられます
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Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Gaussianの入力ファイルbull Route()
ndash NPTがありPが一番詳細に出力が出る
bull Keywordndash B3LYP6‐31G opt freqなどのように計算内容を指定する
bull Checkpoint filendash 途中から計算を再開したいときに使える
bull mem nproc 対称性ndash 計算のパフォーマンスに影響する
bull Cartesian Z‐matrixndash 初期構造これの出来次第で収束結果が決まる
bull 他電荷(分子全体)とスピン多重度の指定
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
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11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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入力ファイル例 (test002comの一部)p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventionalrarr 詳細表示開殻系計算で一時微分を計算する
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr コメント
02 rarr 電荷スピン多重度
CX11 rarr ダミー原子
H1R2AH1R2A31200H1R2A3‐1200
R=107046 rarr C3V対称性を活用し自由度は6だが変数を2つに抑えている
A=9008384
Winmostar(Tencube)でtest002comを読み込んで3D表示したキャプチャ画像
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Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
閉会ご退出
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianの動かし方基本的にはWindows等コンソールマシンのGUIで分子モデリングし入力ファイルを作成するその後
bull スケジューラを使う方法ndash Winmostarから投げる 本日はこの方法を行います
bull インタラクティブな方法(Linux) 計算が速いndash GAUSS_EXEDIR
bull 各設定環境によって場所は異なる
ndash $GAUSS_EXEDIRg09 lt test397com gt log ampndash 途中経過を見る eg tail ndashf logndash 計算を途中で止める
bull ps aux | grep l502exe (linkファイル l502が一番多い)bull kill ndash9 process_num
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
FOCUS東工大TSUBAME
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
11 Oct 2011
8
3
6
5
1
ジョブスケジューラとは node0Job1Job2Job3Job3
node2Job6Job6Job6Job6
node1Job4Job4Job5Job5
8 7 6 5 4 3 2 1
Job Queue
cpu0cpu1cpu2cpu3
submit
computing nodes
jobs
24
7
スケジューラの使命=計算資源をじょうずに割り当てることによりグループ全体の業務効率を向上させる
scheduler
17Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
図提供 株式会社アンクル
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
製品名 開発元 提供形態 販売元
LSF Platform Computing (Canada) package 日本法人
PBS Altair Engineering (US) package 日本法人
Torque Cluster Resources (US) free download
Sun Grid Engine Oracle (US) free package 日本法人
LoadLeveler IBM(US) package 日本IBM
NQS (ParallelNavi) Fujitsu(Japan) system 富士通
Condor University of Wisconsin (US) free download アルゴグラフィックス(ベストシステムズ)
ShareTask ANCL (Japan) package andintegration
アルゴグラフィックス(アンクル)
ClodSynthe TS Technology (Japan) package andintegration
TSテクノロジー
ジョブスケジューラ製品
18Copyright (c) 2010 ANCL All rights reserved
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
11 Oct 2011
CloudSynthe‐ 科学技術計算用クラウド型ジョブスケジューラ ‐
19
bull Gaussuan GAMESS MOPACに対応
bull 難しいスクリプト不要GUI計算機へのインストール不要
bull データの集中管理高信頼性高可用性
bull 用途に特化異種構成計算機の管理柔軟な環境構築
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
FOCUS東工大TSUBAME
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Gaussianの豆知識bull 各種テスト入力ファイルがあります
$GAUSS_EXEDIRtestscomtest000‐919com
bull 付属ツールがあります『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p100
bull cubegen formchk freqmemあたりはよく使います
bull 基底関数を細かく指定するなら以下のサイトをご参照ください
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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プリポストプロセッサ
bull Gaussianは量子化学計算ソルバーで入力ファイル 出力ファイルの作成 解析が必要
プリプロセス 分子モデリングを行いGaussianの入力ファイルを出力するGUIソフトを使う
ポストプロセス 一般的な処理(軌道可視化など)はGaussian対応のGUIソフトを使い細かい処理はスクリプトを書いて出力ファイルを編集する
プリプロセス
WinmostarはGaussianに対応したプリポストプロセッサ
ソルバー(Gaussianなど) ポストプロセス
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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分子モデリングソフトのご紹介
2011101112(株)テンキューブ研究所 千田範夫
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
FOCUS東工大TSUBAME
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標とエネルギー
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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分子計算ソルバー
解析結果分子構造電子状態諸物性
初期座標作成
GUI
Winmostarは計算化学のGUI
MOPAC6MOPAC7CNDOS UV-VIS計算内臓
GaussianGAMESSのインターフェイス
分子モデリング
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Winmostar
計算ソルバー
初期構造の作成
分子軌道法計算
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarO 0 0 0 0 0 0 0 0 0H 11 1 0 0 0 0 1 0 0H 096 1 1017031 1 0 0 1 2 0
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
Winmostar
ATOM CHEMICAL BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLENUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES)(I) NAI NBNAI NCNBNAI NA NB NC
1 O 2 H 110000 13 H 96000 10170310 1 2
CARTESIAN COORDINATES
NO ATOM X Y Z
1 O 0000 0000 00002 H 11000 0000 00003 H -1947 9400 0000
H (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985) O (AM1) MJS DEWAR ET AL J AM CHEM SOC 107 3902-3909 (1985)
Winmostar 計算結果の表示
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Winmostar
MOPAC
初期構造の作成
Gaussian GAMESS
AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0561887 1 0141227 1 -0051262 1C 2055686 1 0141227 1 -0051262 1C -0135677 1 1349351 1 -0051262 1C -0135603 1 -1066940 1 -0051276 1C -1530648 1 -1067030 1 -0051881 1C -1530727 1 1349289 1 -0050688 1C -2228212 1 0141107 1 -0052122 1H 0414293 1 -2019246 1 -0051741 1H -2080528 1 -2019339 1 -0052320 1H 0414097 1 2301723 1 -0051189 1H -2080658 1 2301573 1 -0050570 1H -3327879 1 0141170 1 -0052347 1C 2772294 1 -0907074 1 0330290 1H 2512201 1 1079818 1 -0392969 1H 2315591 1 -1845660 1 0671929 1H 3870577 1 -0907139 1 0330287 1
nproc=1chk=temp hfsto-3g opt pop=full gfprint
Winmostar
0 1 C 0561887 0141227 -0051262 C 2055686 0141227 -0051262 C -0135677 1349351 -0051262 C -0135603 -1066940 -0051276 C -1530648 -1067030 -0051881 C -1530727 1349289 -0050688 C -2228212 0141107 -0052122 H 0414293 -2019246 -0051741 H -2080528 -2019339 -0052320 H 0414097 2301723 -0051189 H -2080658 2301573 -0050570 H -3327879 0141170 -0052347 C 2772294 -0907074 0330290 H 2512201 1079818 -0392969 H 2315591 -1845660 0671929 H 3870577 -0907139 0330287
$CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CARTMAXIT=200 NZVAR=0 $END$SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END$STATPT NSTEP=100 OPTTOL=00001 $END$SCF DIRSCF=T DAMP=T $END$BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END$GUESS GUESS=HUCKEL $END$DATA
WINMOSTARC1C 60 0561887 0141227 -0051262C 60 2055686 0141227 -0051262C 60 -0135677 1349351 -0051262C 60 -0135603 -1066940 -0051276C 60 -1530648 -1067030 -0051881C 60 -1530727 1349289 -0050688C 60 -2228212 0141107 -0052122H 10 0414293 -2019246 -0051741H 10 -2080528 -2019339 -0052320H 10 0414097 2301723 -0051189H 10 -2080658 2301573 -0050570H 10 -3327879 0141170 -0052347C 60 2772294 -0907074 0330290H 10 2512201 1079818 -0392969H 10 2315591 -1845660 0671929H 10 3870577 -0907139 0330287$END
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Winmostar
MOPAC
最適化構造等の表示
Gaussian GAMESSFINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=005 NOINTER GRAPHF
WinmostarC 0000000 0 000000 0 000000 0C 14552137 1 000000 0 000000 0C 14043771 1 119209930 1 000000 0C 14019990 1 121880034 1 179576125 1C 13936384 1 120443866 1 -335148 1C 13923264 1 120477867 1 480808 1C 13942141 1 120230379 1 010944 1H 11002215 1 119853105 1 179306624 1H 10999210 1 119785613 1 179958313 1H 11002815 1 119635040 1 -134566 1H 10999133 1 119861618 1 179741190 1H 10995030 1 120141006 1 -179925182 1C 13341522 1 125297409 1 160018598 1H 11054206 1 114610516 1 -179324700 1H 10975165 1 123339385 1 -197072 1H 10978945 1 121733960 1 -179650824 1
Standard orientation ---------------------------------------------------------------------Center Atomic Atomic Coordinates (Angstroms)Number Number Type X Y Z---------------------------------------------------------------------
1 6 0 0503998 -0220272 -00001262 6 0 1969356 -0528761 -00001483 6 0 -0409027 -1275771 00000214 6 0 0006287 1083702 -00001175 6 0 -1357523 1320837 -00000506 6 0 -1773405 -1039451 00000607 6 0 -2252633 0261201 00000968 1 0 0688368 1922773 -00002149 1 0 -1725120 2339146 -0000080
10 1 0 -0041377 -2293995 000005611 1 0 -2464726 -1872562 000015412 1 0 -3318658 0449294 000019113 6 0 2957529 0336353 000020114 1 0 2199453 -1588481 -000040415 1 0 2806108 1406081 000055616 1 0 3988459 0010719 0000125
COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS)ATOM CHARGE X Y Z
------------------------------------------------------------C 60 05192336834 02063122607 -00365509945C 60 19852351726 05113959093 -00656224857C 60 -03926593473 12621966129 -00061700146C 60 00217341044 -10975158112 -00375568067C 60 -13417475648 -13346889435 -00031120813C 60 -17564670302 10257329164 00317447881C 60 -22358642967 -02749589887 00340757328H 10 07042021192 -19357036635 -00717821413H 10 -17097666779 -23528441695 -00066767244H 10 -00246950089 22803076533 -00093118106H 10 -24473670151 18587501861 00589936709H 10 -33015376345 -04628730378 00621691208C 60 29673869516 -03422113142 01113764396H 10 22200575156 15558636530 -02388379420H 10 28068999317 -13936009373 03018845070H 10 40005119978 -00252610549 00787809767
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
FOCUS東工大TSUBAME
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標とエネルギー
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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有償 無償
MOLDEN
MOLEKEL
Ghemical
GaussView
Spartan
Gabedit
Avogadro
ChemCrat
SIGRESS
Winmostar(アカデミックフリー)
MolWorks(基本機能フリー)
HyperChem
Facio
Chem3D
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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1軽い2簡単(分子モデリング)3GaussianGAMESSMOPAC対応4ソルバーの起動(PCLinux機)5対応が早い(質問不具合新機能の要望)
Winmostarの特長
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
FOCUS東工大TSUBAME
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
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反応座標とエネルギー
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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fluorene
caffeine
isooctane
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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TencubeWM
TencubeWMはWinmostarの商用版です
TencubeWMは分子のモデリングから分子軌道計算計算結果の表示までをWindows上で実現するソフトウェアです
Winmostarの全機能に加えてWindows上のジョブスケジューラとUnix(Linux)マシンへのジョブ投入機能を有しています
MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)を内蔵しGAMESSとGaussianのインターフェイス機能もありますTencubeWMひとつでこれらのプログラムを利用した計算が可能になっています
マウスによるグラフィカルな分子の編集だけでなくZ-Matrixと分子を見比べながらの直接編集が可能動作が軽快など従来の計算フロントエンドツールとは一線をしています
分子構築機能操作方法は単純で直感的に操作でき初心者も
短時間で習熟できます原子単位の追加変更移動削除に加えて置換
基の追加や部分的に回転移動削除を行う機能にクリーン(分子力学による簡易構造最適化)機能を用いることで初心者でも簡単に分子構築を楽しむことができますまたZ-Matrix編集機能も備えておりMOPACやGaussianのZ-Matrix座標の設定も容易です
動作OSWindows 2000XPVista7
UV-VIS
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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テンキューブ研究所290-0026 千葉県市原市諏訪1-6-1TEL0436-25-1964 FAX0436-25-1964
httpwinmostarcom E-Mailsupportwinmostarcom
計算機能内蔵MOPAC6とCNDOS(紫外可視吸収スペクトル計算用)入力データ作成と起動殆ど全てのバージョンのMOPACGaussianGAMESS分子表面積体積Ovality(卵形度)アスペクト比の算出PIO解析
出力可視化機能最適化構造原子電荷双極子モーメントエネルギー準位ステレオ表示構造最適化反応座標解析アニメーション紫外可視吸収スペクトルNMRスペクトル赤外吸収スペクトル基準振動アニメーションベクトル分子軌道表示
IR
NMR
価格一般シングルユーザー yen99750教育機関シングルユーザー yen49350
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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MOPAC6 Gaussian(0309)
GAMESS(2010)
UVVIS
IR
NMR
CNDOSで計算 TDDFT等 TDDFT等
Winmostar主要なスペクトル計算
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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NMRスペクトル
計算時間(Core2Duo 226GHz)Gaussian(GIAO)2 min 49 secGAMESS(GIAO) 350 min
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Ovality(卵形度)=表面積の比 アスペクト比=長軸と短軸の比Aspect Ratio
143
LD=422
127
Winmostarで計算できる構造物性相関の記述子
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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イオン液体の構造と物性相関山本 博志
旭硝子(株)中央研究所
Journal of Computer Aided Chemistry Vol7 18-29 (2006)
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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LinuxクラスターLSF or PBS or Torque等GaussianGAMESS
計算ジョブ投入
計算結果
Linux機へのジョブ投入
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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FOCUS東工大TSUBAME
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Gaussianを用いた化学反応解析
2011101112(株)TSテクノロジー 山口 徹
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
ライセンシング
TSテクノロジー紹介
アダマンタン誘導体(エーテル類)I社
フォトレジスト用樹脂改質剤
CASSによる製品例
従来法 CASS適用新プロセス温度 0脱水剤 有収率 947
副生成物 44
温度 30脱水剤 無収率 990
副生成物 04反応条件を緩和し収率向上純度向上
不純物を111にすることに成功
製造原価10000円kg rArr 5000円kg (目標値)
お客様企業(製薬化学産業等)
株式会社TSテクノロジー
提携受託合成機関(ナード研究所 等)
CASS技術実施のスキーム(TSテクノロジー)「受託研究システム」
NDA締結
研究内容開示
調査質問
CASS受託研究実施
ディスカッション
追加CASS
研究結果納品
検証実験委託 結果納品
CASSによる研究受託実績(H21年度)
抗菌剤合成用有機触媒開発
(D社)
PET等樹脂分解における溶媒研究(C社)
有機層活性水層回収錯体触媒開発(K社)
製造プロセスの最適化
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
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モデリング実習
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
量子化学計算が適用できる分野1) 分子の最適構造
非経験分子軌道計算~200原子程度の分子の構造最適化
半経験分子軌道計算~1000原子程度のタンパク質の構造最適化が可能
異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差
溶媒効果振動解析分子の動的性質や分子認識
3) 反応解析遷移状態の構造活性化エネルギー極限的反応座標(IRC) 上での構造や
エネルギーの変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果
2) 反応性指数電荷分布フロンティア軌道理論の適用
フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー
4) 物性値可視UV光の吸収位置(TD-DFT法)赤外ラマン吸収の帰属(振動解析)NMRの化学シフト(GIAO法)
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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反応座標とエネルギー
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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反応座標(Reaction coordinate)とは
bull 反応はある盆地から他の盆地への移動を頭に描くと考えやすい
bull 2つの盆地を結ぶ道を考えるその道に沿って登ればやがて峠に至るもちろん峠(その道の最高点)で道を外れると山の中に入って行くが道に沿って下って行けば高度は下がりやがてもう一方の盆地に到達する
bull 峠は遷移状態でと考えられる歩いた距離(決して時間ではない)を横軸にとり高さを縦軸にとったグラフを作成するとエネルギーと反応座標の関係を示すグラフを描くことができる
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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極限的反応座標(IRC)とは
bull 極限的反応座標(Intrinsic Reaction CoordinateIRC)は福井の定義(K Fukui Acc Chem Res 1981 14 363)に基づいて計算することができる
bull IRCに沿った構造変化は遷移状態からの距離と1対1に対応するこの定義に基づいた計算を行うと遷移状態から連続的に変化する一連のエネルギーと構造が得られる
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
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遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
遷移状態の算出
ⅰ)遷移状態探索計算を行うための初期構造の作成
ⅱ)初期構造を用いた遷移状態の探索
ⅲ)振動解析を行い得られた構造がただ1つの虚の振動を有することを確認するこの基準振動が遷移状態での反応座標の方向を示す
1 2 3 A A A Frequencies -- -2466808 243381 814627 Red masses -- 77933 29493 23743 Frc consts -- 02794 00010 00093 IR Inten -- 471070 02053 11851 Raman Activ -- 00000 00000 00000 Depolar -- 00000 00000 00000 Atom AN X Y Z X Y Z X Y Z 1 16 006 -005 -005 004 000 002 001 001 -001 2 6 003 -002 -003 -010 015 -006 -011 007 016 3 1 -003 -006 -002 -020 015 -016 -021 006 005 4 1 001 001 -003 -008 011 -006 005 005 025 5 1 004 -001 -003 -009 029 002 -022 011 030 6 6 005 000 -003 -002 -022 -007 007 -002 -008 7 1 002 -001 -005 000 -019 -006 019 015 002 8 1 009 -001 002 -017 -025 -015 -012 -011 -003 9 1 003 002 000 008 -036 -008 019 -013 -027 10 6 035 -018 -037 -001 002 -001 -010 -008 -009
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
IRCによるTS反応座標の算出
ⅳ)極限的反応座標(IRC)の計算
遷移状態において反応座標(虚の振動数を持つ基準振動)の方向及び反対の方向に分子構造を変化させることにより計算を始める遷移状態からの距離とその距離に対応する構造エネルギーを計算する
ⅴ) 得られた結果を整理し反応座標に沿った構造変化の図を作成する計算に用いた遷移状態が予想 された反応物と生成物をつないでいるかを確かめる 図10-1 エチレンとブタジエンのDiels-Alder反応のIRCに沿った
構造とエネルギーの変化
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反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
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2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
反応の位置選択性
CHO
+
OCH3 OCH3
CHO
OCH3
CHO
+
1000実験結果
HF=-4623966089HF=-4624034384
計算結果
(43 kcal mol-1 安定)
>
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
2113
1423
1221
2258
22051711
1793
TS(SN2)00(-76558855)
TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
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ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
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TS(E2)115(-765570225)
1953
1814
反応選択性
実験結果
計算結果
>
C2H5Cl + Cl-C2H5OH + Cl-
C2H4 + Cl- + H2O
SN2反応
E2脱離反応
TSのエネルギー差(115 kcal mol-1)からSN2の方がE2反応に比べて優先的に起こることを示しておりこれは実験結果と一致すると考えられる
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
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(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
-遷移状態の探索法-
bull ミニマムエネルギーパス法
ndash Scan coordinate
bull エネルギー等高線図法
bull Saddle法
bull 置換基法置換基を与える分子の一部を環状構造にする
bull 遷移状態置換基法(特許4324680)
bull しかし遷移状態を求めるのはかなり大変なので忍耐と鍛錬が必要
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
反応解析の実態(光延反応)
本経路で合成可能(右肩下がり) 1(major) + 4(minor)の可能性rarr 検証実験 1 (81) + 4 (7) 実験結果は計算結果を再現
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
遷移状態を求めるには
bull大学の先生と共同研究を行う
(問題点)大学教授は忙しい結果が返ってくる時間(1年スパン)をとても待てない
bull操作法がやさしいモデリングソフト(Winmostar)とTSDB使い自ら計算を行う
(問題点)使っても遷移状態探索は大変
bullTSテクノロジーに相談する
計算化学の導入~研修~反応解析の実施~受託研究までトータルにサポート致します
httpwwwtstcljp
遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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遷移状態データベース(TSDB)
bull TSを効率よく求めるにはいかに良い(TSに近い)初期構造を与えるかがポイント
bull TSの構造が分からないから計算するのだが類似反応類似構造のTSは計算されていることがある
bull TSDBには多くの反応のTSが登録されている(α版公開中)
bull httpwwwtsdbjp
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TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
TSDB紹介
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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これより題目毎の解説
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
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閉会ご退出
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ハートリーフォック法および密度汎関数計算法による電子状態計算
bull ハートリーフォック法(前述)ndash 理論的に精緻だが電子相関が一部入らない
ndash 電子相関を考慮するには最低MP2レベルの計算が必要になり汎用デスクトップマシン
bull 密度汎関数計算(DFT)法ndash 交換相関汎関数による電子相関が考慮されるが汎関
数が極めて職人的に作られている
ndash 計算が速く結果もそこそこ合うため実用的には良く使われている
有機分子に対する計算はB3LYPという交換項をHFとDFTをハイブリッドした計算が常用されている
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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代表的な基底関数
bull STO‐3G基底ψs(ζ)= 0154329 exp(‐222766ζr2)+0535328 exp(‐0405771ζr 2)+0444635 exp(‐0109818ζ r 2)
bull 6‐31G基底内殻STO‐6G原子価軌道STO‐3G+1G
bull LANL2DZ 基底第一周期の元素DunningFujinagaのD95Na‐Bi Los Alamos ECP+DZ
bull 分極関数(Polarization Functionsやdfで表される)bull 広がった関数(Diffuse Functions+で表される)
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
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fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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質問に応じた入力ファイルの作成解析
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閉会ご退出
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基底関数について6‐31G基底は内殻の軌道はSTO‐6Gで記述し原子価軌道については3つのGaussian関数の線形結合で作る軌道と1つのGaussian関数の軌道である
y1s1=00334946exp(‐187311r2)+0234727exp(‐282539r2)+0813757exp(‐0640122r2) y1s2=exp(‐0161278r2)
例えば水素原子の場合以下の重ねあわせにより分子軌道が表現される
ψ= 042743 y1s1 + 066545 y1s2左図に示すように得られた軌道はSTO‐3Gに比べ水素原子の厳密解STOに対する波動関数の値が改善されていることが分かる
この波動関数により与えられるエネルギーは‐049823Hartreeと計算されるこれは実測値の996で十分に正確な値である
水素原子の1S軌道とSTO-3G6-31G基底の比較
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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基底関数の種類決め方指定方法
bull 基底関数の種類
Gauss基底の組みあわせで色々とある
(ex) 3‐21G 6‐31G etc
bull 基底関数の決め方
アニオンにはdiffuse関数を加えるetc
bull 基底関数の指定方法
EMSL Basis Set Exchange httpsbsepnlgovbseportal
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
He原子のエネルギー(実測値と計算値の比較)
実測(Hartree) 偏分法 RHF6-31g MP26-31g casscf(26)cc-pVQZCISDcc-pVQZ
-290372 -284766 -285516 -286636 -287997 -289699実測との差(eV) 1525 1321 1016 0646 0183
再現性() 981 983 987 992 998
))1()2()2()1((2
12121
実験結果から電子は粒子の交換について反対称であることが知られているまた電子はスピンを有しておりこのことを考慮した波動関数を考える必要があるこの条件を満たす1つ
の波動関数としてHartree-Fock積があげられる
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
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httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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計算の種類とその表記法
最適化 エネルギー 表記
RHF3-21G RHF3-21G RHF3-21GRHF3-21GRHF6-31G RHF6-31G RHF6-31GRHF6-31GRHF6-31+G MP26-31+G MP26-31+GRHF6-31+GMP26-31G CISD6-31G CISD6-31GMP26-31G
分子が大きい場合には低い基底関数しか用いることができないことがあるこのような場合最適化された構造を用いてより大きい基底関数電子相関を考慮したエ
ネルギー計算を行いエネルギーの補正を行うことがある
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初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮
bull 初期構造の指定方法bull これがダメなら収束しない or 計算時間がかかりすぎる上に計算
した物理量もおかしい
bull NISTのDB論文検索(Scifinderなど)分子力場計算やpoorな基底関数による事前最適化(Viewerに付属である場合が多い)骨格のみの最適化(末端はプロトン置換するとか) etc
bull Z‐matrixかcoordinate座標を用いる
bull Z‐matrix結合長(Å)結合角(deg)二面角(deg)の3つで各原子の位置を特定する
bull ダミー原子凍結対称性の考慮
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
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NMRスペクトル
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
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p rohf4‐31g pop=(regnpa) test force scf=conventional
Gaussian Test Job 002 (Part 1)METHYL RADICALC3V2‐A‐1UHF4‐31G STRUCTURE using L502 rarr C3V対称性
02CX11 rarr ダミー原子(実際に計算されない)を導入してZ‐matrixの記述を助けてる
H1R2AH1R2A31200 rarr プロトンの結合角を1200で凍結している
H1R2A3‐1200 rarr 同上
R=107046 rarr C3V対称性利用し自由度は3N‐6=6つあるのに変数は2つA=9008384
初期構造の指定方法Z‐matrixダミー原子凍結対称性の考慮(例 test002comの一部)
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
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iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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構造最適化の手順収束テクニックリスタート
bull 骨格以外をプロトン化してまず計算
bull 基底関数をpoorにするなどしてまず計算
bull 分子力場計算や半経験的にまず計算
bull 大きな分子の場合Forceとdisplacementだけの判定だと振動することがあるのでOpt=(MaxStep=N)やIOP(18=N)によって核の変位を小さくする 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』p170
bull chk=hogechkとしておいてOpt=restartで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタートさせられる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
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実習実演
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基準振動解析の手順遷移状態探索熱力学的諸量計算
bull エネルギー二次微分に関係する物理量ndash Freqキーワードで振動数解析が可能 (ex) RHF6‐31G freqndash 最適化済の構造で行わないと変な値が出る
bull 遷移状態探索(ex) RHF6‐31G opt=(TS CalcFC NoEigentest) QST3も可
構造が正しいかを確かめるため至った遷移状態構造でFreqして固有値に負の値が1つ出ていれば第一遷移状態にあると分かりGUIで反応の方向を確認できるその後productreactantに正しく戻るかをさらにチェックするためにIRCを用いる
bull 熱力学諸量はFreq=ReadIsotopeでより深く計算できる
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
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モデリング実習
fluorene
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
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NMRスペクトル
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
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httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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分子軌道から分かることHOMOLUMObull 各軌道係数に対応する
各軌道エネルギー値で一番マイナスが小さいのがHOMO一番プラスが小さいのがLUMOとい
うことになるこのフロンティア軌道が反応性の中心となりGUIで反応
性を確認するのが望ましい
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静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
NMRスペクトル
スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
閉会ご退出
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
静電ポテンシャル電荷密度行列解析
bull pop=mkで得られる
量子化学計算のアウトプットから得られる各原子の点電荷として最適な値が得られる
bull 密度行列
ndash SCFのプロセスの中で使われる初期密度行列はHuckelなどの方法で決定する
ndash Mulliken電荷などの計算のベースになる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
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httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Counterpoise補正を用いた相互作用エネルギー計算bull 入力例
MP26‐311G counterpoise=2 Opt Freq Scanなどと併用可能
bull BSSE (Basis Set Superposition Error)補正が主目的結合エネルギー過大評価の補正
bull Size‐consistencyが重要になるndash 水の二量体を考えると2つの水分子が離れていき水分子間の距
離が無限大になると2つ水分子間に相互作用がなくなり以下成立
ndash 摂動法やクラスター展開法はMP2法やCCSD法以外の次数のものでもsize‐consistentだがCISD法のような途中で展開を打ち切った配置間相互作用法はsize‐consistentではない
OHEOHE 222 2
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
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シングルポイントエネルギー計算
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
基底関数重なり誤差(BSSE)
RHF3-21G RHF6-31+G(d) B3LYP6-31+G(d) B3LYPD95v+(dp)
OH- -7486863 -7537642 -7579668 -7582165
NAA -24562519 -24700968 -24853367 -24858035TD -3205926 -32241963 -32436388 -32443594E -62 -21 -21 -213
Counterpoise -32051731 -32241511 -32435743 -32442986E(Counterpoise) -147 -182 -17 -175
BSSE -472 -28 -4 -38
四面体中間体生成に伴う安定化エネルギーの基底関数依存性
HN
O
OH-
HN
OH
O
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
Gaussian 09 Keywordshttpwwwgaussiancomg_techg_url_keywords09htm
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
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ONIOMbull test369で実習します
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
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励起状態計算とは
bull 入力例
p CIS(Nstates=20 Direct) 6‐31+G(d) guess=read他SAC‐CIなど(非常に複雑なので割愛します)
bull 基底状態ではない化合物の物性を計算する
bull CIS以外はTD(‐DFT ‐HF)など etc(ex) p TD(Nstates=13 Singlet) b3lyp6‐31+g(d) Density=SCF IOP(940=4)IOP(940)は励起状態の対称性を調べるのに有用
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian03とGaussian09の違い
(参考URL)Changes Between Gaussian 09 and Gaussian 03httpwwwgaussiancomg_techg_ura_gdiffs09htm
Gaussian 09 Features at a Glance httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtm
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
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ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
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シングルポイントエネルギー計算
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
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ONIOMによるQMMM計算bull 入力例
p oniom(ccsd(t)6‐31g(d) hf6‐31g(d))
Title Card Required rarr 何かコメント
0 1 0 1 0 1 rarr 全系の電荷 スピンHighモデルの電荷 スピンLowモデルの電荷 スピン
bull リンクアトムがHighモデルの計算時に必要
bull 参考文献ndash 『すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル』 p207ndash 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』 p86
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
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ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
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ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
11 Oct 2011 Copyright (C) 2011 X-Ability CoLtd All rights reserved
実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Gaussian09で追加された主な機能Gaussian公式サイトより引用
httpwwwgaussiancomg_prodg09_glancehtmbull Initial guess generated from fragment guesses or fragment
SCF solutionsbull long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and
variations Hiraorsquos general LC correctionbull IRC for ONIOM QMMMbull Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull Franck‐Condon analysis (photoionization) bull CI‐Singles and TD‐DFT in solution bull New implementation of the Polarized Continuum Model
(PCM) facility for energies gradients and frequencies
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
子密度は計算の収束を速める
ndash Fragment SCFbull 分割されたGuessを集めてIntial guessを構築する
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_guesshtmndash Guessndash 例chk=FragGuess mem=64mw P UBP866-
311G(d) Guess=(Fragment=8Only) Pop=None Fe2S2 cluster with phenylthiolates
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_dfthtmLC‐wPBE wPBEの長距離補正
CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
wB97XD Head‐Gordonと同僚のempirical dispersionを含んだ最新関数 wB97とwB97Xも利用可能でこれらの関数も長距離補正されている
ndash 他BLYPなど既存のPure DFT汎関数にLCをつける eg LC‐BLYP
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IRC for ONIOM QMMMbull 意味
IRCは遷移状態構造が正常なのかどうかを確認するために遷移状態から正しいproductとreactantの方向に戻るかどうかをチェックする計算
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_oniomhtmONIOM計算においてIRC=RCFCが指定できるようになった
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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実習の前に
bull Gaussianはライセンスの問題で今回の入力
ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
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bull Guestアカウントでリモートログインしていただきます
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
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Initial guess generated from fragment guesses or fragment SCF solutionsbull 意味
ndash Intial guess 初期電子密度bull 初期構造と初期電子密度で収束が判定されるので良い初期電
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long range‐corrected LC‐wPBE CAM‐B3LYP WB97XD and variations Hiraorsquos general LC correctionbull 意味
DFTは長距離相関において非クーロン項(交換相関項)が急速にdie offするため結果を補正する必要があるので平尾先生のLong range correlationが必要
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CAM‐B3LYP Handyと同僚のCoulomb‐attenuating methodを使ったB3LYP長距離補正
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
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bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
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CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
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溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
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ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
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ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
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bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
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溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
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ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
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ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
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ファイル出力ファイルは持ち帰ることができません
今回サイトライセンスをもっている計算科学振興財団のサーバを使います
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モデリング実習
fluorene
caffeine
iso‐octane
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シングルポイントエネルギー計算
bull エチレンで実習します
bull Opt=modredundant amp Scanキーワード
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構造最適化スチレンで実習します
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振動数計算赤外吸収スペクトルスチレンで実習します
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
スチレンで実習します
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NMRスペクトル
スチレンで実習します
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ONIOMbull test369で実習します
bull 『Gaussianプログラムによる量子化学計算マニュアル』p86 イソブタンの例
bull test369370371372410443hellipcom etc
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分子軌道表示PIObull 分子軌道表示
スチレンのHOMO
bull エチレン-ブタジエン系
PIO研究会のホームページを参照のこと
httpwwwrsicojpkagakucspiousagehtmlvisual
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実習実演
質問に応じた入力ファイルの作成解析
他質問回答
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閉会ご退出
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Dynamic Raman Optical Activity (ROA) intensitiesbull 意味
Dynamic Ramanによる光学特性が計算できる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash ROA
bull GIAOsを使ってRaman工学活性を計算できる
bull Freq=ROA
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Franck‐Condon analysis (photoionization)
bull 意味フランクコンドンの原理に基づいた計算ができる
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_freqhtmndash 基底状態と励起状態の両方の扱いが必要
ndash FCHTFranck‐Condon Herzberg‐Teller methodで計算できる
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
CI‐SingleとTD‐DFTの溶液中の計算が可能になった
bull Keywordhttpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmCISとTDの計算にSCRFキーワードを追加すれば使える
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
bull Keywordndash httpwwwgaussiancomg_techg_urk_scrfhtmndash SCRF=PCMをopt freqなどと併用すればよい
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Gaussian09で改善された主な性能bull 各種並列計算の高速化
ndash Lindaによるノード並列でFMMによるlinear scalingが行われるようになった
ndash OpenMPによる各種スレッド並列が高速化した
ベンチマーク結果は次ページ以降
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マルチコア活用メモリ活用によるディスクIO改善などHPC手法の重要性
bull 量子化学計算は時間がかかるので時間を減らすため今まで難しかった計算を可能にするために各種テクニックが存在する
ndash OpenMPによるノード内並列計算(共有メモリ型)
ndash メモリを増やすとサイズが小さければERIが全部のって圧倒的に高速になる
ndash HDDをSSDにすることでディスクIOを高速化する
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Gaussianでエラーのときは
bull Raw outputの最後のエラーメッセージを見る
bull わからなければwwwcclnetを検索
bull それでも解決できなければGaussian社のサポート helpgaussiancom に聞く
ndash 英語のみの対応
ndash 有償利用契約者のみ受けられるサービス
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GaussianとWinmostarを使った計算の実際
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シングルポイントエネルギー計算
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紫外可視吸収スペクトル励起状態計算(TDDFT)
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ONIOMbull test369で実習します
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CI‐Singles and TD‐DFT in solutionbull 意味
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New implementation of the Polarized Continuum Model (PCM) facility for energies gradients and frequenciesbull 意味
溶媒効果を連続誘電体モデルで近似
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