WinMostar を 用 いた 計 算 化 学 実 験 序 WinMostar の 使 い 方 以 下 に WinMostar プログラムの 初 期 ウィンドウを 示 した 1. 分 子 表 示 ウィンドウ 1 4~9のボタンを 使 って 作 成 する 分 子 が 表 示 される 領 域 2. MOPAC 計 算 のキーワードとタイトルを 入 力 するテキストエリア 2 3. Z-Matrix テキストエリア 3 4. Add ボタン 4 選 択 された 原 子 の 上 に 新 たな 原 子 を 追 加 する 1
5. Del ボタン 5 選 択 している 原 子 ( 太 い 丸 で 囲 まれた 原 子 )を 消 去 する 原 子 を 選 択 するには 該 当 する 原 子 を 単 にクリックする 6. -CH3, -C2H3, -C6H5 ボタン 6 置 換 を 行 うときの 相 当 する 置 換 基 を 設 定 する 7. 置 換 基 プルダウンメニュー 7 置 換 を 行 うときの 置 換 基 を 選 択 して 設 定 する 8. Rep ボタン 8 6, 7で 選 択 した 置 換 基 で 選 択 している 原 子 を 置 換 する 9. 元 素 プルダウンメニュー 9 元 素 変 更 を 行 うときの 元 素 を 設 定 する 10. Chng.ボタン 10 選 択 している 原 子 の 元 素 を 9で 設 定 した 元 素 に 変 更 する 実 験 1 分 子 の 内 部 座 標 (Z-matrix)と 構 造 最 適 化 I. メタンの 作 成 と 構 造 最 適 化 1. メタンの 作 成 とファイルの 保 存 i. Winmostar の 起 動 直 後 またはファイルメニューから 新 規 を 選 択 した 場 合 分 子 表 示 ウィンドウには 以 下 のように 表 示 されている -CH3 ボタンをクリックし 続 いて 炭 素 ( 暗 緑 色 の 部 分 )をクリックすると メタンが 表 示 される 2
i ファイルメニューから 名 前 を 付 けて 保 存 を 選 択 する iv. 適 当 な 場 所 に ファイル 名 methane.dat として 保 存 する ( 注 :ファイル 名 は"methane"だけを 入 力 すればよい) 2. Z-Matrix の 編 集 i. MOPAC 計 算 のキーワードのテキストエリア(1 行 目 )に PM3 EF PRECISE VECTORS と 入 力 する デフォルトのキーワードは 計 算 メ ニューの MOPAC パラメータをセット で 設 定 することができる 3
3. 計 算 の 実 行 i. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 し 計 算 を 開 始 する 計 算 が 終 了 すると methane.out が 開 かれる 使 用 されるテキストエディ タは 計 算 メニューの パスの 設 定 エディター で 設 定 することができ る 4
II. 最 適 構 造 パラメータの 計 測 1. エチレン 分 子 の 最 適 化 i. ファイルメニューから 新 規 を 選 択 する 置 換 基 プルダウンメニューから -CH2 を 選 択 後 炭 素 を 右 クリックすると CH3 が 現 れる 次 に 水 素 ( 黄 色 の 部 分 )を 右 クリックすると エチレンが できる i ファイルメニューから 名 前 を 付 けて 保 存 を 選 択 し ethylene.dat の 名 前 で 保 存 する iv. MOPAC 計 算 のキーワードのテキストエリアに PM3 EF VECTORS と 入 力 した 後 ファイルを 保 存 する v. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 し 計 算 を 開 始 する 5
2. 構 造 パラメータの 計 測 i. H-C-H 角 を 計 測 するためには 図 に 示 した 順 序 で 原 子 をクリックすると 画 面 の 左 上 に 構 造 パラメータが 表 示 される III. 直 線 構 造 を 有 する 分 子 の 作 成 1. プロピンの 作 成 i. ファイルメニューから 新 規 を 選 択 する -CH3 ボタンをクリックし 続 いて 炭 素 を 右 クリックするとメタンが 表 示 される i 置 換 基 プルダウンメニューから -CH を 選 択 後 水 素 を 右 クリックする さらに 選 択 されている 水 素 を 右 クリックする 6
iv. 6C と 7H の 間 の 結 合 角 を 180 に 書 き 換 え Enter キーを 押 す v. MOPAC 計 算 のキーワードのテキストエリアに PM3 EF コメントのテキ ストエリア(3 行 目 )に 適 当 な 内 容 を 入 力 する vi. ファイルメニューから 名 前 を 付 けて 保 存 を 選 択 し propyne.dat の 名 前 で 保 存 する v 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 し 計 算 を 開 始 する vi 計 算 終 了 後 最 適 化 された 構 造 パラメータを 確 認 する ix. 表 に 生 成 熱 を 記 入 し 異 性 体 間 のエネルギー 差 を 計 算 し 実 測 と 比 較 する IV. ヘテロ 原 子 の 導 入 1. N-メチルアセトアミドの 計 算 7
i. ファイルメニューから 新 規 を 選 択 する trans-2-ブテンを 作 成 する i C(3)をクリックし 元 素 プルダウンメニューから 窒 素 を 選 んだ 後 Chng.ボ タンをクリックして 炭 素 を 窒 素 に 変 更 する クリックした 原 子 の 色 が 青 に 変 わるので 窒 素 に 変 更 されたことがわかる iv. H(5)をクリックし 元 素 プルダウンメニューから 酸 素 を 選 んだ 後 Chng..ボ タンをクリックして 水 素 を 酸 素 に 変 更 する クリックした 原 子 の 色 が 赤 に 変 化 する v. MOPAC 計 算 のキーワードのテキストエリアに PM3 EF MMOK コメン トのテキストエリア(3 行 目 )に 適 当 な 内 容 を 入 力 する (この 分 子 はアミド 結 合 を 有 するので キーワード MMOK を 追 加 する. ) vi. フ ァ イ ル メ ニ ュ ー か ら 名 前 を 付 け て 保 存 を 選 択 し N-MeAcetoamide.dat の 名 前 で 保 存 する v 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 し 構 造 最 適 化 計 算 を 開 始 す る 8
実 験 2 エチレン 分 子 の 振 動 解 析 I. 実 行 結 果 を 再 利 用 した 振 動 解 析 1. 計 算 結 果 の 読 込 み i. ファイルメニューから 開 く を 選 択 する このとき ファイルの 種 類 *.arc を 選 択 する ethylene.arc を 選 択 し 開 く(O) を 選 択 する i ファイルメニューから 名 前 を 付 けて 保 存 を 選 択 し freqc2h4.dat の 名 前 で 保 存 する iv. キーワードとして PM3 FORCE PRECISE を 設 定 する v. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する 9
2. 振 動 解 析 計 算 結 果 の 確 認 i. 計 算 が 終 了 すると freqc2h4.out が 開 かれる 計 算 結 果 のアニメーションは Winmostar のみではできない 実 験 3 エタンの C-C 軸 回 転 ポテンシャルの 評 価 I. 回 転 ポテンシャル 障 壁 の 計 算 の 設 定 1. エタンの 作 成 ファイルメニューから 新 規 を 選 択 する i -CH3 ボタンをクリックし 炭 素 を 右 クリックすると CH4 が 現 れる 次 に 水 素 を 右 クリックすると エタンができる iv. ファイルメニューから 名 前 を 付 けて 保 存 を 選 択 し ethane.dat の 名 前 で 保 存 する 10
2. Z-Matrix の 編 集 i. MOPAC 計 算 のキーワードのテキストエリアに PM3 EF を 入 力 する 3. Minimum Energy Path 計 算 のための 入 力 i. 8 H の 行 をクリックし その 行 を 選 択 する 参 照 原 子 に 2 1 3 を 入 力 し 二 面 角 の 値 として 180 を 入 力 する i 二 面 角 の 最 適 化 フラッグ 欄 の をクリックするとメニューが 表 れるので -1 を 選 択 する 11
iv. Additional data 欄 に 反 応 座 標 の 値 として 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 を 入 力 し 保 存 する v. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 し 実 行 する 4. 回 転 ポテンシャルの 表 示 i. 計 算 が 終 了 すると ethane.out が 開 かれる 出 力 ファイルから 角 度 と 生 成 熱 を 抜 き 出 し Excel などに 入 力 する 12
実 験 4 反 応 解 析 I(SN2 反 応 ) I. 初 期 構 造 の 作 成 1. 臭 化 メチルの 最 適 化 i. ファイルメニューから 新 規 を 選 択 する -CH3 ボタンをクリックし 炭 素 原 子 を 右 クリックすると CH3 が 現 れる 元 素 プルダウンメニューから 臭 素 (Br)を 選 んだ 後 Chng.ボタンをクリック して 水 素 を 臭 素 に 変 更 する i キーワードとして PM3 EF PRECISE を 設 定 する iv. ファイルメニューから 名 前 を 付 けて 保 存 を 選 択 し CH3Br.dat の 名 前 で 保 存 する v. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 し 計 算 を 実 行 する 2. NH3 の 付 加 i. 編 集 メニューから 原 子 の 追 加 を 選 択 する 13
下 図 に 示 したように 1~5の 操 作 を 行 う この 操 作 により 水 素 が Br の 反 対 側 に 位 置 される i -CH3 ボタンをクリックし 新 たに 置 いた 水 素 を 右 クリックする iv. メチル 基 の 炭 素 を 窒 素 に 変 更 する 14
v. 作 成 された 分 子 を CH3BrNH3.dat の 名 前 で 保 存 する II. 遷 移 状 態 の 探 索 1. Minimum Energy Path 計 算 の 設 定 i. キーワードとして PM3 EF PRECISE を 設 定 する 6N の 行 を 選 択 し 結 合 距 離 を 2.2 構 造 最 適 化 フラグを -1 に 設 定 する i Additional data 欄 に 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 の 数 値 を 入 力 し 保 存 する 15
iv. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する 2. 出 力 の 整 理 i. 計 算 が 終 了 すると CH3BrNH3.out が 開 かれる それぞれの 結 合 距 離 におけるエネルギーを 確 認 し 遷 移 状 態 に 最 も 近 いと 思 われる 構 造 (r=1.9 A)の 見 当 をつける C-C 距 離 (A ) 生 成 熱 (kcal) 2.2 10.147320 2.1 14.204860 2.0 18.285880 1.9 21.114990 1.8 19.920420 1.7 16.780040 1.6 13.253700 16
i 計 算 メニューから エディット arc を 選 択 する iv. CH3BrNH3.arc を 開 き N-C 距 離 が 1.9 である 構 造 データの 範 囲 を 選 択 してコピーする v. エディタを 閉 じ Winmostar のファイルメニューから 新 規 を 選 択 する vi. WinMostar の 編 集 メニューから 直 接 編 集 を 選 択 する 17
v コピーした 座 標 の 範 囲 を 貼 り 付 け Change ボタンをクリックする vi Quit ボタンをクリックしてウィンドウを 閉 じる ix. ファイルメニューから 名 前 を 付 けて 保 存 を 選 択 し ts.dat の 名 前 で 保 存 する 18
3. TS 計 算 のためのファイルの 編 集 i. キーワードとして PM3 TS PRECISE を 入 力 し 保 存 する この 時 C-N 距 離 の 最 適 化 フラッグ -1 を 1 とすることを 忘 れない 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する III. 振 動 解 析 による 遷 移 状 態 の 確 認 と 結 果 の 整 理 1. 遷 移 状 態 の 振 動 解 析 i. ファイルメニューから 開 く を 選 択 する このとき ファイルの 種 類 *.arc を 選 択 する ts.arc をクリックして 選 択 した 後 開 く をクリックする i ファイルメニューから 名 前 を 付 けて 保 存 を 選 択 し freq.dat の 名 前 で 保 存 する 19
iv. キーワードとして PM3 FORCE VECTORS を 入 力 し 保 存 する v. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する vi. 計 算 が 終 了 すると freq.out が 開 かれる v 得 られた 基 準 振 動 のなかで ただ 一 つだけ 負 の 固 有 値 ( 虚 の 振 動 数 )を 有 す るものがあることを 確 認 する 2. 反 応 座 標 の 計 算 と 計 算 結 果 i. ファイルメニューから 開 く を 選 択 する このとき ファイルの 種 類 *.arc を 選 択 する ts.arc をクリックして 選 択 した 後 開 く をクリックする 20
i ファイルメニューから 名 前 を 付 けて 保 存 を 選 択 し irc+.dat の 名 前 で 保 存 する iv. キーワードとして PM3 IRC=1 PRECISE LARGE=50 を 入 力 し 保 存 す る v. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する vi. 計 算 が 終 了 すると irc+.out が 開 かれる v エネルギーと IRC の 距 離 を50 回 おき(キーワード:LARGE=50) に 抜 き 出 す vi ファイルメニューから 開 く を 選 択 する このとき ファイルの 種 類 *.arc を 選 択 する ix. ts.arc をクリックして 選 択 した 後 開 く をクリックする x. ファイルメニューから 名 前 を 付 けて 保 存 を 選 択 し irc-.dat の 名 前 で 保 存 する 21
xi. キーワードとして PM3 IRC=-1 PRECISE LARGE=50 を 入 力 し 保 存 す る x 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する xi 計 算 が 終 了 すると irc-.out が 開 かれる xiv. エネルギーと IRC の 距 離 を 50 回 おきに 抜 き 出 す 3. IRC に 沿 ったエネルギーと 構 造 変 化 i. 表 計 算 ソフトウェアなどを 用 いて 抜 き 出 したデータをグラフ 化 する 遷 移 状 態 からの 距 離 を x 軸 に 相 当 する 構 造 の 生 成 熱 をy 軸 とする Energy(kcalmol -1 ) 25 20 15 10 5 0-5 -10-5 -4-3 -2-1 0 1 2 IRC 22
IRC 計 算 により 得 られた Z-Matrix を 用 いて 反 応 座 標 に 沿 った 構 造 変 化 を 図 示 することができる 実 験 5 置 換 基 効 果 の 評 価 I. Menshutkin 反 応 の 置 換 基 効 果 の 評 価 1. メチル 基 のベンジル 基 への 変 更 i. 計 算 済 みのメンシュトキン 反 応 (CH3Br+NH3)の 遷 移 状 態 構 造 (ts.arc) を 読 み 込 む 3 H を -C6H5 に 変 更 する 23
i キーワードとして PM3 TS PRECISE を 入 力 し Phts.dat の 名 前 で 保 存 する iv. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する 2. 計 算 結 果 の 確 認 と IRC 計 算 i. キーワードとして PM3 FORCE VECTORS を 入 力 し freqphts.dat の 名 前 で 保 存 する 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する i 計 算 が 終 了 すると freqphts.out が 開 かれる iv. 得 られた 基 準 振 動 のなかで ただ 一 つだけ 負 の 固 有 値 ( 虚 の 振 動 数 )を 有 するものがあることを 確 認 する v. ファイルメニューから 開 く を 選 択 する このとき ファイルの 種 類 *.arc を 選 択 する vi. Phts.arc をクリックして 選 択 した 後 開 く をクリックする v ファイルメニューから 名 前 を 付 けて 保 存 を 選 択 し Phirc+.dat の 名 前 で 保 存 する vi キーワードとして PM3 IRC=1 PRECISE LARGE=50 を 入 力 し 保 存 す る 24
ix. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する x. 計 算 が 終 了 すると Phirc+.out が 開 かれる xi. エネルギーと IRC の 距 離 を50 回 おき(キーワード:LARGE=50) に 抜 き 出 す x 同 様 に キーワード PM3 IRC=-1 PRECISE LARGE=50 の 計 算 を ファ イル 名 Phirc-.dat として 実 行 し エネルギーと IRC の 距 離 を 50 回 おき に 抜 き 出 す xi Phirc-.out から 最 後 に 抜 き 出 された 座 標 をコピーする 25
xiv. エディタを 閉 じ ファイルメニューから 新 規 を 選 択 する xv. 編 集 メニューから 直 接 編 集 を 選 択 する xvi. コピーした 座 標 の 範 囲 を 貼 り 付 け Change ボタンをクリックする xv Quit ボタンをクリックする xvi キーワードとして PM3 EF PRECISE を 入 力 し PhircR.dat の 名 前 で 保 存 する xix. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する xx. 計 算 が 終 了 すると PhircR.out が 開 かれる xxi. 生 成 熱 (16.75424 kcal/mol)を 確 認 し 遷 移 状 態 の 生 成 熱 (44.78670 kcal/mol)との 差 から 活 性 化 エネルギー(28.0 kcal/mol)を 求 める 26
実 験 6 反 応 解 析 (Diels- Alder 反 応 ) I. Diels-Alder 反 応 の 遷 移 状 態 の 探 索 1. シクロヘキセンの 作 成 i. -C2H3 ボタンをクリックした 後 炭 素 を 右 クリックしてエチレンの 構 造 を 作 成 する 1~4の 順 に メチル 基 を4つ 付 加 する i 不 必 要 な 水 素 が 見 えるように 分 子 を 回 転 させ 2 つの 水 素 を 消 去 する 27
iv. cyclohexene.dat の 名 前 で 保 存 する このときキーワードの AM1 を PM3 に 変 更 しておく v. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する 2. 遷 移 状 態 (TS) 構 造 の 作 成 i. 10 C の 参 照 原 子 の 1 番 目 を 4 に 設 定 する 8 C と 10 C の 他 の 炭 素 原 子 との 間 の 結 合 距 離 を 2.2 とし 最 適 化 フラッグを 0 にする i 計 算 方 法 を AM1 から PM3 に 変 更 し prechts.dat の 名 前 で 保 存 する 28
iv. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する 3. 遷 移 状 態 の 最 適 化 と 振 動 解 析 による 確 認 i. 8 C と 10 C の 最 適 化 フラッグを 1 に 戻 す キーワードとして PM3 TS PRECISE を 入 力 し chts.dat の 名 前 で 保 存 する i 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する 設 定 が 正 しければ 遷 移 状 態 (TS)が 得 られる iv. 計 算 終 了 後 キーワードを PM3 FORCE VECTORS とし chfreq.dat の 名 前 で 保 存 する v. 計 算 メニューから MOP6W70 start を 選 択 する vi. 計 算 が 終 了 すると chfreq.out が 開 かれる 29
v 得 られた 基 準 振 動 のなかで ただ 一 つだけ 負 の 固 有 値 ( 虚 の 振 動 数 )を 有 す るものがあることを 確 認 する 30