MolForma

題材1 原子と結合から組む（エタノール）

骨格や置換基のテンプレートを使わず、原子のボタンと「配置」「結合」「削除」ツールだけで分子を組みます。炭素を1個置くとメタンになり、その水素をクリックすると炭素に、もう1つの水素をクリックすると酸素に置き換わって、クリック3回でエタノールができます。B3LYP/6-31G*の構造最適化と振動数計算まで通し、応用としてアセトアルデヒドとジメチルエーテルも組みます。

作るもの 内容
分子 エタノール C₂H₆O（9原子・電荷 0・一重項）
使う機能 原子の配置と水素の置き換え、水素自動補完、全体整形、距離・角度の測定、削除、結合の種類、結合への原子の挿入
計算 B3LYP/6-31G*、最適化 → 振動数
計算時間の目安 約2分（MPI 4プロセス）
計算環境 AMD Ryzen 7 2700X（8コア・16スレッド）、メモリ 32 GB、NWChem 7.3.1（Linux）
練習データ ethanol.molforma.json（整形後の初期構造と計算条件）

組み立てたエタノールと距離の表示

1. 炭素を1個置く

  1. 「ファイル → 新規」で空の分子にします。

  2. 左の部品パレットの元素のボタンで「C」を押します。左端の列のツールが「配置」に変わり、3D画面の上に「配置する部品 炭素（C）」と「結合の種類」が出ます。

    「C」を押した直後の「1 分子」。パレットの「C」と「炭素」が選ばれ、左端の列は「配置」、3D画面の上に「配置する部品 炭素（C）」「結合の種類 単結合」「水素自動補完」が出ている

    図1 「C」を押すとツールが「配置」になり、3D画面の上に置く部品と結合の種類が出ます。

  3. 3D画面の上の「水素自動補完」がオン、「結合の種類」が「単結合」であることを確かめます。前の作業で二重結合のままになっていると、次の手順でエチレンができます。

  4. 3D画面の空白を1回クリックします。炭素に水素が4個付いたメタン（CH4 · 5原子）になります。最初の原子は、どこをクリックしても原点に置かれます。

    空白をクリックしてできたメタン。C1に水素H2〜H5が付いている

    図2 空白をクリックすると、炭素に水素が4個付いたメタン（CH4 · 5原子）になります。図2以降は、原子が重ならないよう3D画面を左ドラッグで回しています（視点だけが変わり、座標は変わりません）。

ラベルの番号（C1、H2…）は「4 入力プレビュー」の座標の行の順番と同じで、原子を足したり消したりするたびに1から振り直されます。番号を頼りに操作するときは、1手ごとに画面の番号を見直してください。

2. 水素を炭素・酸素に置き換える

「配置」ツールでは、クリックした場所によって動作が変わります。

クリックした場所 動作
空白 その場に新しい原子を置く（つながらない別の分子になる）
水素 選んだ元素でその水素を置き換え、元の結合の向きに置く
水素以外の原子 その原子から結合を伸ばして置く（置き換えられる水素があれば1個を置き換える）
結合 2原子の間に挿入する（応用で使います）

  1. 「C」のまま、水素の1つ（例: H2）をクリックします。エタン（C2H6 · 8原子）になり、新しい炭素にも水素が補われます。

    H2をクリックしてできたエタン。C1とC5に水素が3個ずつ付いている

    図3 H2をクリックすると、その水素が炭素C5に置き換わってエタン（C2H6 · 8原子）になります。

  2. 「O」を押し、最初の炭素C1に付いている水素をクリックします。エタノール（C2H6O · 9原子）になり、酸素に水素が1個補われます。

    「O」でC1の水素をクリックしてできたエタノール。C1に酸素O8が付き、O8に水素H9が補われている

    図4 「O」に切り替えてC1の水素をクリックすると、エタノール（C2H6O · 9原子）になります。

ウィンドウ下端のステータスバーに分子式・原子数・結合数・電荷・多重度が出ます（C2H6O · 9 原子 · 8 結合 · 電荷 0 · 多重度 1）。クリック1回が「元に戻す」（Ctrl+Z）1回に対応するので、置く場所を間違えたら1手ずつ戻せます。

3. 形を整えて確かめる

水素補完は空いている向きに水素を置くだけなので、二面角（メチル基やO–Hの向き）は成り行きです。

  1. 3D画面の上の「全体整形」を押します。力場で整えた構造が候補として琥珀色の帯に表示されます（「変更候補: 構造を整形」）。

    「全体整形」の候補。3D画面の上の琥珀色の帯に「変更候補: 構造を整形」と「候補を取消（Esc）」「変更を確定（Ctrl+Enter）」が出て、動く原子が橙の輪で示されている

    図5 「全体整形」の結果は候補として表示されます。琥珀色の帯の「変更を確定」で適用し、「候補を取消」でやめます。

  2. 形を確かめて「変更を確定」（Ctrl+Enter）を押します。やめるときは「候補を取消」（Esc）です。

  3. 左端の列で「選択」（S）にし、C1をクリックしてからO8をShift＋クリックします。3D画面の左下に「距離 C1 – O8 = 1.4207 Å」のように表示されます。3原子を順に選ぶと角度（頂点は2番目の原子）、4原子では二面角が出ます。

    C1とO8を選んだところ。3D画面の左下に「距離 C1 – O8 = 1.4207 Å」と寸法の入力欄が出ている

    図6 C1とO8を選ぶと、3D画面の左下に距離が出ます。値を入れて「寸法を適用」を押すと、その距離に変わります。

数値を入れて「寸法を適用」を押すと、その距離・角度・二面角になるよう後に選んだ原子の側が動きます（題材5）。

4. 計算条件を決める

  1. ヘッダーの「2 計算条件」を開きます。
  2. 「基本設定」で、計算目的を「最適化 → 振動数」、電子状態の手法を「DFT」にします。DFT汎関数は既定の「B3LYP」のまま、基底関数を「6-31G*」にします。
  3. 「電荷・スピン」で全電荷 0・スピン多重度 1を確かめます。参照波動関数の欄の下に「→ RKS（閉殻）」と出ます。

  4. 右の検査結果のカードが「入力を生成できます」であることを確かめます。

    「2 計算条件」の「基本設定」。計算目的「最適化 → 振動数」、手法「DFT」、DFT汎関数「B3LYP」、基底関数「6-31G*」が選ばれ、右に「入力を生成できます」と既定から変更した条件3件が出ている

    図7 計算目的・手法・基底関数を選ぶと、右の欄に「入力を生成できます」と、既定から変えた条件が出ます。

5. 計算して結果を見る

  1. 「4 入力プレビュー」で、geometry に9原子が並び、末尾が task dft optimize と task dft frequencies の2行であることを確かめます。

    「4 入力プレビュー」。左の「入力の構成」にブロックの一覧、中央に9原子の geometry と末尾の task dft optimize・task dft frequencies が並んでいる

    図8 「4 入力プレビュー」。左の「入力の構成」で各ブロックへ移動できます。

  2. 初めて計算する場合は「3 実行設定」で、NWChemの実行ファイル・MPIの起動数・ジョブ保存先を確かめます（「実行前の確認」が「実行できます」）。

  3. ヘッダーの「計算を実行」（F5）を押します。右側に実行パネル（「実行状況とログ」）が開き、構造最適化のステップとGmax・Grmsなどの収束判定、続いて振動数のtaskの進み具合を表示します。

    計算中の「実行状況とログ」。「1 構造最適化 実行中」「2 振動数 待機」と、Gmax・Grms・Xmax・Xrmsの現在値と目標、その下に標準出力のログが出ている

    図9 計算中の実行パネル。taskごとの状態と、構造最適化の収束判定（Gmax・Grms・Xmax・Xrms）の現在値と目標が出ます。

  4. 終了すると「結果ビューア」に読み込まれ、ステータスバーに「計算が終了しました: 最適化: 収束 · E = −155.033797408 Eh（DFT） · 虚振動 0個」と出ます。

  5. 「結果ビューア」の「概要」で、構造最適化（収束・ステップ数）、虚振動、HOMO–LUMOギャップ、双極子モーメント、熱化学を確かめます。「振動」タブではIRスペクトルとモードの表を見られ、行を選んで3Dビューの下の再生ボタンで振動を動かせます。

    「結果ビューア」の「概要」。計算のエネルギー −155.033797408 Eh、構造最適化 収束、虚振動 なし、HOMO–LUMOギャップ 9.20 eV、双極子モーメント 1.56 D と熱化学が並んでいる

    図10 「結果ビューア」の「概要」。計算のエネルギー、最適化の収束、虚振動、HOMO–LUMOギャップ、双極子モーメント、熱化学が並びます。

    「振動」タブでO–H伸縮（3750.7 cm⁻¹）の行を選んだところ。上にIRスペクトル、左の3Dビューの下にモードの再生ボタンと振幅が出ている

    図11 「振動」タブでO–H伸縮（3751 cm⁻¹）を選んだところ。3Dビューの下の再生ボタンで振動が動きます。

実行した結果

項目 値
計算のエネルギー −155.033797408 Eh（振動数の参照構造）
構造最適化 8ステップで収束
虚振動 なし（振動 21、並進・回転 6 は除外）
結合長 C–O 1.425 Å、C–C 1.520 Å、O–H 0.969 Å
O–H伸縮 3751 cm⁻¹（スケーリングなし）
双極子モーメント 1.56 D
HOMO–LUMOギャップ 9.20 eV
ゼロ点補正 / Gibbs補正（298.15 K） 50.37 / 34.45 kcal/mol

エタノールにはOHの向きが違う配座（anti・gauche）があります。二面角 H–O–C–C を変えて別の出発点から最適化してみるのも良い練習です。

応用: 削除・結合の種類・挿入

アセトアルデヒド（水素を2個消して二重結合にする）

  1. 手順2のエタノール（整形前でもかまいません）で、左端の列の「削除」（X）を選び、O–Hの水素をクリックします。削除は候補として表示されるので「変更を確定」します。水素だけを消したときは、「削除後に水素で終端化」がオンでも水素は補いません。

    「削除」ツールでO–Hの水素H9をクリックしたところ。H9に赤い×印が付き、琥珀色の帯に「変更候補: 選択原子を削除」と「×削除 1」が出ている

    図12 「削除」ツールで水素をクリックすると、消える原子に×印が付いた候補になります。

  2. 同じようにC1の水素を1個削除して確定します。C2H4O · 7原子になります。
  3. 「結合」（B）ツールにし、3D画面の上の「結合の種類」を「二重結合」にして、C1とOを順にクリックします。すでに結合している2原子なので、新しい結合は作らずに次数だけが変わります（3D画面にフォーカスがあるときは、2原子を選んで「2」キーでも同じです）。

  4. 次数を変えても結合長は変わらないので、「全体整形」で整えます。

    C1とO7の間を二重結合にして整形したアセトアルデヒド。C1=O7が二重線で描かれている

    図13 二重結合にして整形したアセトアルデヒド（C2H4O · 7原子）。

ジメチルエーテル（結合に原子を挿入する）

  1. 「ファイル → 新規」から手順1・2の前半でエタン（C2H6）を作ります。「結合の種類」は「単結合」に戻しておきます。

  2. 「O」を押し、C–C結合の線の上をクリックします。2つの炭素の間に酸素が入り、C2H6O · 9原子になります。

    エタンのC–C結合の上を「O」でクリックしたところ。C1とC5の間に酸素O9が入っている

    図14 C–C結合の上をクリックすると、2つの炭素の間に酸素O9が入ります（整形前）。

  3. 挿入した原子は、共有結合半径から決めた結合長（C–O 1.42 Å）と四面体角（C–O–C 109.5°）の位置に置き、小さいほうの断片を外側へずらします。「全体整形」で整えると C–O–C は約111.5°になります。環の中の結合に挿入した場合は、ほかの原子を動かさず、結合の線から外した位置に置くので、「全体整形」で環を広げてください。

うまくいかないとき

関連: 「1 分子」の画面・ツール・選択（ツールと部品パレット・選択・削除・候補）、題材5 鎖状分子と配座、題材15 同位体。