量子化学計算勉強室

CD付きで本になりました。　　「はじめての量子化学計算＜基礎と可視化＞」（工学社）

学生時代に量子化学を習ったことはあるが、量子化学計算をしたこともないという方は多いと思います。　今パソコンで計算できる時代になりました。 さて、計算するとして、あなたは

プログラムの自作派？　 それとも借用派？

ノニオン界面活性剤のHLBと水溶性(自作プログラムで計算:こちら）、 最新技術におけるアルカリ・ルイス酸触媒反応(PC-GAMESSで計算:こちら）を見てください！ いずれの方法でも、実用的問題の解析も十分に行えます。身近な実務的問題の解析は 学術的に取り上げられることが少なく文献を読めば分かるということはありません。そこで、学術的詳細検討は無視し、 兎に角計算してこんなところであろうと理解することで良しとします。この姿勢を貫くのが「下町」の「下町」たる所以です。

<自作 Excel_VBA Program>	<公開Program群 ： PC_GAMESS/Facio/Molekel>

量子化学計算って小難しくて面倒だ。やるなら人のソフトを使用すればよいと思っている方は多いと思います。 しかし計算方法の内容（物理学的意味）が分かっていなくては無償のソフトを入手しても使いこなす事ができませんし、 将来より高度な発展した形での計算法を開発することもできません。 量子化学計算でどんな事が計算でき、どんな事が分かるのかが、分かっていなければ、有償のソフトを購入す べきか、それで足りるのか、または大学の研究室で勉強しなければならないのかも判断がつきません。 こんなに大上段に構えた言い方をしなくとも、分子軌道の単純な図 （こちら)ですら自作ソフトならではの理解が得られます。 そんな意味から、大学の化学系の学生の皆さんも、実業界で化学の研究業務を担当されている方々も、プログラムを自作して 量子化学計算の意味合い・有用性・限界等理解されることは重要なことと思います。

残念なことに、種々の教科書・参考書等を勉強しても、基本的なことばかりで、手取り足取りの懇切丁寧さが足りず、 観念論的には理解できても現実的に計算できないのが実情です（もっとも学術論文を探索すれば可能なのかも知れま せんが、一般人の我々には入手が大変なものです）。我々が

苦労して探し求めたポイントをすべて (プログラム自作を見て下さい）書いています。

我々は、Windows対応のパソコンを使用している人なら誰でも使えるExcel/VBAでプログラムを作り ましたが、計算速度を速くしたい・分子数を多くしたい・高度な基底関数を使用したい人は、無償のＣ言語（ Visual C++ 2008 Express Edition）でもいいでしょう。もっとも不特定多数の使用を 考えなければ高級な有償の開発プログラムを使用するのが好ましいでしょう。あなたも是非挑戦してみて下さい。　　

それでも、自作する時間もない方のために、極々簡単に、無償のソフトの代表的組合せとして、

PC_GAMESS/Facio/Molekelの入手・使用 (無償ソフト入手を見て下さい）について紹介しています。

参考にしてください。自作ソフトの検証にも使えます。

ノニオン界面面活性剤のHLBと水溶性     by Excel_VBA Program

高級アルコールＥＯ付加物であるノニオン界面面活性剤で、経験的に知られていた水可溶最少ＥＯモル数、 従い最小ＨＬＢが計算できます。

高級ｱﾙｺｰﾙEO付加物　　CnH2n+1-(O-CH2-CH2)m-OH	EO水和検討図　<赤：炭素><黄：酸素><緑：水素>
ｱﾙｷﾙ基炭素数(n)と水可溶EOﾓﾙ数(m) n>=10では、EOが m=n-3 ﾓﾙあれば水に溶解し始める	ｱﾙｷﾙ基炭素数と水可溶HLB 左図より、「高級ｱﾙｺｰﾙEO付加物であるノニオンは、HLB14前後以上以上あれば水に溶ける」ことが分かる
⇒

最新技術におけるアルカリ・ルイス酸触媒反応    by PC_GAMESS/Facio

ウレタン素材のポリオール合成法に関する、某社の最近公表の技術です。アルコールとプロピレンオキシドの反応触媒として 従来のアルカリ触媒より「嵩高いルイス酸」の方が、望ましい１級OH-PPGが得られるという特許内容が計算できます。

ﾙｲｽ酸触媒ﾄﾘｽ(ﾍﾟﾝﾀﾌﾙｵﾛﾌｪﾆﾙ)ﾎﾞﾗﾝによるｱﾙｺｰﾙとﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝｵｷｻｲﾄﾞの反応モデル
反応前	反応後(下図は２級OH）１級OH：-CH2-OH、２級OH：-CH(CH3)-OH *** 反応動画を見る ***
触媒と１級OH-PPG生成比率	ルイス酸触媒でのPPG生成反応(IRC)図
	<==
<ｱﾙｶﾘ触媒> KOH、 <ﾙｲｽ酸触媒90度> BF3、 <ﾙｲｽ酸触媒64度> ﾄﾘｽ(ﾍﾟﾝﾀﾌﾙｵﾛﾌｪﾆﾙ)ﾎﾞﾗﾝ

原子＆分子軌道     by Excel_VBA Program

HF-SCFの解として得られるZn原子軌道図を描くと下図となります。ｐ軌道、ｄ軌道はこんな図がよく見られますが 直感的にも球対称であるべき軌道に方向性があります。信じられますか？
２ｐ軌道、３ｐ軌道、３ｄ軌道それぞれのグループの各軌道はすべて同一エネルギーです。同一エネルギーの軌道は下 に述べるように合併軌道とみなすべきで、これらはすべて球対称となります。（勿論全軌道の合併軌道は当然球対称です。）

同様にベンゼンの最高被占軌道HOMOも、またその直下の軌道も、同一エネルギーの分子軌道が２つ縮退しており、HF-SCF の解（これを正準軌道と言います）のままだと対称性の乱れた図となります。奇妙に思いませんか？　
実は同一エネルギーの軌道は、直交するという条件の下では、それらの１次結合も解であるので、後者の軌道では 右下図のような軌道はすべて解となります。２つの軌道の和（合併軌道と呼ぶことにしましょう）は、どんな解に 対しても対称性の満足できる軌道となります。（あたかもこれらの軌道それぞれに４つの電子があるといえましょう。）

             典型的な簡単分子の正準軌道を、合併軌道・局在化軌道と共に、
　　　　　　　　　　　　　     　　　H2O 　水                                          
                                     CH4 　メタン
                                     C2H2　アセチレン
                                     C2H4  エチレン
                                     CO　  一酸化炭素
                                     NH3 　アンモニア
                                     HCl 　塩化水素
                                     C3H6　シクロプロパン
                                     C6H6　ベンゼン
        　　　 下段のプログラム自作分子軌道図に示しているので参考までにご覧下さい。

公開ソフトでは、このような状況を説明してはくれません。自作プログラムでは、自作の過程で思わぬ事に気付いたり、 気になる現象を解析するためソフトの変更が簡単に行えたり、結構役にたつものです。

プログラム自作分子軌道図     by Excel_VBA Program

＜H2O＞
           
                
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＜CH4＞
               
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＜C2H2＞
                
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＜C2H2＞
                
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＜CO＞
               
                
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＜NH3＞
                
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＜HCl＞
               
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＜C3H6＞
                
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＜C6H6＞
         
                                                                                       
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