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化学現象のコンピューターシミュレーション
１．序章
１－１．コンピューターシミュレーション
皆さんにとって最も身近なコンピューターシミュレーションは天気予報でしょう。
大気に関連する種々の方程式を高性能なコンピューターを使って精密に解き、一週間
後の天気を予測しています。同様に、地球規模での海流のシミュレーション、その結
果を利用した回遊魚の成長シミュレーション、建築物の振動、宇宙の膨張過程のシミ
ュレーション、様々なシミュレーションが日常生活に役立ち、更には、科学的理解の
深化に役立っています。化学の分野においても、実験と基礎理論をつなぐ第三の科学
的方法としてコンピューターシミュレーションが活躍しています。
化学現象のコンピューターシミュレーションは実在の世界では直接に観測するこ
とが不可能な現象、例えば、分子構造の振動や変形、化学結合の生成・消滅、を捉え
ることができます。実在の世界では存在しない不安定な分子を仮想的に作り出すこと
もできます。物理・化学の基礎理論と化学現象を結びつける懸け橋となっています。
１－２．基礎方程式
化学現象の殆どは「電子の運動状態」の変化に由来します。それゆえ、化学シミュ
レーションの基礎方程式は電子の運動方程式です。残念ながら、電子の運動方程式は
高等学校の物理や化学では習いません。それゆえ、本実習は、基礎理論の習得という
意味では最初から諦めに満ちています。化学実験で、物質の色の変化、発光や発熱、
沈殿や溶解、精密機器の見学、etc を楽しむように、コンピューターシミュレーショ
ンを楽しんでください。唯一の頼みの綱は、皆さんの化学現象への興味です。
１－３．ソフトウェア
本実習では、Gaussian 社から
販売されている Gaussian09（ガ
ウシアン 09）というソフトウ
ェアを使います。Gaussian シリ
ーズは世界で最も share 率の高
い化学計算ソフトで、世界中
の大学や企業の化学者が利用
しています。Windows 版 Gaussian では GausView（ガウスビ
ュー）というインターフェイ
スソフトと組み合わせることに
図１．GausView が動作している状態
より、簡単に計算が実行できるようになっています。
Gaussian09 & GaussView には様々な機能がありますが、本実習でつかう機能は、以
下の４つに制限しています。
(1) 原子配列（つまり分子構造）をインタラクティブ・グラフィカルに入力。
(2) 与えられた分子構造の全エネルギーを計算。
(3) 与えられた推定分子構造の近傍で、エネルギー的に最安定な分子構造を探索。
(4) 計算結果（分子構造、エネルギー、振動の状態）の表示。
２．実習
２－１．GaussView を使う
（１）分子構造を表示する
いろいろなサンプル分子を表示してみましょう。サンプルは入力ファイルとして用
意してあります。ソフトの基本的な操作方法に慣れてください。必須の操作項目は、
分子の拡大・縮小・回転・並行移動、原子の削除・追加、結合距離・結合角度の変更、
元素記号(H, C, O, N, etc)の表示、表示モデルの選択、です。
図 2．
（右）デオキシアデノシン（C10H13N5O3）
：生体内で重要な役割を果たす「ヌクレオシド」と呼ばれ
る分子のひとつ。リン酸と結合すると DNA や RNA を作る。また ATP（アデノシン三リン酸）の一部とし
て生体内のエネルギー輸送にも関わっている。
（左）フラーレン（C60）：60 個の炭素原子がサッカーボ
ールの文様に並んている炭素同素体のひとつ。
（２）簡単な分子を作ってみる
GaussView の使い方に慣れたところで、以下の分子を作成してみましょう。
(a) H2,
(b) H2O,
(c) CH4,
(d) H2CO,
(e) CH2=CH2,
(f) CH3COOH
分子構造が似ている分子をサンプルから探して、原子を追加・削除して作ると効率が
良いでしょう。勿論、ゼロからスタートして分子構造を構築
COOH
する作業も楽しいかもしれません。
C
応用編として、必須アミノ酸のひとつであるアラニンを
H3C
H
作ってみましょう。アラニンには光学異性体が存在します。
H2N
右図は生体中に存在するＬ－アラニンです。Ｌ体と D 体を
図３．Ｌ－アラニン
作り分けてみましょう。
２－２．Gaussian09 を使う
（１）最適化構造を求めてみよう
原子が幾つか集まると、通常、最安定な（全エネルギーが最も低くなるような）原
子配列（分子構造）が生じます。例えば、２個の水素原子(H)と１個の酸素原子(O)が
集まって水分子が生じますが、原子は H-O-H の順に並び、直線形より屈曲形のエネル
ギーが低くなり、良く知られた折れ線形
O
H
H
となり、その結合角は 104.5°です。
図 4．水分子の分子構造
Gaussian09 は、エネルギーが最低となる構造を自動的に探索し、最適な結合距離
OH、結合角 H-O-H と伴に、全エネルギーを計算します。エネルギー最低の分子構造
を「最適化構造 Optimized Geometry」と呼びます。
Gaussian09 を使って、水分子(H2O)、アンモニア分子(NH3)の最適化構造を計算して
みましょう。先ず、初期の推定構造が必要です。Gaussian09 は入力された推定構造の
周辺で最適化構造を探索します。なるべく良質な推定構造を作ることが計算を早く終
わらせるコツです。
（２）ホルムアルデヒド（H2CO）の最適化構造
ホルムアルデヒドは防腐剤・接着剤・塗料などの成分です。メタノールを酸化する
ことで生成し、二日酔いによる頭痛の原因物質と云われています。CH2O で示される化
合物の構造は一種類ではありません。以下の５種類の初期推定構造(a)～(e)から出発
して、CH2O の「最適化構造」を探してみよう。
O
C
H
H
(a)
H
H
O
O
C
H
H
H
O
O
H
H
C
C
C
(c)
(d)
(e)
H
(b)
(a)は高等学校の化学の教科書に掲載されているホルムアルデヒドです。(b)～(e)は
その異性体です。このような異性体は存在するでしょうか。
（３）化学反応を解析する
ホルムアルデヒド H2CO の異性化を考えてみましょう。皆さんは２－２（２）に於
いて、少なくとも(a)と(c)は安定な分子構造である
H
ことを発見したはずです。(a)の最適化構造は(c)より
もエネルギーが低いため、通常、圧倒的多数の分子が
C
O
(a)の形になっています。しかし、(c)の分子構造も存
H
在可能なので、(a)と(c)をつなぐ化学反応（異性化反
応）の経路が存在するはずです。
図 5．異性化の反応経路→
この異性化反応では、水素が、炭素側と酸素側の間を移動します（上図 5 の点線矢印）
。
この反応経路を自分で仮定して作成し、反応経路に沿ったエネルギー変化を計算しグ
ラフ化しましょう。最もエネルギーの低い反応経路を考えだした人が正解に近いこと
になります。
HCOH
H2CO
反応物
反応経路
生成物
図 6．反応経路に沿った分子のエネルギー変化
Gaussian09 は自動的に反応経路を計算する機能を持っています。この実習では、その
機能を使わないで、自分で反応経路を仮定して計算する事を体験してもらいます。こ
の実習が完了すれば、H2CO と H2CS(チオホルムアルデヒド)のどちらの異性化が容易か、
という研究へ発展させても面白いでしょう。
更に（時間があれば）、次式で示すホルムアルデヒドの分解反応を考えましょう。
H2CO → H2 ＋ CO
どのように２つの水素原子が CO から離れて H2 分子になるのか、自由自在に考えて、
エネルギー変化を追ってみましょう。この反応経路は既に発見されており、最もエネ
ルギーの低い反応経路は、皆さんにとってやや意外な所にあるかもしれません。

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